Úvod do telekomunikačních sítí Jan Jerie červen 2015
Telekomunikace a standardizace
Co to jsou telekomunikace • Telekomunikace je soubor prostředků, zařízení, pravidel a principů pro komunikaci lidí nebo strojů na větší vzdálenost. Jedná se o přenos i zpracování signálu • Telekomunikace vzešly původně z potřeby komunikace lidí na větší vzdálenost než fungují lidské smysly (telefonie, radiofonie, telegrafie) • Telekomunikační sítě nyní využívají i stroje (M2M komunikace) • S přechodem na datové sítě se také používá termín síť elektronických komunikací (formální pojmenování od ČTÚ)
Standardizace technické • 3GPP - The 3rd Generation Partnership Project Sdružení organizací, které vydávají doporučení a standardy pro mobilní telekomunikace http://www.3gpp.org např. 3GPP TS 23.237 TS/TR – Technical Specification/Request
• RFC – vydává IETF a IESG (Internet Engineering Steering Group) Organizace vydává doporučení a standardy pro Internet http://www.ietf.org např. RFC 4316 - Request For Comments
• K čemu standardizace – – – –
Mnoho výrobců Mnoho operátorů Mnoho systémů A vše musí dohromady fungovat
3GPP Phases and Releases of mobile network Phase/release
Popis
Rok vydání
Phase 1
GSM – hlasové volání přes digitální technologii
1992
Phase 2
GSM
1995
Release 96
14.4kb/s, HSCSD - první specifikace dat přes vytáčené spojení
1997
Release 97
GPRS – první specifikace pro přenos dat přes přepínané pakety
1998
Release 98
AMR
1999
Release 99
EDGE, UTRAN – první rychlá data
2000
Release 4
Split architecture – oddělení signalizace od přenášených dat
2001
Release 5
IMS with GERAN/UTRAN access, HSDPA – hlasové volání přes IP
2002
Release 6
IMS with IP-CAN access, HSUSPA
2005
Release 7
IMS for NGN, Evolved HSPA
2007
Release 8
E-UTRAN, ePC – LTE síť
2008
Release 9
E-UTRAN and ePC improvement
2009
Release 10
LTE advanced
2011
Release 11
LTE, IMS improvements, M2M support
2013
Standardizace obchodní a právní • ČTÚ – Český Telekomunikační Úřad Definuje pravidla pro provozování telekomunikačních sítí a dohlíží na dodržování pravidel, právních regulací a zákona. Odpovědnost úřadu je pouze lokální v ČR, funguje v koordinaci s mezinárodními institucemi jako je např. ITU-T a úřady EU
• ITU-T je mezinárodní telekomunikační unie pro telekomunikační sektor
Typy sítí a jejich vývoj
Telekomunikační sítě – členění •
Podle typu přenášeného provozu (typu služby) – Hlasové – Telegrafní – Radiofonní – Datové
•
Podle technologie – příklad dělení, zdaleka není úplné – Metalické Venkovní – Optické Podzemní – Bezdrátové • Pozemní • Satelitní
•
S příchodem datových sítí se nerozlišují typy sítí (jako je hlasová síť, telegrafní síť atd.), protože datová síť je velmi univerzální a služby nad datovou sítí zajišťují až aplikace
Základní typy sítí – výhody, nevýhody Typ sítě nedefinuje použitou technologii, jde o princip fungování • Přepínané okruhy – Circuit Swiched (CS) – hlasové sítě – – – –
Použito v prvních sítích až po GSM Neefektivní čerpání prostředků Omezená kapacita vzhledem k PS sítím Dříve jednodušší na implementaci
• Přepínané pakety - Packet Switched (PS) – datové sítě – Efektivnější využití přenosových prostředků – V současné době založené převážně na rodině protokolů TCP/IP – Nižší pořizovací a provozní cena
Telekomunikační sítě – členění • Podle hierarchické úrovně – Páteřní sítě – síť propojující lokální sítě nebo spojující jednotlivé uzly, obvykle mají velkou přenosovou kapacitu s různou garancí kvality služby – Přístupové sítě – slouží pro připojení lokálních sítí do páteřní nebo připojují lokality do centrálního bodu (např vysílače mobilního signálu do centrálního data centra) – Lokální sítě (LAN) – síť v rámci budovy nebo budov, domácí wifi – Osobní sítě (PAN) – síť omezená na centimetry max metry. Např. Bluetooth, IrDA, USB atd
Topologie telekomunikačních sítí •
Topologie, u telekomunikačních sítí, je způsob propojení jednotlivých prvků sítě (síťových uzlů a koncových prvků) – Sběrnicová topologie - používala se dříve s koaxiálním kabelem
– Kruhová topologie – typicky jsou to optické páteřní sítě
– Hvězdicová topologie – nejčastěji používaná topologie
– Stromová topologie – propojení více hvězd dohromady
Proč různé topologie sítí • Každá topologie má své výhody a nevýhody (cena, kapacita, redundance) • Topologie se volí při návrhu sítě buď podle použité technologie (např. kruh pro optiku) nebo funkčních, kapacitních, finančních požadavků • Strukturovaná kabeláž – de facto se jedná o hvězdicovou topologii – jde o způsob fyzické instalace (počítačové) sítě, kdy jsou kabely z jednotlivých přípojných míst svedeny do jednoho místa, do tzv. „patch panelu“. Každé síťové zařízení má svoji vlastní zasuvku na patch panelu. Zařízení se propojují přes zásuvky prostřednictvím propojovacích kabelů
Vývoj telekomunikačních sítí
Vývoj mobilních sítí a jejich služeb • První transatlantický kabel byl položen v roce 1858 mezi Irskem a ostrovem Newfoundland Jednalo se o telegrafní síť a byla použita Morseova abeceda. Přenos jednoho znaku trval průměrně 2 minuty. Odpověď z USA zabrala víc než 17 hodin
Vývoj mobilních sítí a jejich služeb • První hlasová ústředna byla uvedena do provozu v USA roku 1892 pro 99 účastníků • Hlasové sítě začaly vznikat na začátku 20. století, byly analogové a výhradně CS sítě – 1910 Magnus Ericsson, 1924
• První buňkové systémy se zónovým principem - 1947 AT&T • Buňkový systém s opakovaným využitím frekvencí – 1969 Bell system • První přenosný mobilní telefon - 1973
Vývoj mobilních sítí a jejich služeb • •
První generace mobilní sítě (1G) byla ještě analogová (např. AMPS, NMT, TACS) Rychle se přešlo na digitální sítě (2G) - 1991 stále však CS sítě – GSM, CDMA, D-AMPS, PDC Díky digitalizaci bylo možné nabízet doplňkové služby pro hlas (přesměrování, call barring)
•
Nejúspěšnější sítí se stalo GSM a další vývoj se soustředil více méně na tuto mobilní síť. GSM síť umožnila datové spojení přes vytáčené okruhy (CS) Dalším krokem byla nativní podpora datových paketových přenosů v GSM – GPRS, první implementace PS sítí v GSM – rok 2000 Další zrychlování datových přenosů – data nabývají na významu a hlas není jedinou významnou službou, invaze „smartphones“ – první 3G síť 2007 Čistě datové sítě – pouze packet switched sítě, hlas je již nabízen jen přes data a zákazník může používat mnoho dalších služeb nabízených na Internetu – LTE 2011
• • •
Vývoj sítí z pohledu dat a datové rychlosti • • • • • • • • • • •
První buňkové sítě – 1947, pouze hlas První mobilní přístroj 1973 NMT – pouze hlas, analogová síť – v USA AMPS GSM – pouze hlas, první digitální síť GSM – CSD – první data v mobilní síti (9.6 nebo 14.4kbps) GSM – GPRS – první paketová data (až 52kbps) GSM – EDGE - (až 384kbps) UMTS - 3G síť až 384kbps UMTS – HSPA (HSDPA, HSUPA) – 14Mbps, HSDPA 84.4Mbps E-UMTS – LTE – 150Mbps, LTE advanced až 326Mbps Síť 5. generace – 5Gbps cca 2020 v Japonsku LTE
4. GENERACE
Metalická a optická vedení
Metalická vedení • Dříve byla vedení výhradně metalická a používalo se základní pásmo – 1 pár vodičů byl alokován jedním hovorem v pásmu 300-3600Hz (minimální rozsah frekvence lidského hlasu, aby byl srozumitelný)
• Postupně se zvyšovala kapacita různými technologiemi: – Fantómové vedení – Modulace hovorů do vyšších frekvenčních pásem
• Nyní se používají na kratší vzdálenosti z důvodu ceny a nízké odolnosti vůči rušení proti optickým kabelům – UTP – Unshielded Twisted Pair – kroucená dvoulinka – kategorie cat.5, 5e, 6 – STP – Shielded Twisted Pair – stíněná dvoulinka – Koaxiální kabel
Optická telekomunikační vedení • Používají se především na větší vzdálenosti, ale už se prosazují i na krátké vzdálenosti (např připojení diskových polí k počítačům) – Cena vedení je nízká – Cena koncových zařízení bývala vysoká – Vždy se používají v páru, pro každý směr jedno vlákno
• Typy optických vláken
Základní bloky mobilní telekomunikační sítě
Hlavní funkční bloky mobilní telekomunikační sítě Síť mobilního operátora
Ostatní sítě
OSS, BSS
RAN – Radio Access Network – Radiová přístupová síť VAS – Value Added Services – služby s přidanou hodnotou – SMS, MMS, eMail, voice mail, mobilní reklama, vyzváněcí tóny, IVR PLMN – Public Land Mobile Network – mobilní síť jiného operátora PSTN – Public Switched Tephony Network – síť pevných telefonních linek (dnes už téměř neexistuje) ISDN – Integrated Services Digital Network – digitální síť telefonních linek Core network – telefonní ústředny, packet gateway, systémy podporující mobilitu zákazníka, centrální databáze (HLR) OSS – Operating Support Systems – Systémy zajišťující podporu mobilní sítě především dohled BSS - Business Support System - platby a fakturace, správa majetku, správa zákazníků, zákaznická podpora
RAN – Radio Acces Network • Radiová přístupová síť se skládá z vysílačů a přenosové sítě • Každý vysílač je připojen k přenosové síti, která má za úkol propojit vysílač s centrálním datovým centrem či centry • Přenosová síť se dělí na přípojky jednotlivých vysílačům a na páteřní síť – Přípojky jsou většinou realizovány radiovým pojítkem, tedy bezdrátově. Především ve volné krajině – V místech, kde je hustá infrastruktura, se využívá existujících optických či metalických přípojek. Typicky města – Páteřní síť je většinou realizována optickou infrastrukturou nebo metalickým vedením
• Přenosová síť je často pronajatá – tzv. leased lines
Plánování pokrytí a vysílačů • Pokrytí mobilním signálem se poměrně složitě plánuje a používají se jak plánovací, tak i různé modelovací nástroje pro simulaci, jak se bude v daném místě šířit signál
Plánování přenosové sítě • Ukázka plánovacího nástroje se zobrazením vysílačů a jejich přípojek
Páteřní síť • Příklad páteřní sítě
Páteřní síť je realizovaná většinou pomocí optických spojů např. SDH technologií Příklad SDH síťového prvku
Princip buňkových sítí
Požadavkem je pokrýt téměř neomezený prostor omezeným počtem frekvencí Každá sousední buňka vysílá na jiné frekvenci, frekvence se opakují - viz barvy na obrázku Telefon přijímá více buněk najednou a vybírá si tu nejsilnější Pokrytí signálem se musí plánovat podle lokálních podmínek, signál se šíří různě terénem Hustota resp. velikost buněk se liší podle množství uživatelů v dané lokalitě, kapacita buňky je omezená Každá buňka má své ID – CellID a je rozdělena na 3 sektory
Základní prvky sítě - Core Network - Služby s přidanou hodnotou – VAS - Rádiová přístupová síť - Přenosová síť
Co jsou core prvky •
Telefonní ústředny – (MSC, MSS, MGW, IN) – Zajišťují spojování hovorů
•
Datové brány – (GGSN/SGSN, PGW/SGW) – Zajišťují mobilní data na jedné straně a na druhé přístup do Internetu
•
Prvky zajišťující mobilitu zákazníka (BSC, RNC, MMTel) – Jelikož se zákazník může pohybovat, je potřeba mít stále přehled, kde se nachází. Např. v případě příchozího hovoru
•
Prvky pro správu zákazníků a SIM karet (HLR, VLR, HSS, AuC) – Je potřeba vědět, kdo je zákazníkem sítě, ověřit jeho původ a zajistit služby, na které má právo. – Součástí těhto prvků je také podpora šifrování přenášenách dat
•
Podpůrné síťové prvky (STP, DRA, DEA) – Jedná se o signalizační koncentrátory a prvky pro řízení signalizace
Telefonní ústředny • Hlavní úkol je spojovat hovory mezi účastníkem A – volajícím a účastníkem B – volaným • První ústředny byly manuální
• Automatické ústředny 1.a 2. generace mechanická
Telefonní ústředny • 3. generace ústředen Elektronické řízení nebo kombinované s mechanickými voliči
• 4.generace ústředen Plně elektronické založené na CPU Využívá se do dnes, často se ústřednám říká R4 (Release 4 3GPP standardu)
• 5. generace Měla být optická, ale to se nikdy nerealizovalo. Díky jednoznačnému rozšíření IP se rozšířily VOIP ústředny, které jsou považovány za 5. generaci IP ústředna je např. IMS
Služby s přidanou hodnotou Jsou to služby bez kterých může mobilní síť fungovat (hovory stále fungují). Tyto služby přidávají novou hodnotu k základní službě hovorů. Jsou to například: – – – – – –
SMS, SMS hlasování MMS VMS – Voice Mail Ring tones – vyzváněcí tóny IVR – Interactive Voice Responder (česky „plechová huba“) WAP – už de facto neexistuje, protože byl nahrazen přímou podporou webových stránek prohlížeči v telefonech
RAN – Radio Access Network Rádiová síť má omezenou kapacitu a požadavky na přenosovou rychlost rostou, tak se hledají prostředky a algoritmy, jak co nejlépe využít frekvenční pásmo Metody rozdělení frekvenčního pásma pro vícenásobný přístup: – Frekvenční dělení pásma – FDMA
– Časové rozdělení frekvenčního pásma- TDMA
Radio Access network – Kódové rozdělení pásma – CDMA
– Ortogonálně frekvenční rozdělení pásma – OFDM použití velkého množství nosných frekvencí (až tisíce)
RAN - modulace Modulace je proces, kterým dostaneme užitečnou informaci na nosný signál. Např. data na rádiový signál. Typy digitální modulace použité v mobilních sítích: • ASK – také AM je amplitudová modulace • FSK – také FM je frekvenční modulace • PSK – také PM je fázová modulace • Pokud modulace umí přenést více stavů (bitů) najednou, tak hovoříme o více stavové modulaci např. QAM, 8PSK, 16PSK
Přenosové sítě • •
• •
Slouží k připojení Jednotlivých vysílačů do centrálního data centra Nejčastěji se používá SONET nebo SDH technologie, obě fungují v optické síti. Jedná se o synchronní přenos dat kdy celá síť je synchronizována přesnými hodinami Trendem je přenášet Ethernet přímo v optických vláknech Ethernet je založen na asynchronním přenosu, takže je potřeba použít „zapouzdřovací“ protokol – zapouzdřování (encapsulation) je rozšířená technika pro přenos dat skrz sítě určené pro přenos jiného obsahu nebo s jinou funkcí (vytváří se logická síť skrz jinou síť či sítě), hovoří se také o tzv. tunelování a tunelovacích protokolech
Úvod do telekomunikačních a počítačových sítí
Úvod do telekomunikačních a počítačových sítí • Sítě jsou komplikovaný systém, stejně jako komplexní SW systém, takže je nezbytná dekompozice na jednotlivé funkční bloky • V případě sítí obecně se použila dekompozice na jednotlivé hierarchické (síťové) vrstvy • Základní pravidla pro síťové vrstvy: – Každá vrstva zajišťuje konkrétní funkci, poskytuje služby vyšší vrstvě a využívá služby nižší vrstvy – Komunikují spolu vždy jen sousední vrstvy, nikdy nesmí komunikovat nesousední vrstvy spolu – Vrstvy spolu komunikují formou žádostí (request) směr shora dolů a notifikací směr zespodu nahoru
Způsob komunikace vrstev • Vrstvy spolu komunikují shora dolů nebo odspodu nahoru v rámci uzlu (např. PC), hovoříme o tzv. vertikální komunikaci • Účelem sítí je však komunikovat mezi uzly, této komunikaci říkáme, z pohledu vrstev, horizontální komunikace. Jedná se o logické spojení (logical link). Jde o pomyslné (virtuální) spojení. Jediné skutečné spojení je na nejnižší fyzické úrovni – Formálním pravidlům horizontální komunikace jedné vrstvy mezi s sebou říkáme protokol
Příkladem vrstevné architektury je klasická pošta
ISO-OSI model • Jde o vrstevný model který definovalo standardizační doporučení CCIT pro počítačové sítě. De facto se neuchytil na rozdíl od nejrozšířenější implementace TCP/IP modelu – ISO-OSI bylo příliš robustní a nepraktické. Na rozdíl od TCP/IP, které vznikalo od praktických základů
• TCP/IP je definované standardy IETF (RFC). Pro zjednodušení sloučil funkce některých vrstev ISO/OSI dohromady • TCP/IP model je jeden z nejúspěšnějších síťových modelů, který vznikl na základě vojenské zakázky ARPANET (zadavatel DARPA)
Komunikace mezi uzly • Každý uzel sítě „vidí“ je do té vrstvy, která jej zajímá resp. je pro něj relevatní • Koncové uzly musí rozumět všem vrstvám až po aplikační • Směrovací uzly rozumí jen prvním třem vrstvám, protože zde probíhá směrování (routování) • Časový průběh komunikace mezi uzly – Spojově orientovaný (TCP)
– Nespojově orientovaný (UDP) client
server UDP UDP
Rodina protokolů SS7 • Protokoly SS7 se používají v telekomunikačních sítích pro přenos signalizace (nikoliv hlasu, hlas má své hovorové kanály) • Vychází ze zjednosušeného ISO-OSI modelu
• Přechodem na release 4. (R4) architektury 3GPP došlo k oddělení signalizace od hovorových kanálů. Oddělení signalizace od uživatelských dat je trend ve všech sítích
Hlas v mobilních sítích
Hlas v mobilní síti podle různých 3GPP standardů • Hlas před R4
• Hlas po R4
Data v mobilní síti podle různých verzí 3GPP standardu • 2,5G – GPRS, EDGE
• 3G - UMTS
Bližší pohled na architekturu GSM BSC – Base Station Controller MSC- Mobile Switching Centre HLR – Home Location Register VLR – Visitor Location Register EIR – Equipment Identity Register GMSC – Gateway MSC AuC – Authentication Centre
HLR je databáze všech účastníků GSM služeb, ukládá polohu terminálu VLR je dočasná databáze, kam se kopírují informace z HLR a doplňují dočasné informace např. o obsluhující ústředně
Identifikace přístrojů a zákazníků v síti IMEI – International Mobile Equipment Identity je číselný unikátní kód zařízení, který je přidělen výrobcem IMSI – International Mobile Subcriber Identity je číselný unikátní kód identifikující zákazníka a je uložen na SIM kartě SIM – Subscriber Identity Module je jednoduchý počítač (jednočip) a je v ní uloženo IMSI MSISDN – Mobile Subscriber ISDN Number je telefonní číslo účastníka mobilních služeb. Není uloženo na SIM kartě, ale je namapováno na IMEI v HLR
MSC je telefonní ústředna, která zajišťuje spojování hovorů mezi účastníky AuC je databáze bezpečnostních klíčů pro authentikaci uživatelů EIR je registr(databáze) identit ukradených přístrojů
Signalizace a uživatelská data v telekomunikačních sítích
Signalizace a uživatelská data • Signalizace – je soubor protokolů, které slouží k řízení provozu hovorů nebo dat. Logické části, která pracuje se signalizací říkáme Control plane • Uživatelská data – je soubor protokolů přenášejících uživatelské hovory a data. Logické části sítě přenášející uživatelská data říkáme User plane • Až do 3GPP Release R4 v roce 2001 byla signalizace vedena společně s uživatelskými daty. Po R4 došlo k oddělení signalizace a uživatelských dat • Výhody oddělení signalizace od uživatelských dat: – Snížení nároků na dimenzování systémů (uživatelských dat je výrazně více) – Vyšší bezpečnost, signalizace jde jinou signálovou cestou než uživatelská data – Centralizace řízení a decentralizace výkonových prvků – Jednodušší změna konfigurace sítě pro nové požadavky
Signálové cesty
• Control plane a User plane vytváří dvě různé logické sítě v jedné fyzické • Datová signalizace v sítích GSM využívá částečně signalizaci hovorovou a částečně datovou • Zdrojem signalizace může být terminál, prvek v rádiové síti a také prvek v core network
Rodiny protokolů používaný v telekomunikacích • Architektura GSM byla postavena na rodině protokolů SS7 určené pro digitální ústředny, nebyly založeny na základech IP – Protokoly MTP1 až 3, SCCP, TCAP, MAP, CAP, INAP a ISUP
• Rozmach IP sítí způsobil výrazný pokles cen síťových zařízení a operátoři nechtěli provozovat dvě různé sítě (IP a SS7). Začalo se přemýšlet o přizpůsobení SS7 pro podporu IP sítí. • Definovaly se nové protokoly SIGTRAN pro přenos signalizace přes IP sítě • Stále jde o přechodnou fázi. Finální fáze je poskytování telekomunikačních služeb výhradně na síti s přepínáním paketů, tedy IP sítě. Odtud také pojmenování služeb VoIP, MoIP atd.
Co nás čeká příště • • • • • • •
Architektura GSM sítě Spojování hovorů, hlasový roaming Architektura datové sítě 3G, LTE Sestavení datového spojení, datový roaming VoLTE – hlas v LTE Architektura IMS Další podpůrné systémy v telekomunikacích – CRM, BSS, OSS, ERP
Otázky a odpovědi
Děkuji za pozornost
