Telefonní linky. Pulsně kódová modulace (PCM)

Telefonní linky • Analogové spoje • Historie – 10.3.1876 – Alexander Graham Bell (1847 – 1922) první telefonní hovor – 1891 – první automatická telefonní ústředna (impulsní volba)

• • • •

Struktura telefonní sítě Analogová telefonní síť Přenos dat v analogové síti Digitální telefonní síť

Pulsně kódová modulace (PCM) • Převod analogového signálu na číslicový • Velikost vzorku 8 bitů (256 hodnot) • Šířka pásma 300 Hz – 3400Hz, tedy 8000 vzorků/s • Kapacita přenosového kanálu 8 * 8000 = 64kb/s – Telefon – 64kb/s – PCM modulace – GSM – 14kb/s – VoIP – 10kb/s

1 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Digitální hierarchie • Slučování digitálních kanálů do skupin • T okruhy (USA, Japonsko) – T1 – T2 – T3

- 24 T0 = 1,544 Mb/s - 4 T1 = 6,312 Mb/s - 7 T2 = 44,736 Mb/s

(24) (96) (672)

• Př. rámec T1 – 24 kanálů * 8 + 1 = 193 bitů • E okruhy (Evropa a zbytek světa) – E1 – E2 – E3

- 30E0 = 2,048 Mb/s - 4 E1 = 8,448 Mb/s - 4 E2 = 34,368 Mb/s

(30) (120) (480)

• Další typy okruhů – Měděné vodiče (STS-1, ... , STS-48) (51,84 Mb/s, ... , 2488,32 Mb/s) – Optické spoje (OC-1, ... OC-48)

ISDN – Integrated Services Data Network Datové sítě s integrovanými službami • Zaměřeno na přenos hlasu, dat, dat v reálném čase • Využití stávajících vedení k uživateli • Původní analogový přenos – Analogová linka 28,8 - 33,6 kb/s (V.34) – Digitální linka 56 kb/s k uživateli, 33,6 kb/s od uživatele (V.90) – Digitální linka 56 kb/s k uživateli, 48 kb/s od uživatele (V.92)

• Nový digitální přenos – ISDN (1984) – Výhody – další služby • • • •

Rychlá navázání spojení Identifikace volajícího Přesměrování hovoru, konferenční hovory Slučování kanálů (2 * 64 kb/s)


ISDN • Kanály – – – – – –

A – analogový 4 kHz B – digitální datový 64 kb/s C – digitální řídicí 8/16 kb/s D – digitální řídicí 16/64 kb/s E – ISDN synchronizace 64 kb/s H – hybridní 384 kb/s, 1536 kb/s, 1920 kb/s

• Používané kombinace – – – –

Basic Rate – 2B + D (Euro ISDN 2) Primary Rate – 23B + D (T1 – 1,544 Mb/s) Hybrid – A + C Euro ISDN 30 – 30B + D (E1 – 2,048 Mb/s)

• B – ISDN – Vysokorychlostní ISDN

DSL – Digital Subscriber lines (digitální účastnické linky) • Telefon – Analog Subscriber Lines • ADSL – Asymetric Subscriber Lines • IDSL – ISDN DSL – Basic Rate ISDN – 1 pár vodičů • HDSL – High Speed DSL – Primary Rate ISDN – 2 páry vodičů • SDSL – Single Pair DSL – Primary Rate ISDN, 1 pár vodičů • VDSL – Very High Speed DSL


ASDL – Asymetric DSL – není ISDN • • • • • • • •

Maximální vyžití přenosových kapacit místních smyček Zachovává původní účel – analogový přenos hovoru Podpora rychlých přenosů (video on demand) Asymetric – 1Mb/s od uživatele, 8Mb/s k uživateli 256 kanálů 4,3kHz přenos 6,5 – 50 kb/s po kanále Duplexní frekvenční multiplex (FDD) ASDL – lite – odvozené standardy pro nekvalitní linky

VDSL - Very High Speed DSL • • • • •

Není založeno na ISDN Navrženo pro optické vlákno Symetrické spoje 20Mb/s Asymetrické spoje 52Mb/s + 1,5Mb/s Časový multiplex


Kabelová televize • Používají se k rozvodu televizního signálu do domácností pomocí koaxiálních kabelů i optických vláken • Díky velké přenosové kapacitě dovolují využít rozvody kabelové televize i pro přenos dat nebo pro přenos telefonních hovorů • Systém přenosu je analogový • Rozvody musí být upraveny pro přenos signálu oběma směry (TV se přenáší pouze jedním směrem)

Skupinová televizní anténa Původní systémy kabelové televize.


Kabelový Internet

Kabelová televize

Kabelová televize • Frekvenční pásmo je rozděleno na kanály šířky 6MHz, kterými se přenáší televizní signál • Tyto kanály lze použít i pro přenos dat, asymetrický přenos – K uživateli (down stream) některý z kanálů v pásmu 42 až 750MHz, až 40Mb/s, prakticky 10 až 30Mb/s, nesdílený kanál – Od uživatele (up stream) který z kanálů v pásmu do 40MHz, stovky kb/s, kanál sdílený více uživateli


Rozdělení spektra

Rozdělení spektra v typickém TV kabelovém systému s možností přístupu k Internetu.

Kabelová televize • K přenosu dat se používá kabelový modem (Cable Modem Termination System), ke kterému je připojen počítač • Obsahují modulátor, demodulátor, tuner, šifrovací jednotku, rozhraní Ethernet, někdy i směrovač • K jednomu kabelovému modemu lze připojit i více počítačů (Eth. HUB) • Celý systém se v dané lokalitě chová jako lokální počítačová síť


Kabelový Internet (2)

Fixní telefonní systém.

Kabelové modemy

Upstream a downstream kabelové televize.


Bezdrátové technologie • • • • • • • •

Původní systémy hlasové komunikace Analogové celulární systémy Digitální celulární systémy Bezdrátové telefony Pagery, služby pagerů Mobilní datové služby Satelitní komunikace Další aplikace

Spread Spectrum • Input is fed into a channel encoder – Produces analog signal with narrow bandwidth

• Signal is further modulated using sequence of digits – Spreading code or spreading sequence – Generated by pseudonoise, or pseudo-random number generator

• Effect of modulation is to increase bandwidth of signal to be transmitted


Spread Spectrum • On receiving end, digit sequence is used to demodulate the spread spectrum signal • Signal is fed into a channel decoder to recover data

Spread Spectrum


Spread Spectrum • What can be gained from apparent waste of spectrum? – Immunity from various kinds of noise and multipath distortion – Can be used for hiding and encrypting signals – Several users can independently use the same higher bandwidth with very little interference

Frequency Hoping Spread Spectrum (FHSS) • Signal is broadcast over seemingly random series of radio frequencies – A number of channels allocated for the FH signal – Width of each channel corresponds to bandwidth of input signal

• Signal hops from frequency to frequency at fixed intervals – Transmitter operates in one channel at a time – Bits are transmitted using some encoding scheme – At each successive interval, a new carrier frequency is selected


Frequency Hoping Spread Spectrum • Channel sequence dictated by spreading code • Receiver, hopping between frequencies in synchronization with transmitter, picks up message • Advantages – Eavesdroppers hear only unintelligible blips – Attempts to jam signal on one frequency succeed only at knocking out a few bits

Frequency Hoping Spread Spectrum


FHSS Using MFSK • MFSK signal is translated to a new frequency every Tc seconds by modulating the MFSK signal with the FHSS carrier signal • For data rate of R: – duration of a bit: T = 1/R seconds – duration of signal element: Ts = LT seconds

• Tc ≥ Ts - slow-frequency-hop spread spectrum • Tc < Ts - fast-frequency-hop spread spectrum

FHSS Performance Considerations • Large number of frequencies used • Results in a system that is quite resistant to jamming – Jammer must jam all frequencies – With fixed power, this reduces the jamming power in any one frequency band


Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) • Each bit in original signal is represented by multiple bits in the transmitted signal • Spreading code spreads signal across a wider frequency band – Spread is in direct proportion to number of bits used

• One technique combines digital information stream with the spreading code bit stream using exclusive-OR (Figure 7.6)

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)


DSSS Using BPSK • Multiply BPSK signal, sd(t) = A d(t) cos(2π fct)

by c(t) [takes values +1, -1] to get s(t) = A d(t)c(t) cos(2π fct) • A = amplitude of signal • fc = carrier frequency • d(t) = discrete function [+1, -1]

• At receiver, incoming signal multiplied by c(t) – Since, c(t) x c(t) = 1, incoming signal is recovered

DSSS Using BPSK


Code-Division Multiple Access (CDMA) • Basic Principles of CDMA – D = rate of data signal – Break each bit into k chips • Chips are a user-specific fixed pattern

– Chip data rate of new channel = kD

CDMA Example • If k=6 and code is a sequence of 1s and -1s – For a ‘1’ bit, A sends code as chip pattern •

– For a ‘0’ bit, A sends complement of code • <-c1, -c2, -c3, -c4, -c5, -c6>

• Receiver knows sender’s code and performs electronic decode function

Su (d ) = d1× c1+ d 2 × c2 + d 3× c3 + d 4 × c4 + d 5× c5 + d 6 × c6 • = received chip pattern • = sender’s code


CDMA Example • User A code = <1, –1, –1, 1, –1, 1> – To send a 1 bit = <1, –1, –1, 1, –1, 1> – To send a 0 bit = <–1, 1, 1, –1, 1, –1>

• User B code = <1, 1, –1, – 1, 1, 1> – To send a 1 bit = <1, 1, –1, –1, 1, 1>

• Receiver receiving with A’s code – (A’s code) x (received chip pattern) • User A ‘1’ bit: 6 -> 1 • User A ‘0’ bit: -6 -> 0 • User B ‘1’ bit: 0 -> unwanted signal ignored

CDMA for Direct Sequence Spread Spectrum


Elektromagnetické spektrum

GSM – Global Systém for Mobile Communication • Topologie buněk (celulární sítě) – – – –

Mobilní stanice Základnové stanice Síťový a přepínací subsystém Operační subsystém

• Frekvenční pásmo (např. 900MHz) je rozděleno na 248 kanálů ve dvou skupinách • Uplink - nižší frekvence (890,2MHz až 914,8MHz - 124 kanálů s odstupem 200 kHz) • Downlink – vyšší frekvence (935,2MHz až 959,8MHz – 124 kanálů s odstupem 200 kHz


Mobilní telefonní systém

(a) V sousedních buňkách se nemohou použít stejné frekvence. (b) Použití menších buňek dovoluje zvýšit počet uživatelů.

GSM • Jedno duplexní spojení vyžaduje 2 kanály (uplink a downlink) • Pro přenos v kanálu se používá časový multiplex • Přenáší se buď hlas, nebo data • Každý kanál podporuje 8 oddělených spojení v jednom časovém slotu • Celková kapacita teoreticky 124 * 8 = 992 spojení, mnohé se nepoužívají – předcházení kolizí s kanály v buňce souseda


GSM • Některé sloty se používají pro přenos řízení – Informace o stavu stanice – určení nejlepší stanice pro připojení (zatížení, kvalita signálu) – Vybraný řídicí kanál – udržení spojení s telefonem, vyrovnání zátěže – Společný řídicí kanál • Signalizaci přicházejících volání • Random Access Channel – Slotted Aloha – žádost o přidělení slotu • Access Grant Channel – oznámení přidělovaného kanálu

• Přenos dat – metoda CSD (circuid switched data) – nejstarší, nepaketový přenos • Klasicky v jednom slotu pouze 9,6kb/s až 14,4 kb/s – Celková kapacita slotu 33,8 kb/s – Režie sítě 11kb/s (zbytek 22,8kb/s) – Zabezpečení dat 8,4kb/s nebo 13,2kb/s

GSM

GSM používá 124 frekvenčních kanálů, každý z nich používá 8 časových slotů systému časového multiplexu (TDM)


GSM (2) Část struktury rámce GSM .

HSCSD, GPRS • HSCSD (high speed circuit switched data) – – – –

Zachování struktury kanálů, využití více slotů současně Možnost asymetrických spojení Propojení 1, 2 3, 4, 8 slotů (podle třídy) Max 8*14,4 = 115,2kb/s

• GPRS (General Packet Radio Service) – Paketově orientované přenosy – Vytváří nad stávající logickou strukturou sítě novou strukturu pro zajištění paketových přenosů – Snižuje režii (FEC) ve slotech, dosahuje přenosové rychlosti ve slotu 9,05kb/s, 13,4kb/s, 15,6kb/s, 21,4kb/s. – Může použít až 8 slotů najednou (max. 8 * 21,4 = 171,2kb/s)


Code Division Multiple Access (CDMA) • Každá jednotka má přidělený unikátní kód – id, označované jako čipová sekvence • Každá čipová sekvence má stejnou délku • Každá čipová sekvence má stejný počet jedniček (a nul) • Je-li třeba vysílat jedničkový datový bit, vysílá se čipová sekvence (jeden bit = jedna čipová sekvence) • Je-li třeba vysílat nulový datový bit, vysílá se negace čipové sekvence • Kolize se může objevit, ale ta neničí data

CDMA • Jednička se vysílá jako +1, nula se vysílá jako -1 • Výsledek skalárního součtu dvou sekvencí je 0 jsou=li různé, 1 jsou-li stejné • Signály více souběžně vysílajících stanic se sčítají lineárně, musí se dosáhnout stejné intenzity signálů v místě příjmu (nepřímo úměrné kvadrátu vzdálenosti) • Vysílač i přijímač musí být synchronizovány, to se nastaví vysíláním známé bitové sekvence


CDMA • CDMAOne (14.4kb/s – 64kb/s) • CDMA450 - pásmo 450MHz, CDMA-450 1xEV-DO nabízí přenosové rychlosti pro download v rozmezí 384 kbit/s až 2,4 Mbit/s, avšak typické reálné hodnoty, dosahované v komerčním nasazení, většinou nepřekračují hranici 800 kbit/s. • CDMA2000 1x – 307kb/s • CDMA2000 1xEV-DO – 2,4Mb/s • CDMA2000 1xEV-DV – 3,09Mb/s • Frekvenční pásmo 2GHz, šířka kanálu až 5MHz • Přenosová rychlost v prostředí mobilních sítí 144kb/s, 384kb/s, 2Mb/s

Standard 802.11 • Standard 802.11 – – – –

802.11 802.11b 802.11g 802.11a

– 2,4GHz, 2MB/s – 2,4GHz, 11MB/s – 2,4GHz, 54MB/s – 5GHz, 54MB/s

• Topologie – Dvoubodové spoje (až 20km) – Mnohabodové spoje (asi 30m) – AP access point – bod přístupu

• Zabezpečení – Šifrovací klíč 40 nebo 128bitů

• Přístupová metoda – CSMA/CA (předcházení kolize)


Protokolový zásobník IEEE 802.11

Část protokolového zásobníku IEEE 802.1.

Přístupová úroveň (MAC) IEEE 802.11

(a) Problém skryté stanice. (b) Problém nechráněné stanice.


Přístupová úroveň (MAC) IEEE 802.11 (2)

Snímání virtuálního kanálu s použitím CSMA/CA. NAV – Network Allocation Vector


Shluk fragmentů.



Časové mezery mezi rámci v 802.11.

Struktura rámce IEEE 802.11

Datový rámec 802.11.


Služby IEEE 802.11

Distribuční služby • • • • •

Spojení Rozpojení Obnovení spojení Distribuce Integrace

Služby IEEE 802.11

Služby uvnitř buněk • • • •

Ověřování Rušení ověření Důvěrnost Doručování dat


Širokopásmové bezdrátové sítě • • • • •

Porovnání 802.11 a 802.16 Protokolový zásobník 802.16 Fyzická vrstva 802.16 Protokol podvrstvy MAC 802.16 Formát rámce 802.16

Protokolový zásobník 802.16

Protokolový zásobník 802.16.


Fyzická vrstva 802.16

Druhy prostředí pro přenosy 802.16.

Fyzická vrstva 802.16 (2)

Rámce a časové úseky pro duplexní přenosy časovým dělením.


Protokol podvrstvy MAC 802.16 Třídy služeb • Konstantní přenosová rychlost (CBR) – pro aplikace se striktními požadavky na přenosovou rychlost a zpoždění • Proměnná přenosová rychlost v reálném čase (rt-VBR) – určena pro data citlivá na zpoždění, ale kterým stačí menší sířka pásma než při CBR • Proměnná přenosová rychlost mimo reálný čas (nrt-VBR) – negarantuje zpoždění, striktní požadavek je jen na hodnotu zpoždění při přenosu buňky. Příkladem jsou datové transakce, citlivé na dobu odezvy. • Best efforts service – Zaručuje přenos dat „s maximálním úsilím“

Formát rámce 802.16

(a) Obecný rámec.

(b) rámec pro rezervaci pásma .


Bluetooth • Dosah 10m, až 255 klientů • Pásmo 2,4GHz, rozděleno na 79 frekvenčních kanálů po 1MHz • Metoda „přeskakování frekvencí“ – 1600 přeskoků/s – Spravedlivé přidělování kanálů – Zvýšení bezpečnosti

• Propojení zařízení na malou vzdálenost (počítač, periferie) • Mnohabodové spoje, Piconet, Scatternet

Architektura Bluetooth

Dvě piko sítě (piconets) mohou být propojeny do podoby rozptýlené sítě (scatternet).


Aplikace Bluetooth

Profily bluetooth.

Protokolový zásobník Bluetooth

Verze 802.15 architektury Bluetooth protokolu.


Struktura rámce Bluetooth

Typický datový rámec Bluetooth.


Telefonní linky. Pulsně kódová modulace (PCM)

Recommend Documents