németh krisztián bme tmit 2007. máj. 17

Távközlő Hálózatok25. előadás10. Szemelvények a fizikai rétegből

11. Az információközlő hálózatok felépítésének elvei

Németh KrisztiánBME TMIT2007. máj. 17.

2

Hol tartunk? 0. Bevezetés 1. Távközlő hálózati architektúrák

Hívószámkiosztás, analóg és digitális telefonhálózati architektúra 2. Jelzésrendszerek

Előfizető és központ közötti, központok közötti 3. Távközlési protokollok 4. Gerinchálózati technikák

PDH, SDH, ATM, MPLS, OTN, NGSDH, stb. 5. IP szélessávú hozzáférési technikák

Analóg vonali modem, ADSL, xDSL, kábel-TV, stb. 6. Kapcsolástechnika 7. Mobil távközlő rendszerek

Műholdas rendszerek, mobil számítógép hálózatok, GSM, UMTS 8. VoIP, kodekek 9. Jelátviteli és forgalmi követelmények 10. Szemelvények a fizikai rétegből (bonus track :-) ) 11. Az információközlő hálózatok felépítésének elvei

Csopaki Gy.

Cinkler T.

Németh K.

Németh K.

3

Jelátviteli és forgalmi követelmények Információtípusok, jelek és hálózatok Beszédátviteli követelmények Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Beszédkódolók Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

4

Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény Alkalmazások, pl.:

e-mail telefonálás videotelefonálás film megnézése valós időben

Minőségi paraméterek: csomagkésleltetés csomagkésleltetés ingadozása (angolul packet delay variation,

vagy packet jitter) csomagvesztési arány téves csomagkézbesítési arány (adatsebesség mennyiségi és nem minőségi paraméter)

Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

5

Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény nagyon sok kombináció legtöbbször nincs is megadva (pl. szabványban)

Pár példa: VoIP csomagkésleltetés: mint PSTN-nél: 250 ms,

visszhangtörlés szükséges 12,5 ms felett VoIP csomagvesztés: kodektől függ, kb. 5-30% a határ igény szerinti videózás (Video-on-Demand, VoD):

késleltetés: akár 5-10 sec. késleltetésingadozás legyen alacsony (puffertől függ)

Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

6

Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése(továbbiakban TCP/IP-ről beszélünk) Cél: hálózatméretezés tudományos megalapozása Távbeszélő hálózatokénál lényegesen nehezebb, mert:

alkalmazások: sokféle, különféle hálózati igényekkel időben, térben változó összetételű alkalmazás-mix évről évre jelentős változások lehetnek a tipikusan használt

alkalmazásokban (nehéz középtávra tervezni) alkalmazások erőforrásigénye is nehezen meghatározható (pl. e-mail

hossza bájtban) elasztikus folyamok

pl. FTP, HTTP, e-mail továbbítás a rendelkezésre álló teljes sávszélességet elfoglalják nehezen definiálható az erőforrásigény

7

Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése Távbeszélő hálózatokénál lényegesen nehezebb, mert:

nem független források: elasztikus folyamok és a TCP garantálja a teljes sávszélesség

kihasználást emiatt blokkolás, különböző források csomagjai versengenek a

továbbításért követk.: nem független források

Következmények: Hosszú távú összefüggés (időben távoli értékek is korreláltak) Önhasonlóság: különböző időskálákon nézve is hasonló forgalmi

jelleg (forgalom: bit/s, csomag/s) Nagy börsztösség, csomósodás PSTN: n-szeres felhasználó, forgalom átlaga is n-szeres, de

szórása -szeres: a forgalom „kisimul” TCP/IP: a forgalom sokkal lassabban „simul ki”

n

8

Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése Ezek miatt a TCP/IP forgalommodellezés még

gyerekcipőben jár bár vannak bíztató eredmények

Akkor hogyan lehet TCP/IP hálózatot méretezni? tapasztalatok alapján mérések alapján túlméretezés (overprovisioning)

másik ok a túlméretezés mellett: olcsó a kapacitás, de jelentős a bevétel: nem szabad egy vevőt sem elszalasztani kapacitáshiány miatt

9

Hol tartunk? 0. Bevezetés 1. Távközlő hálózati architektúrák

Hívószámkiosztás, analóg és digitális telefonhálózati architektúra 2. Jelzésrendszerek

Előfizető és központ közötti, központok közötti 3. Távközlési protokollok 4. Gerinchálózati technikák

PDH, SDH, ATM, MPLS, OTN, NGSDH, stb. 5. IP szélessávú hozzáférési technikák

Analóg vonali modem, ADSL, xDSL, kábel-TV, stb. 6. Kapcsolástechnika 7. Mobil távközlő rendszerek

Műholdas rendszerek, mobil számítógép hálózatok, GSM, UMTS 8. VoIP, kodekek 9. Jelátviteli és forgalmi követelmények 10. Szemelvények a fizikai rétegből (bonus track :-) ) 11. Az információközlő hálózatok felépítésének elvei

Csopaki Gy.

Cinkler T.

Németh K.

Németh K.

10

6 témakör: visszhang elhalkulás (fading) mikrohullámú rádiós átvitel digitális jelek átvitele analóg csatornán illesztett lezárás

Javasolt irodalom: weblapon található Kovács-Ludányi jegyzet a weblap alján: korábbi félévek, majd ott a 2005.

tavasz kiválasztása

Szemelvények a fizikai rétegből

11

4/2 4/2

néhány km

néhány km

2/4 2/4

... ...... ...

...

...

f ldfelsz ni v. ö í műholdas rádiós kapcsolateredő csillapítás: 0 dB

táv: 10 - 20.000 km

Visszhang Több helyen keletkezhet, de a 2/4 huzalos

átalakításnál jellemző Példa átviteli út: (egy vonal egy vezeték)

önhangönhang

visszhang visszhang

hurok!

(műholdas átvitelnél akár ennél is több)

12

Visszhang Önhang:

hasznos! kb. 25 dB csillapítás

A hurkot ki kell küszöbölni, hogy: ne gerjedjen ne torzítsa az átvitelt ne legyen többszörös visszhang

Visszhang: 12,5 ms alatt nem különböztethető meg az önhangtól (nincs vele gond) kritikus táv, ha csak a terjedési késleltetést nézzük:

0,0125 s * 250 000 km/s = 3125 km 3000 km(közegbeli fénysebesség alacsonyabb c-nél)de ez oda-vissza értendő, tehát kb. 1500 km földrajzi táv a kritikus

felette valamit kezdeni kell vele 31 dB, vagy nagyobb csillapítás már jó

13

Visszhang kezelése Visszhangzár:

ugyanez a túloldalon is

VAD: Voice Activity Detector, beszéddetektor: észleli, hogy éppen beszél-e a távoli fél

beszéd esetén e kapcsolás lezárja a visszamenő erősítőt emiatt félduplex elavult

4/2

...

...VAD

14

Visszhang kezelése Visszhangtörlő (VT, echo canceller)

ugyanez a túloldalon is

feladata a visszhang modellezése megfelelő késleltetés megfelelő csillapítás megfelelő torzítás

ezek időben változhatnak, mert: környezeti hatások (pl. hő) változnak kihangosítást bekapcsolhatják menet közben

ezért adaptív eszköz a hibajel mérésével: visszhang felismerése és törlése

4/2

...

...VThibajel

15

Elhalkulás (fading) Oka: többutas terjedés (multipath propagation)

jel visszaverődik a földfelszínről, tereptárgyakról több jel szuperpozíciója jelenik meg, ezek gyengítik vagy

erősítik egymást megj.: visszaverődés: 180 fokos fázistolás

r hv

ha

Adótorony

vevõállomás

16

42

1r

c

vP

113m 225m 450m 900m

fading nélkül: 21

1r

c

21

1r

c 3

Elhalkulás (fading) Kioltási helyek:

k=1,2,...

GSM:

λkhh

r vak

2

m 1/s m/s

3

1

109

1038

8

λkk

rk

m

m

m ,m 450

31

51502

17

Elhalkulás (fading) Hatásai:

mozgó adó: nagyobb adási teljesítmény szükséges akkumulátor merítése élettani hatás

mozgó vevő: rosszabb jel/zaj viszony

Mit tehetünk ellene? jel fókuszálása (pl. forgási paraboloid antenna) hibajavító kódolás (FEC) többféle átvitel (diversity)

időben: jel ismétlése (közben mozogni kell) térben: két vevőantenna (térben távolabb egymástól) frekvenciában: két frekvencia használata: más kioltási helyek

18

Gerinchálózat: rádiós ismétlő lánc

néhány GHz-es tartomány hurok kiiktatása: más frekvencián adás és vétel eső, köd, hó zavarja

Hozzáférői hálózat gyors telepítés ritkán lakott helyeken előnyös

Mikrohullámú rádiós átvitel

19

Digitális jelek átvitele analóg csatornán

Ennek van egyenáram (DC, Direct Current) komponense:

A nulla frekvencia közelében nem lehet információt átvinni

1+1V

-1V

1

U

1 1 1 10 00 0

t

frekv.

ampl.

20

Digitális jelek átvitele analóg csatornán A nulla frekvencia közelében nem lehet információt

átvinni, mert: fémvezető:

távtáplálás nagyfesz. védelem: transzformátoros leválasztás 50 Hz és felharmonikusai: 100, 150 Hz bezavarna koax 60 kHz alatt nem visz át

optikai kábel: csak az optikai tartományban visz át

rádiós átvitel: minimum kHz-es nagyságrend kell itt is

21

Digitális jelek átvitele analóg csatornán A nulla frekvencia közelében nem lehet információt

átvinni. Megoldások: vonali kódolás (pl. ugyanannyi +1V mint -1V)

pl. LAN, ISDN, PDH, SDH egyszerű de sávszélesség-pazarló: B>>1/T

B: sávszélesség T: bitidő

frekv.

ampl.

22

Digitális jelek átvitele analóg csatornán A nulla frekvencia közelében nem lehet információt átvinni.

Megoldások: moduláció/demoduláció

pl. frekvenciamoduláció, amplitúdómoduláció, fázismoduláció egy adott vivőfrekvencia (fv) környékére korlátozza a spektrumot bonyolultabb nem pazarolja a sávszélességet: B 1/T (adott jel/zaj viszony,

ld. Shannon-tételes megjegyzés korábban) használata:

erősen sávkorlátozott környezetben, illetve adott átviteli frekvenciatartomány esetén

pl. rádiós átv., optikai átvitel, telefonmodemek

frekv.

ampl.

fv

B

23

Digitális jelek átvitele analóg csatornán Másik probléma: szinkronitás fenntartása

elegendő nullátmenet kell. Ez biztosítható: megfelelő vonal kódolással modem: bitkeverővel (scrambler)

bináris álvéletlen sorozat ebben 0,5 valószínűsége a 0-nak és az 1-nek mod 2 hozzáadás az adó és vevő oldalon is

24

Illesztett lezárás Fémvezetékpár egy differenciálisan kicsi, δ hosszú

darabjának modellje:

R: ohmikus ellenállás [ohm/km] L: induktivitás [H/km] G: ohmos átvezetés [siemens/km] C: kapacitás [fahrad/km].

Egyik irányban végtelen szakasz: elemi szakaszon mért impedanciák összege véges lesz hullámimpedancia, Z0

25

Illesztett lezárás Véges esetben a végén visszaverődés lesz egyik felén végtelen esetben természetesen nem a véges szakaszt olyan impedanciával kell lezárni, hogy „úgy

tűnjön”, mintha végtelen vezeték lenne

CL

Z 0

CωjG

LωjRZ0

(valós!)

26

Hol tartunk? 0. Bevezetés 1. Távközlő hálózati architektúrák

Hívószámkiosztás, analóg és digitális telefonhálózati architektúra 2. Jelzésrendszerek

Előfizető és központ közötti, központok közötti 3. Távközlési protokollok 4. Gerinchálózati technikák

PDH, SDH, ATM, MPLS, OTN, NGSDH, stb. 5. IP szélessávú hozzáférési technikák

Analóg vonali modem, ADSL, xDSL, kábel-TV, stb. 6. Kapcsolástechnika 7. Mobil távközlő rendszerek

Műholdas rendszerek, mobil számítógép hálózatok, GSM, UMTS 8. VoIP, kodekek 9. Jelátviteli és forgalmi követelmények 10. Szemelvények a fizikai rétegből (bonus track :-) ) 11. Az információközlő hálózatok felépítésének elvei

Csopaki Gy.

Cinkler T.

Németh K.

Németh K.

27

Modellek, modellezés...(Ez a rész már nem

vizsgaanyag!)

28

Az információközlő hálózatok összekapcsolása Összekapcsolás előnyei:

sok kis hálózatból nagyot Internet eleve ilyen

különböző szolgáltatók ügyfelei kommunikálhatnak

inkrementális fejlesztés lehetséges pl. IPv4 IPv6, analóg digitális telefon

gazdasági előny, pl. VoIP stb., stb.

Ennek nézzük az elvi műszaki hátterét

29

Hordozó és távszolgáltató hálózatok (ism.) Hordozó hálózat (bearer network) :

Def: két vagy több pont közötti átlátszó – a hálózat által nem értelmezett, nem feldolgozott – adatátvitelt biztosít

nincs végberendezés nincs alkalmazás önmagában nem fordul elő a szolgáltatás neve: hordozó szolgáltatás pl. 64 kb/s átlátszó adatátvitel

Távszolgáltató hálózat (teleservice network) : létezik végberendezés létezik alkalmazás az átvitt információ ennek megfelelő, a hálózat a jelet

módosíthatja, amíg az alkalmazásnak ez megfelelő a szolgáltatás neve: távszolgáltatás pl. távbeszélő szolgáltatás

30

Hálózatok és összekapcsolásuk SzgH és TH is lehet hordozó, távszolgáltató

is

Két féle összekapcsolás lehetséges: egyenrangú hierarchikus

31

Hálózatok egyenrangú összekapcsolása Egyenrangú együttműködés 2 távszolgáltató vagy 2 hordozó hálózat között

V1 V2FTH1

H1, H2: hálózatokV1, V2: végberendezések

H1 H2

E FTH2 FTH1

FTH1, FTH2: forgalmi törzshálózatokE: együttműködtető egység

H1 H2

E FTH2

(a) (b)

E: SzgH: átjárónak (gateway) is nevezik FTH: kb. hálózat - (végberendezés + együttműködtető egység) Egyszerűbb jelölés: H1 H2

32

Hálózatok egyenrangú összekapcsolása Legfőbb okok: technológiai vagy igazgatási eltérés Technológiai eltérés, pl.:

(egy tulajdonban lévő) vezetékes és mozgó távbeszélő hálózat

Igazgatási eltérés, pl.: két telefontársaság céges Intranet és Internet. Ekkor átjáró pl. a tűzfal

Persze lehet a két eltéréstípus együtt is, pl: külön tulajdonban lévő vezetékes és mozgó távbeszélő

hálózat

33

Hálózatok hierarchikus összekapcsolása Hierarchikus együttműködés Egy távszolgáltató és egy hordozó vagy 2 hordozó hálózat között

Mindkét oldalon FTH1! Felső ráépített, alsó alaphálózat Egyszerűbb jelölés:

V1 V1FTH1

FTH2

E E

H1

H2

FTH1 FTH1

E E

H1

H2

FTH1

FTH2

H1, H2: hálózatokV1: végberendezés

FTH1, FTH2: forgalmi törzshálózatokE: együttműködtető egység

(a) (b)

H1

H2

34

Hálózatok hierarchikus összekapcsolása Ok: technológiai eltérés (Igazgatási eltérés is lehetséges, ezen felül) példák:

PDH SDH felett SDH: nagy adatsebesség, jól menedzselhető PDH: 64 kb/s közvetlenül felhasználható

IPv6 IPv4 felett IPv6 szigetek összekötése IPv4-gyel „alagutazás/tunneling”

sok variáció lehetséges, pl.:

PDH

SDH

IPv6

IPv4

IPv6

IPv4

ATM

SDH

35

Összekapcsolások kombinálása A különböző típusú összekapcsolások

kombinálhatóak. Pl.: IP hálózat adatainak átvitele egy SDH rendszer

felett, amely két szolgáltatóhoz tartozik:

azaz:

V1 V1

SDH1

E E

SDH2E

IPIP

IP

SDH1 SDH2

36

Technológiai modellezés A hierarchikus összekapcsolás tulajdonképpen

felfogható rétegmodellnek: minden réteg csak a szomszédaival kommunikál persze egy technológiai réteg több OSI réteget

tartalmazhat, ezekről majd később Pl.: IPv6

IPv4

ATM

SDH