Távközléstechnika (302) A tantárgy tömbösített oktatása: a félév első felében heti 2x3 óra előadás (kedd 15.20-17.55, csütörtök 14.25- 17.00, Moziterem) Utolsó előadás: október 21., ZH: október 31-ig ZH alapján megajánlott vizsgajegy (4 vagy 5 eredménnyel), félév végén vizsga! Aláírás feltétele: az összes mérés elvégzése, jegyzőkönyvek leadása Mérések: 6 mérés, 3 műszeres (a félév első felében), 3 programozás (a félév második felében), helye: TA fsz 15/A
Távközléstechnika A tantárgy felelős oktatója: Maros Dóra Elmélet: 39 óra Oktatók: Maros Dóra, docens: bevezetés, alapfogalmak (6 óra) Gudra Tibor, óraadó: hálózati ismeretek (12 óra) Antók Péter, óraadó: optikai hálózatok (3 óra) Lukács György, óraadó: rádiós átvitel (6 óra) Gyányi Sándor, adjunktus: IP (9 óra) Kármán József, óraadó: hálózatmenedzsment (3 óra) ZH: 2 óra
Specifikációk, szabványok és testületek
Szabályozási szervezetek Szabványosítási szervezetek Világszervezetek:
International Electrotechnical Commission International Telecommunication Union
International Organization for Standardization
Európai szervezetek:
Comité Européen de Normalisation Électrotechnique;
European Telecommunications Standards Institute
Szakmai szervezetek
Institute of Electrical and Electronics Engineers
International Federation for Information Processing
Internet Engineering Task Force
Nemzetközi Távközlési Únió (www.itu.int) Az ENSZ keretein belül működő szervezet, amely nemzetközi szinten szabályozza a távközlési és informatikai rendszerek egységes működését, összekapcsolhatósági feltételeit. 193 ország tagja az ITU-nak A szabályozások létrehozásában több mint 700 akadémiai (egyetemek) és ipari szereplő is részt vesz. A világ legnagyobb ICT (Information and Communication Technologies) szabályozási szervezete
Nemzetközi Távközlési Únió International Telecommunication Union
Szektorok: ITU-R: Rádiókommunikációs szektor ITU-T: Távközlés szabályozási szektor ITU-D: Távközlés fejlesztési szektor https://www.youtube.com/watch?v=S_BCkvTM4wk
Nemzetközi Távközlési Únió ITU-R Fő feladatai: •Rádiós spektrum menedzselése, harmonizálása, globális szabályozása és felügyelete (földi, tengeri, űr) •Műholdas kommunikáció, műholdak működésének szabályozása és felügyelete Területek: fix és mobil telekommunikáció, műsorszórás, GPS, amatőr rádiózás, űrkutatás, meteorológia, veszélyhelyzeti kommunikáció, környezetvédelmi megfigyelések
Nemzetközi Távközlési Únió ITU-T Fő feladatai: •Nemzetközi szabályozások (ITU-T Recommendations) megalkotása a telekommunikáció minden érintett területére. •Hálózatok interoperabilitásának (átjárhatóság, együttműködés) biztosítása közös szabályozási környezetre alapulva Területek: hang- (beszéd), audio-, video-, adatátvitel (kódolási eljárások, átviteli megoldások és protokollok)
Nemzetközi Távközlési Únió ITU-D Fő feladatai: •A z ICT szempontjából elmaradott térségek (fejlődő országok) felzárkóztatása, technológiák, hálózatok fejlesztése, szakemberek képzése •Veszélyhelyzeti kommunikáció (előrejelzés, riasztás, tájékoztatás, mentés) •Környezetvédelem, klímaváltozás, fenntartható fejlődés (energiafogyasztás, káros anyagok, újrahasznosítás)
Nemzetközi Távközlési Únió Study Groups (SG) ITU-R
ITU-T (2013-2016)
Nemzetközi Távközlési Únió ITU-T
ITU-T Recommendations: normatív ajánlások vagy dokumentumok (több mint 4000) Nem kötelező, csak akkor ha az a nemzeti szabályozásokban megjelenik Nem normatív dokumentumok: Technical papers (SG-ok által összeállított anyagok, tanulmányok stb.) Kézikönyvek: Handbooks (hálózattervezés, szolgáltatás minőség, elektromágneses zavarok, tesztek, stb.) Most nézzünk bele: www.itu.int
European Telecommunications Standards Institute
Európai Távközlési Szabványosítási Intézet (www.etsi.org)
Európai Unió alá tartozó szabványosítási szervezet ICT-hez kapcsolódó szabványokat hoz létre, amelyek nem csak európai országokban érvényesek (pl.GSM) Non-profit szervezet, 5 kontinens, 63 ország, 750 különböző szervezete vesz részt a szabványosításban
ETSI tagok (www.etsi.org)
Nemzeti Média és Hírközlési Hatóság
European Telecommunications Standards Institute
ETSI tevékenységek (www.etsi.org)
Műszaki specifikációk és szabványok Ipari és európai szabályozások Tesztelési eljárások (berendezés és hálózat) Interoperábilitás teszt eljárások
ETSI dokumentumok fajtái European Telecommunications Standards Institute
European Standard (EN) – Európában használatos szabványok, amelyek az Európai Bizottsággal (European Commission EC) való együttműködéssel jön létre, és amelyeket a nemzeti szabványosítási szervezetek is elfogadnak. ETSI Standard (ES) – Szabványok részletes technikai leírásokkal ETSI Guide (EG) – Általános ETSI segédanyagok a műszaki szabványok létrehozása, nyilvántartása és kiadása kapcsán. Minden ETSI tag részére azonos alapelvek.
ETSI dokumentumok fajtái European Telecommunications Standards Institute
ETSI Technical Specification (TS) – Rövid technikai leírások gyors használatra ETSI Technical Report (TR): Műszaki dokumentumokhoz kapcsolódó kisegítő anyagok (magyarázatok, alkalmazás stb.) ETSI Special Report (SR) – Különböző célú és tartalmú jelentések, leírások, állásfoglalások ETSI Group Specification (GS) – Egy adott munkacsoport által ajánlott specifikáció
European Telecommunications Standards Institute
ETSI szabványok keresése, letöltése
Fontos! Ha technikai specifikációkra vagyunk kíváncsiak MINDIG HITELES FORRÁSOKBÓL DOLGOZZUNK! Azaz vegyük elő az eredeti szabványokat, amelyek ingyenesen letölthetők a szabványosítási szervezetek honlapjairól! Nézzünk néhány példát: www.etsi.org
ETSI Clusterek European Telecommunications Standards Institute
Így is kereshetünk! Válasszunk egy Clustert és ott megtalálunk minden szükséges dokumentációt!
Third Generaton Partnership Project
Technikai bizottságok
3GPP speciálisan mobil szabványokkal foglalkozik
3GPP a mobil szabványosítás fellegvára Tagjai (6 szabványosítási szervezet): A 3GPP által létrehozott specifikációkat az ETSI szabványként fogadja el! www.3gpp.org A mobil szabványokat inkább itt keressük!
3GPP specifikációk struktúrája, számozása A specifikációk időben un. RELEASE-ekben kerülnek kiadásra. Az első a R99 volt, amely kb. 2000-ben került kibocsátásra ! Utána: R4…..R12 (nézzünk egy példát!)
Internet Engineering Task Force www.ietf.org Szlogen: „The goal of the IETF is to make the Internet work better” Internet szabványok létrehozására alakult nemzetközi szervezet, mérnökökből áll. Technikai megoldások kidolgozása a különböző hálózatok interneten keresztüli kommunikációjának összehangolására Tagjai önkéntesek, bárki csatlakozhat. Szoros együttműködésben az Internet Society-vel Szabványok un. Request for Comments (RFC) dokumentumokban
IETF WG-k www.ietf.org
Working Group-ok (WG) egyes speciális területeken dolgoznak
IETF RFC-k www.ietf.org
Eye-triple-E Institute of Electrical and Electronics Engineers
www.ieee.org
•A világ legnagyobb műszaki-tudományos egyesülete •A területen a legújabb tudományos eredmények publikációs helye (konferenciák, cikkek, tanulmányok stb.) •Oktatás, tehetséggondozás •Technológiai szabványok kidolgozása, ajánlása •Bárki beléphet •Előnyök: a legújabb trendek, technológiák megismerése, szakmai kapcsolatépítés, publikálás, konferenciák, szakmai segítség
IEEE tagság Institute of Electrical and Electronics Engineers
www.ieee.org
Több mint 430.000 tag 160 országból 120.000 hallgató 80 országból 333 szekció a világ minden részén (HS) 432 egyéb, nem műszaki kérdésekkel foglalkozó csoport, pl. Women in Engineering, vagy Life Members (hátrányos helyzetűek kommunikációja)
IEEE Xplore Institute of Electrical and Electronics Engineers
http://ieeexplore.ieee.org/
Újságok 1872-től!
IEEE Xplore Standards Institute of Electrical and Electronics Engineers
http://ieeexplore.ieee.org/ xpl/standards.jsp
IEEE szabványok Institute of Electrical and Electronics Engineers
www.ieee.org
A legismertebb IEEE szabvány az IEEE 802.11 WLAN szabvány
NMHH www.nmhh.hu A hazai elektronikus média és infokommunikációs rendszerek/hálózatok zavartalan (együtt)működésének felügyelete, szabályozása. Az NMHH jogalkotói státuszba került az Elektronikus Hírközlési törvényben (Eht.) foglalt módon. Részt vesz a nemzetközi szervezetek szabályozási munkájában (ITU, ETSI)
NMHH főbb tevékenységek Nemzetközi előírások harmonizálása (ITU, ETSI, EU) a magyar környezetre, illeszkedve a magyar jogszabályokhoz (elektronikus kommunikáció, postai szolgáltatások, IT és média piac) Hivatalos állásfoglalások kiadása ha a jogszabályok ezt előírják. Az állásfoglalás leírja egy adott eljárás azon jellemzőit, amelyek a jogszabályi megfelelőséget támasztják alá és tájékoztatják az előfizetőket és a szolgáltatókat bizonyos fontos kérdésekről
NMHH főbb tevékenységek Frekvenciagazdálkodás feladatai, annak érdekében, hogy a különböző rádiós átviteli rendszerek egymást és más rendszereket ne zavarjanak. Szolgáltatók, szolgáltatások nyilvántartása, engedélyek kiadása annak érdekében, hogy a műszaki és működtetési feltételek megfeleljenek a magyar és nemzetközi előírásoknak Rádióberendezések forgalmazásának engedélyezése, figyelembe véve az európai szintű követelményeket
NMHH főbb tevékenységek Hívószámok kiosztása (belföldön), karbantartása, számhordozás kezelése Szolgáltatás azonosítók meghatározása, nyilvántartása (szolgáltatás fajtája, típusazonosítója) E-aláírás felügyelete, engedélyek kiadása, ellenőrzés
NMHH főbb tevékenységek
Piaci tevékenységek: • Riportok • Piaci analízisek • Piacfelügyelet • Statisztikák • Piackutatás
Távközlési hálózatok alapfogalmak
Hálózati oldal (amiből a végfelhasználó nem sokat lát)
Felhasználói oldal (amiből a szolgáltató nem sokat lát)
…és ami közte van (amiből senki nem lát semmit)
Távközlési hálózat Definíció •Az információ elektronikus távolsági továbbítására alkalmas hálózat, melyben a forgalmat (ma már) számítógépek vezérlik. (Régebben nem így volt). •Az információ lehet hang, szöveg, kép, video és adat. •A mai hálózatok számítástechnikai/informatikai és távközlési hálózati elemekből (hardver és szoftver) állnak, egyesítik a távközlési és informatikai hálózatokat ezért infokommunikációs hálózatoknak hívjuk őket. •A technológia: Information and Communications Technology (ICT).
Távközlési hálózat Komponensek 1. Terminálok: hálózati végpontok 2. Számítógépek amelyek irányítják, feldolgozzák és tárolják az információt 3. Összeköttetések amelyeken keresztül az információ eljut az egyik pontból a másikba 4. Berendezések amelyek biztosítják az információ küldését, fogadását a különböző összeköttetéseken. 5. Szoftverek, amelyek mindent elronthatnak
Távközlési hálózat Földrajzi kiterjedés Wide Area Network Metropolitan Area Network Local Area Network Personal Area Network
Földrajzi kiterjedéstől függő technológiák mobil alkalmazásoknál
Földrajzi kiterjedéstől függő technológiák számítógép hálózatoknál
Alap topológiák
Wide Area Network WAN kapcsolás Típusok: 1. Bérelt vonal (leased line): csak a bérlő használja (pl. ATM automaták) és fix havidíjat fizet. „Kapcsolni” nem kell, hiszen a végpontok közvetlenül össze vannak kötve hátrány: drága, előny:biztonságos
2. Áramkörkapcsolt (circuit switched, SC): pont-pont összeköttetés egy dedikált úton, a kapcsolat idejére az adott csatorna kizárólagos rendelkezésre áll (az idő után fizetünk), pl. hagyományos telefonkapcsolat (PSTN: Public Switched Telephone Network) hátrány: hívásfelépítése lassú, előny: olcsó
Wide Area Network WAN kapcsolás Típusok: 3. Csomagkapcsolt (packet swiched): Az információ változó hosszúságú csomagokra bontva kerül küldésre, de az átviteli közeget több kapcsolat használja egy időben Kapcsolatorientált (connection oriented): a csomagok csak azután kerülnek elküldésre, ha a szabad útvonal már biztosított, azaz egy virtuális áramkör (virtual circuit) épült ki (X.25, Frame Relay) Kapcsolat nélküli (connectionless): a csomagok nem előre meghatározott úton mennek, hanem amerre van szabad út (IPV4, IPV6), datagram
Wide Area Network WAN kapcsolás Típusok: 4. Cell relay : hasonló a csomagkapcsoláshoz, de kicsi, fix hosszúságú csomagok (cellák) átvitele virtuális áramkörökön keresztül (ATM: Asynchronous Transfer Mode), 2000 előtt használt megoldás, a beszéd és adatcsatornák egyidejű továbbítására)
Áramkörkapcsolás (CS)
Telefonhívás (vezetékes és mobil) Adathívás (modem) Problémák: a kapcsolópont túlterhelt, nincs szabad vonal, a kapcsolat nem építhető ki egyáltalán Ha igen, a kapcsolat minősége jó!
Csomagkapcsolás (PS)
Internet (vezetékes és mobil) Adat, beszéd (VoIP), video, audio Problémák: csomagok késnek, mert más utakat járnak be, a kapcsolat elindul, de torlódásnál csomagvesztés lehet (romlik a minőség)
Cell relay (ma már elavultnak számít) telefon adat 1 adat 2
Többszörös hozzáférés (Multiple Access, MA) FDMA (Frequency Division Multiple Access)
TDMA (Time Division Multiple Access)
CDMA (Code Division Multiple Access)
1 csatorna = 1 frekvencia
1 csatorna = 1 időrés
1 csatorna = 1 kód
Idő
Idő Idő
Frekvencia
NMT 450
Frekvencia
GSM
Frekvencia
UMTS
MA: Több felhasználó megosztva használja a rendelkezésre álló frekvenciasávot
Többszörös hozzáférés (Multiple Acces, MA) OFDMA
4G hálózatok és Wlan
Space Division Multiple Access, SDMA
4G-5G hálózatok jövő
FDMA és TDMA FDMA: a felhasználók különböző frekvenciasávokat használnak a rendelkezésre álló spektrum megosztására
TDMA: a felhasználók különböző időréseket (timeslot) használnak a rendelkezésre álló spektrum megosztására
CDMA adó DS CDMA esetén • A felhasználók ugyanazt a frekvenciasávot használják egy időben, az eredeti infót meg kell szorozni egy kóddal • Kódjaik alapján vannak megkülönböztetve Kiterjesztés
Teljesítmény
f(Hz)
s1(t)
Háttérzaj
Pseudo-zaj 1
c1(t)
f(Hz)
C1-Cn: csatornakódok
Teljesítmény
STX
Teljesítmény
Modulátor
Teljesítmény f(Hz)
s2(t) f(Hz)
c2(t)
Pseudo-zaj 2
Teljesítmény
Teljesítmény
f(Hz)
∑ Acos(ωct)
f(Hz)
sn(t) f(Hz)
Power
cn(t)
Pseudo-zaj 3
DS: Direct sequence
STx = [ s1 (t )c1 (t ) + s2 (t )c 2 (t ) + ... + sn (t )cn (t )] A cos(wc t )
CDMA vevő DS CDMA esetén A jel szűkítése (despreading) az átviteli csatornán vett jel és a csatorna kódjának XOR logikai leképezésével történik. Kívánt jel
Átviteli csatornán vett jel f(Hz)
Csatorna nyereség
fc = ωc/2π
fc = ωc/2π
A vett jel az összes vivőre ültetett kommunikációs csatorna jelét tartalmazza
Sáváteresztő szűrő
Demodulátor
SRX
c1(t)
S Rx (t )c1 (t ) = [ s1 (t )c1 (t ) + s2 (t )c 2 (t ) + ... + sn (t )cn (t )] A' cos(wc t )c1 (t ) n
S Rx (t )c1 (t ) = [∑ si (t )ci (t )c1 (t )] A' cos(wc t ) + [s1 (t )c1 (t )c1 (t )] A' cos(wc t ) i=2
nemkívánt jelek (interferenciák)
kívánt jel
ci (t )c1 (t ) ≠ 1, c1 (t )c1 (t ) = 1
Csatornakódok (I.) Auto-korreláció és keresztkorreláció definíciója digitális kódokra ACF értelmezése bitsorozatra: → L hosszúságú bitsorozat bitjeit összehasonlítjuk ugyanazon bitsorozat eltolt változatának bitjeivel (az eltolás mértéke: 1-L) CCF értelmezése két bitsorozatra → két különböző bitsorozat bitenként összehasonlítása Ortogonális kódok: CCF = 0
ACF = CC − NCC CC: Egybevágó bitek a két bitsorozatban NCC: Nem egybevágó bitek a két bitsorozatban
CCF = CC − NCC
Csatornakódok (II.) A Walsh kód • Walsh, vagy Walsh-Hadamard kódok: • A kódok ortogonálisak egymással ugyanabban a mátrixban (CCF = 0) • Walsh mátrix: Négyzetes mátrix
Wi M1 = 0
m
m: mátrix mérete i: mátrix sora (0…n)
0 0 M2 = 0 1 M M 2N = N M N
MN M N
0 0 M4 = 0 0
0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0
W18
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 M8 = 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 [0 1 0 1 0 1 0 1] = [+ − + − + − + − ]
CDMA FH-Frequency hopping FH: Több keskenysávú vivőfrekvencia váltogatása az átvitel közben
Minden csatornához más frekvencia szekvencia van rendelve, egy időben nem esik egybe uaz. a vivő
B csatorna: 7-9-1-14-10-5-13-2-11 C csatorna: 9-2-4-11-8-14-10-6-3
OFDMA jellemzői Vivőfrekvenciák ortogonalitása: az alvivők nem zavarják egymás
LTE (4G) spectrum: egy csatorna egyszerre több alvivőt használ az átvitelkor (HTI mobil labor
Keskeny és szélessávú átvitel Narrow band: keskenysávú
GSM csatorna spektrumképe Csatorna sávszélesség: 200 KHz
Wide band: szélessávú
3G UMTS spektrumképe Csatorna sávszélesség: 5 MHz
OFDMA vs. FH CDMA OFDMA: más frekvenciák egy időben Pilot frekvenciák
Csatorna 1
Csatorna 2
FH CDMA: más frekvenciák különböző időben Csatorna 1: A-F
Csatorna 2: C-H
Csatorna 3: C-H
Egyvivős (Single Carrier) és többvivős (Multi Carrier) rendszerek
t1 (c1)
t3 (c3) t2 (c2) TDMA: más időkben vagy CDMA: egy időben, más kódolással
f1
f2
f3
f4
FDMA: egy időben más frekvenciasávok
f1 f1 f2 f3 f4 f5
f1 f2 f3 f4 f5
t1 OFDMA: egy időben több frekvenciasáv
t2 t1 t2 t3 t3
FH: más időben más frekvenciasáv
Duplexelés (mobil) B(dl):sávszélesség Downlink
FDD: Két különböző frekvenciasáv a két irányban (2G és 3G)
fk(dl) B(ul) Uplink fk(ul): középfrekvencia
Uplink
B(dl)=B(ul) fk(dl)-fk(ul)= duplex távolság
Downlink idő
TDD: Egy frekvenciasáv a két irányra, UL és DL időben változik (4G)
Duplexelés (ADSL kábel)
FDD vs. TDD Védőidő: guard time
f
keretidő
Csatorna
t
f Csatorna Duplex távolság Csatorna
Védősáv: guard band
t
Forgalmi problémák a hálózatokban A kapcsolat nem épül fel mert nincs szabad csatorna, (1) tipikus mobil hálózatokban) A kapcsolat nem épül fel mert a kapcsolópontok (2) túlterheltek A kapcsolat nem épül fel, mert az átviteli utak (3) túlterheltek
3
1 2
Forgalmi problémák a hálózatokban A torlódás okozói: baleset (szoftverfrissítés)
Forgalmi problémák a hálózatokban
A torlódás okozói: egy felhasználó sok erőforrást igényel (youtube, on-line játékok) A közös erőforrást kevesebben oszthatják meg!
Forgalmi problémák a hálózatokban A torlódás okozói: szolgáltató szűkíti az átviteli erőforrásokat (karbantart éppen)
Köszönöm a figyelmet!
