Hálózatok I. Várady Géza Műszaki Informatika Tanszék Iroda: K203 Email:
[email protected]
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Vezeték nélküli előfizetői hurok • • • • •
LMDS Milliméteres hullámok miatt tiszta rálátás kell Falevelek felfogják Eső is elnyeli A fenti rendszereket az IEEE 802.16 – vezeték nélküli WAN definiálja
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • Gazdaságosság fontos • Kábelfektetés költségei – Fizikai kihúzás, munkagépek, munkások – Kábel sávszélessége minimálisan befolyásolja az árat
• Multiplexelés – Frekvenciaosztásos (FDM) – Időosztásos (TDM)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • AM rádiós műsorszórás jó példa mindkettőre: – Frekvenciatartomány felosztva (500 kHZ – 1500 kHz) – FDM – Néha zene szól, néha egy kis reklám – TDM
• FDM – Hangcsatornak sávszélessége: 3000 Hz – Multiplexálásnál 4000 Hz-re van szükség (választósáv) – Néha így is lehet áthallás (vágások nem élesek)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • FDM
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • FDM – Bizonyos fokig szabványos rendszer világszerte – Elterjedt szabvány szerint • 12 db 4000 Hz-es csatorna FDM-el 60 kHz és 108 kHz között (ill. 12 kHz és 60 kHz között) – csoport (group) • 5 db csoport = főcsoport (supergroup) (60 csatorna) • CCITT: 5 főcsoport = mestercsoport (master group) • Bell-rendszer: 10 főcsoport = mestercsoport (600 csat.) • AT&T: 6 mestercsoport = jumbo csoport (3600 csat.) • Van olyan szabvány, ami 230000 csatornát tud multiplexelni
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • WDM (Wave Division Multiplexing – hullámosztásos multiplexálás) – FDM speciális változata – Optikai szálakban használatos – Teljesen passzív rendszer – nagy megbízhatóság
Optikai rács
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • WDM (Wave Division Multiplexing – hullámosztásos multiplexálás) 1990 –ből származik Első kereskedelmi felhasználás: 8 x 2,5 Gbps-es csatorna 1998: 40 x 2,5 Gbps-es csatorna 2001: 96 x 10 Gbps-es csatorna ( 960 Gbps ~ 96 GBps ~ 140 db 1CD-s DivX-es film másodpercenként) – 2010: 200 csatornás rendszer laborban, 160-as piacon, 40 Gbps-es csatornák (~1000 db 1CD-s DivX-es film másodpercenként) – – – –
• DWDM (Dense WDM, sűrű WDM) – Nagy csatornaszám – Hullámhosszak távolsága kicsi (pl. 0,1 nm)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • WDM miért népszerű – Az optikai/elektronikus jelátalakítás sebessége a felső korlát, de ezt passzív eszközökkel multiplexálva (párhuzamosítás!) a csatornák számával lineárisan növelhető a sávszélesség – Elvi határ egy szálon: 2500x10Gbps (1 bit/Hz esetben, de ennél lehet jobbat, ráadásul a szálak többnyire kötegben mennek, pl. 64 szálas kábel..) – Optikai erősítők 1000km-enként szükségesek csak, nagyon gyors a működés
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • TDM (Time Division Multiplexing – időosztásos multiplexálás) – Sok réz-alapú vezeték van kihelyezve, ki kellene használni – WDM-hez optika kell, FDM-hez analóg technika – TDM csak digitális áramkörökkel megoldható, de csak digitális jeltovábbításra alkalmas (így AD, DA átalakítók kellenek az előfizetői hurkok felhasználásához)
• Analóg beszédjel digitalizálás, nyalábolása – Bejövő analóg jelet egy kodek (kódoló – dekódoló) digitalizálja 8 bites értékek sorozatára – 4000 Hz sávszélességű csatornáról 8000 mintát veszünk másodpercenként (Nyquist) (125 μs / minta)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • Analóg beszédjel digitalizálás, nyalábolása – Fentiek neve: PCM (Pulse Code Modulation – impulzuskód moduláció), ez alkotja a modern telefonhálózatok lelkét
• Digitális technikák elterjedésével a CCITT (ITUT) nem jutott dűlőre a PCM nemzetközi szabványról manapság sok inkompatibilis rendszer fut még
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • T1 vívő (Észak-Amerika, Japán, Korea) – 24 beszédcsatorna egybe nyalábolva – Körforgásos TDM, majd ezt küldik a kodekre – Minden csatorna 8 bitet tud a kimeneti folyamba tenni, 7 adat 1 vezérlés, azaz 7*8000=56kbps a sebesség – A keret 24x8 bitből + 1 bit szinkron áll: 193 bit / 125 μs 1,544 Mbps sebesség – Keretszinkron jel: 01010101010101.. – Ez egy 4000Hz-es analóg szinusz jel lenne, analóg szűrők kiszűrnék
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • T1 vívő (Észak-Amerika, Japán, Korea)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • T1 vívő (Észak-Amerika, Japán, Korea) – Adatátvitel esetén 23 csatornát használnak, a 24.ben egy speciális szinkronjel megy, ezt gyorsabb újraszinkronizálás miatt kell bevezetni • E1 vívő (mindenhol máshol) – 24 helyett 32 csatorna, amiből 30 adat, 2 pedig jelzés – 2048 Mbps-es sebesség
• Hogy lehetne a csatornánkénti bitek számát csökenteni?
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • Hogy lehetne a csatornánkénti bitek számát csökenteni? – A jel viszonylag lassan változik – Elég lehet a jel értékek helyett a különbséget küldeni
• Különbségi impulzuskód-moduláció (diff. Impulse code modulation) – 128 bit kvantálási szinten a 16 bit változás ritka, így elég lehet a 7 bit helyett 5 bit (32 bitnyi változást fog át - +- 16 bit) – Ha nagyobb az ugrás, több mintavétel után érjük be – beszédnél ez nem zavaró
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • Különbségi impulzuskód-moduláció egy változata: deltamoduláció (delta modulation) – Különbség +-1 bit lehet (1 itet elég átküldeni) – Túl gyors változás információvesztés
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • Fejlettebb változat: prediktív kódolás (predictive encoding) – Eddigi minták értékét extrapolálva megjósoljuk a következő mintát, és az ettől való eltérést küldjük át – A vevő oldalon ugyanezen algoritmussal kell a jóslást végezni • T1-es csatornákat T2, T3, T4 csatornákban lehet nyalábolni
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • SONET/SDH – 1985 Bellcore kidolgozza a szinkron optikai hálozat (Syn. Opt. NETwork) szabványát – 1989 SONET szabvány + CCITT ajánlások – szinkron digitális hierarchia (Syn. Dig. Hier.) – SONET 4 fő célja • Különböző vivők együttműködtetése • USA, EU, Japán digitális rendszereinek kompatibilissá tétele • Digitális csatornák további nyalábolási szintjeinek meghatározása (ekkor még T3 volt csak, T4 elméletben) • Üzemeltetési, adminisztrációs, karbantartási eljárások kidolgozás, implementálása
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Trönkök, multiplexelés • SONET/SDH – 10-9 sec pontos órára időzítve (alcsatornák időréseket kapnak) (ATM pl. szinkron nélküli) – SONET keret alapja: 810 byte-os blokk (125 μs-onként), mely mindenképp kimegy – STS-1 (synchronous transport signal-1) • 810x8=6480 bit / sec * 8000 = 51,84 Mbps • A többi szint ennek a többszöröse (pl.: STS-192: 9953.28 Mbps )
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Külső eszközök: előfizetői hurok, trönkök • Belső eszközök: kapcsolók – Vonalkapcsolás – Csomagkapcsolás • Vonalkapcsolás (circuit switching)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Vonalkapcsolás (circuit switching) – Eleinte kézi kapcsolás („Strowger” - temetkezési vállalkozó) – Később automata kapcsolók
• Csomagkapcsolás
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Vonalkapcsolás – A hívójelnek és visszaigazolásnak körbe kell érnie a valós adatátvitel előtt – ez sokszor nem kivárható (pl. bankkártyás fizetés) – Kapcsolat után a késleltetés a fizikai tulajdonságokból adódik csupán – Kapcsolat felépülése után nem kapunk foglalt jelet
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Kapcsolások időzítése • (a) vonalkapcs. • (b) Üzenetkapcs. • (c) Csomagkapcs.
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Üzenetkapcsolás (message switching) – Load and Store: adatblokkot átküld, ha megérkezett, router tárolja és továbbküldi amint lehet – Első példa: távíró – lyukszalag beolvasva, továbbküldve, ott kijön, újra beolvassák, tovább… neve: tépőszalagos központ (torn tape office) – Üzenetkapcsolásban az adatblokk méretét nem korlátozzuk, routereknek nagy tárolókapacitással kell rendelkeznie – Adatblokk ez miatt percekre is foglalhatja a router vonalait – interakció nem garantált
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Csomagkapcsolás (packet switching) – Szigorú felső korlát a csomagokra – Routerbe nem kell diszk, elég az operatív tár – A vonalak túl hosszan nem blokkolódnak, interaktív kapcsolatra alkalmas – A kisebb csomagok miatt az üzenet első csomagját már akkor küldhetjük, amikor a második még nincs kész – késleltetés kisebb, áteresztőképesség nagyobb – A csomagok nem biztos, hogy azonos úton haladnak, a sorrendjük megváltozhat (ez nem igaz a virtuális áramkörökre, amelyek szintén csomagokkal kommunikálnak, de a sorrend garantált,van viszont kapcsolat kiépítés szakasz)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Csomagkapcsolás (packet switching) – Kieső útvonalakra kevésbé érzékeny, alternatív utakat keres (erre találták ki) – Virtuális áramköröknél előre foglalhatunk sávszélességet (QoS!) – Torlódás csomagkapcsolt rendszerben az adatátvitel közben is megtörténhet, virtuális áramkörökben csak előtte, a kiépítésnél, közben nem, vonalkapcsolásnál nincs torlódás, legfeljebb várni kell a vonalra (foglalt jelzés) – Csomagkapcsolásnál nem foglaljuk a sávszélességet feleslegesen (jó kihasználtság, nem garantált minőség – vagy– garantált minőség, rossz kihasználtság)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Csomagkapcsolás (packet switching) – Kieső útvonalakra kevésbé érzékeny, alternatív utakat keres (erre találták ki) – Virtuális áramköröknél előre foglalhatunk sávszélességet (QoS!) – Torlódás csomagkapcsolt rendszerben az adatátvitel közben is megtörténhet, virtuális áramkörökben csak előtte, a kiépítésnél, közben nem, vonalkapcsolásnál nincs torlódás, legfeljebb várni kell a vonalra (foglalt jelzés) – Csomagkapcsolásnál nem foglaljuk a sávszélességet feleslegesen (jó kihasználtság, nem garantált minőség – vagy– garantált minőség, rossz kihasználtság)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok • Csomagkapcsolás (packet switching) – Nem transzparens (a vonalkapcsolás az) • Olyan sebességgel megy, amit a szolgáltató megenged (autópálya és vonat példa)
– Számlázás mehet az átvitt adat mennyisége szerint (vonalkapcsolásnál a távolság és foglalási idő alapján)
Nyílvános kapcsolt telefonhálózat – Kapcsolási módok
Mobiltelefon rendszer • A vezetékes hálózatok lehetnek több Gb-esek, de fix végpontok közt működnek • A mai ember mozgás közben akarja a kommunikációt • A mobil kommunikáción túl a mobil adatátvitel is igény • Mobiltelefonok fejlődése – Analóg továbbítás – Digitális továbbítás – Digitális továbbítás + adattovábbítás
• Analóg rendszer USA-ban szabványos volt, EU-ban nem • Digitális rendszer EU-ban szabványos, USA-ban több szabvány is fut
Mobiltelefon rendszer • EU-ban a mobiltelefonok jobban elterjedtek • Okok – Külön körzetszám van, felismerhető mi mobil, hívó fizet (USA-ban keverednek a számok, a hívott is fizet, sokan nem akartak ezért mobilt) – EU-ban egy rendszer, USA-ban több – EU-ban a feltöltőkártyák révén sok fiatalnak van telefonja
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1946 St. Louis – első autótelefon rendszer – Átkapcsolásos (Push to Talk): adót és vevőt egy gombbal kapcsoljuk (CB) – 1 adótorony a városban, egyetlen csatorna
• 1960 IMTS (Improved Mobile Telephone System – javított mobiltelefon rendszer) – 1 adó (200 W) – 23 csatorna (150-450 MHz) – ez kevés, sokszor várni kellett – Külön adó és vevő frekvencia, így nem kellett gombbal kapcsolni
• 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – Bell fejlesztés, analóg rendszer – Japánban TACS, Egyesült Királyságban MCS-L1 néven ment
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – Földrajzi területet cellákra osztották (Cell – Phone), 10-20 km-es átmérővel (digitális rendszerekben ennél kisebb, belvárosokban 3001000 méter között) – Minden cella olyan frekvenciahalmazt használ, melyet egyik szomszédja sem (távolabbi cellák használhatják ugyanezen frekvenciákat – egyik nagy előnye a cellás rendszereknek) – A cellák sűrítésével a fentiek okán is a kapacitás sokszorozható, a telefonok adóerőssége minimalizálható (kis akku, kis telefon) – A cellák további osztását mikrocellás felosztásnak hívják, ezek sokszor mobil tornyok, melyeket műholdas kapcsolattal kötnek be (nagyobb koncertek események helyére telepítenek mobil tornyokat)
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – (a) Betük: frekvenciahalmazok – (b) mikrocellás felosztás
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – Minden cella közepén egy bázisállomás van, ehhez kötődnek a telefonok a cellában
– Bázisállomás: számítógép + antenna + adóvevő – Bázisállomás legalább egy MTSO-val (Mob. Tel. Switching Office) áll kapcsolatban (MTSO a helyi központ megfelelője) – Egy telefon logikailag egy cellához kapcsolódik – Ha kimegyünk a cellából, és bemegyünk egy másikba, akkor a cellák egymás közt megbeszélik, kihez mentünk be, ő átvesz (handoff) és felszólítja a készülékünket a csatornaváltásra --- egész 300 ms
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – A rendszer agya az MTSO – Soft handoff: amíg új kapcsolat nincs, a régi él • Hátrány: 2 frekvencián egyszerre kell működnie a készüléknek • Előny: a beszéd nem szakad
– Hard handoff: régi eldobja, új felveszi. Ha nem elég gyors, megszakad – néha előfordul, első és második generációs készülékek így működnek – AMPS Csatornák: 832 duplex csatorna (szimplex párok), adás: 824 MHz és 849 MHz között, vétel: 869 MHz és 984 MHz között, minden csatorna 30kHz sávszélességű, AMPS FDM-et használ az elkülönítésre – Hullámhossz itt 40 cm körüli, növények elnyelik, épületek visszaverik – Többutas elgyengülés itt is él (multipath fading)
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – 832 csatorna beosztása • • • •
Vezérlés (bázistól mobil felé) – felügyelet – 21 csatorna, PROMban Hívás (bázistól mobil felé) – bejövő hívás Hozzáférés (kétirányú) – hívásfelépítés, csatornakiosztás Adat (kétirányú) – beszéd, fax, adattovábbítás
– 832 csatornából a cellás leosztás miatt egy cellában a beszédcsatornák száma 45 körül mozog – Híváskezelés • Mobilkészülék 32 bites gyári számmal és 10 jegyű hívószámmal rendelkezik (PROM) • 3 jegyű körzet, 7 jegyű előfizetői szám • Bekapcsoláskor a 21 vezérlőcsatornából kikeresi a legerősebbet
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – Híváskezelés • Bekapcsolás után a telefon szétküldi a 32 bites egyedi azonosítóját és a 34 bites hívószámát (innentől tudnak róla a cellák a környéken) • A fenti és egyéb vezérlőinformáció digitálisan megy, hibajavító kóddal, a beszéd analóg • Bázisállomás jelenti a bejelentkezést az MTSO-nak, rögzíti a telefon helyzetét (amit kb. 15 percenként befrissít – ne bujkáljunk bekapcsolt telefonnal a hatóságok elöl…) • Hívás – A kért számot be kell ütni és hívás gombbal elküldeni – Hozzáférési csatornán elmegy a kért és a saját számunk – MTSO keres egy csatornát a hívott felé, jelez neki, mi pedig megkapjuk a csatorna számát, odaváltunk és várjuk, hogy felvegye
Mobiltelefon rendszer – első generációs, analóg átvitel • 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon rendszer) – Híváskezelés • Bejövő hívás – Hívott fél MTSO-jához bejön a kérés, – MTSO a telefon cellájához tartozó bázisállomáson keresztül kéri a hívottat, jelentkezzen, – Ha él, válaszol, – Ha válaszol, az MTSO megadja, melyik csatornán hívják, az átvált ide, és csörög. Ha felvesszük, a másik fél már az adott csatornán bent van, és beszélhetünk.
