Telefonní linky. Pulsně kódová modulace (PCM)

Transkript

1 Telefonní linky Analogové spoje Historie Alexander Graham Bell ( ) 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

2 Digitální hierarchie Slučování digitálních kanálů do skupin T okruhy (USA, Japonsko) T1-24 T0 = 1,544 Mb/s (24) T2-4 T1 = 6,312 Mb/s (96) T3-7 T2 = 44,736 Mb/s (672) Př. rámec T1 24 kanálů * = 193 bitů E okruhy (Evropa a zbytek světa) E1-30E0 = 2,048 Mb/s (30) E2-4 E1 = 8,448 Mb/s (120) E3-4 E2 = 34,368 Mb/s (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 sintegrovanými 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) 2

3 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 3

4 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 4

5 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. 5

6 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 Kuživateli (down stream) některý z kanálů vpásmu 42 až 750MHz, až 40Mb/s, prakticky 10 až 30Mb/s, nesdílený kanál Od uživatele (up stream) který z kanálů vpásmu do 40MHz, stovky kb/s, kanál sdílený více uživateli 6

7 Rozdělení spektra Rozdělení spektra v typickém TV kabelovém systému s možností přístupu k Internetu. Kabelová televize Kpřenosu 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 Kjednomu kabelovému modemu lze připojit i více počítačů (Eth. HUB) Celý systém se v dané lokalitě chová jako lokální počítačová síť 7

8 Kabelový Internet (2) Fixní telefonní systém. Kabelové modemy Upstream a downstream kabelové televize. 8

9 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 9

10 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 10

11 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 11

12 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 12

13 FHSS Using MFSK MFSK signal is translated to a new frequency every T c 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: T s = LT seconds T c T s - slow-frequency-hop spread spectrum T c < T s -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 13

14 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) 14

15 DSSS Using BPSK Multiply BPSK signal, s d (t) = A d(t) cos(2π f c t) by c(t) [takes values +1, -1] to get s(t) = A d(t)c(t) cos(2π f c t) A = amplitude of signal f c = 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 15

16 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 <c1, c2, c3, c4, c5, c6> 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 S u d = d1 c1 + d2 c2+ d3 c3 + d4 c4+ d5 c5+ d6 c ( ) 6 <d1, d2, d3, d4, d5, d6> = received chip pattern <c1, c2, c3, c4, c5, c6> = sender s code 16

17 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 17

18 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 sodstupem 200 khz) Downlink vyšší frekvence (935,2MHz až 959,8MHz 124 kanálů sodstupem 200 khz 18

19 Mobilní telefonní systém (a) V sousedních buňkách se nemohou použít stejné frekvence. (b) Použitímenších 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 vjednom časovém slotu Celková kapacita teoreticky 124 * 8 = 992 spojení, mnohé se nepoužívají předcházení kolizí skanály v buňce souseda 19

20 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 stelefonem, 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) 20

21 GSM (2) Část struktury rámce GSM. HSCSD, GPRS HSCSD (high speed circuit switched data) Zachování struktury kanálů, využitívíce 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) 21

22 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 vmístě příjmu (nepřímo úměrné kvadrátu vzdálenosti) Vysílač i přijímač musí být synchronizovány, to se nastaví vysíláním známé bitové sekvence 22

23 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 Standard ,4GHz, 2MB/s b 2,4GHz, 11MB/s g 2,4GHz, 54MB/s a 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) 23

24 Protokolový zásobník IEEE Část protokolového zásobníku IEEE Přístupová úroveň (MAC) IEEE (a) Problém skryté stanice. (b) Problém nechráněné stanice. 24

25 Přístupová úroveň (MAC) IEEE (2) Snímání virtuálního kanálu s použitím CSMA/CA. NAV Network Allocation Vector Přístupová úroveň (MAC) IEEE (3) Shluk fragmentů. 25

26 Přístupová úroveň (MAC) IEEE (4) Časové mezery mezi rámci v Struktura rámce IEEE Datový rámec

27 Služby IEEE Distribuční služby Spojení Rozpojení Obnovení spojení Distribuce Integrace Služby IEEE Služby uvnitř buněk Ověřování Rušení ověření Důvěrnost Doručování dat 27

28 Širokopásmové bezdrátové sítě Porovnání a Protokolový zásobník Fyzická vrstva Protokol podvrstvy MAC Formát rámce Protokolový zásobník Protokolový zásobník

29 Fyzická vrstva Druhy prostředí pro přenosy Fyzická vrstva (2) Rámce a časové úseky pro duplexní přenosy časovým dělením. 29

30 Protokol podvrstvy MAC 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 (a) Obecný rámec. (b) rámec pro rezervaci pásma. 30

31 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). 31

32 Aplikace Bluetooth Profily bluetooth. Protokolový zásobník Bluetooth Verze architektury Bluetooth protokolu. 32

33 Struktura rámce Bluetooth Typický datový rámec Bluetooth. 33