Úvod do komunikačních technologií

Transkript

1 Úvod do komunikačních technologií Inovace přednášek a laboratoří Kolektiv autorů Ostrava 2013 Informatika v telemedicíně CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

2 Úvod do komunikačních technologií Základní pojmy komunikačních technologií Ing. Iva Petříková, Ph.D. Ing. Jan Skapa, Ph.D. Katedra telekomunikační techniky VŠB-TU Ostrava 8. února 2015 ( 8. února / 47

3 Podmínky absolvování předmětu Veškerá komunikace probíhá přes e-learningový systém MOODLE na adrese Komunikujte vždy se svým cvičícím v patřičném týdnu. (Pokud se vám na cvičení zapomene představit zeptejte se jej na jméno!) Pokud se vám se cvičícím nepodaří spojit, oslovte garanta týdne, uvedeného u daného týdne v MOODLE. Až v nejkrajnější nouzi kontaktujte garanta cvičení ÚdKT Ing. Filipa Řezáče. ( 8. února / 47

4 Podmínky absolvování předmětu Předmět je zakončen klasifikovaným zápočtem. ( 8. února / 47

5 Doporučená literatura Doporučená literatura je uvedena vždy v podpůrném textu k danému tématu, resp. na stránce s doporučenou literaturou v daném tématickém týdnu. ( 8. února / 47

6 Telekomunikační technika Pojem telekomunikace znamená komunikaci na dálku s využitím technických prostředků. Telekomunikační technika se zabývá přenosem telekomunikačních signálů telefonních, rozhlasových, televizních, datových, signalizačních, měřicích, řídicích, atd. ( 8. února / 47

7 Přenosový řetězec telekomunikačních systémů Obrázek: Blokové schéma přenosového řetězce. Koncové zařízení (KZ) přeměňuje signály na signály vhodné k přenosu (např. akustické na elektrické). Spojovací systémy (SS) přepojují signál do žádaného směru, resp. mění časovou polohu signálu. ( 8. února / 47

8 Přenosový řetězec telekomunikačních systémů Obrázek: Blokové schéma přenosového řetězce. Přenosové systémy jsou tvořeny souborem prostředků umožňujících přenos mezi spojovacími systémy. Koncové zařízení linkového traktu (KZLT) přeměňuje signály na signály vhodné pro přenos po daném přenosovém médiu. ( 8. února / 47

9 Kanál soubor zařízení, umožňující jednosměrný přenos zprávy, jednosměrná přenosová cesta. Okruh 2 protisměrné kanály umožňující obousměrnou komunikaci. Spoj trvalé obousměrné spojení účastníků. Kanál je charakterizován svou propustností (kapacitou), neboli maximálním objemem dat, která daným kanálem můžeme přenést za jednotku času. ( 8. února / 47

10 Přenosové prostředí (médium) Prostředí umožňující přenos signálu. atmosféra, vodiče, metalické vlnovody, optické (dielektrické) vlnovody. ( 8. února / 47

11 Vedení Vedení soubor prostředí pro vedení elektromagnetických vln venkovní nadzemní drátová, symetrická kabelová vedení, koaxiální vedení, vlnovodná vedení vf rozhlasové a televizní vysílače, optická vedení (typicky opt. vlákna). Linkový trakt vedení včetně zesilovacích a korekčních prvků (analog) opakovačů (digital) ( 8. února / 47

12 Typy komunikace Simplex jedním směrem; rozhlas, televize Poloduplex na střídačku vždy v jednom směru; radiostanice (vysílačky) Duplex oběma směry; telefon ( 8. února / 47

13 Telekomunikační sítě Páteřní přenos mezi uzly sítě (ústředny, přepínače, směrovače, servery, databanky apod.), Přístupové přenos mezi uzlem sítě a účastníkem. Nadstavbu těchto sítí tvoří síť řídicí TMN která má za úkol dohlížet a řídit technické prostředky páteřní a přístupové sítě, zřizování, sledování a ukončování požadovaných služeb, tarifikaci (účtování). ( 8. února / 47

14 Páteřní sítě velké objemy dat na větší vzdálenosti, vysoké nároky na spolehlivost, optická vlákna, přenosová rychlost až stovky Gbit/s, obvykle principy vícenásobného využití přenosového média WDM (Wavelength Division Multiplex). ( 8. února / 47

15 Přístupové sítě připojení účastníků k páteřní síti, propojení účastníků mezi sebou, obvykle metalické kabely, radiové přenosy. ( 8. února / 47

16 Vícenásobné využití přenosového média obvodový multiplex (fantomní vedení), frekvenční multiplex (FDM Frequency Division Multiplex; každý kanál je přenášen na jiné frekvenci rozhlas), časový multiplex (TDM Time Division Multiplex; každý kanál je přenášen v jiném časovém okamžiku PCM), vlnový multiplex (WDM Wavelength Division Multiplex; každý kanál je přenášen na jiné vlnové délce optická vlákna), kódový multiplex (CDM Code Division Multiplex; každý kanál používá jiné kódování bezdrátové přenosy CDMA), ( 8. února / 47

17 Signál, zpráva, informace Signál fyzikální vyjádření zprávy (napětí apod.) Signál často zaměňujeme s matematickým modelem signálu. Zpráva = Data (přenášená informace + nutná režie, např. adresa odesilatele a příjemce). Informace význam zprávy. ( 8. února / 47

18 Analogový signál Spojitá nebo po částech spojitá funkce spojité nezávislé proměnné. ( 8. února / 47

19 Diskrétní signál Diskretizovaný v nezávislé proměnné (např. v čase) vzorkováním, spojitý v úrovni (obor hodnot.). ( 8. února / 47

20 Digitální signál Diskretizovaný v nezávisle proměnné i v úrovních, převedený na 1 a 0 vzorkovaný, kvantovaný a kódovaný. ( 8. února / 47

21 Telekomunikační signály Při přenosu všech druhů telekomunikačních signálů je nutné řešit vztah dvou protichůdných požadavků: Požadavky zákazníka: Nejvěrnější přenos a vyhodnocení původní zprávy maximalizace nároků na konstrukci všech prvků telekomunikačních systémů. Požadavky provozovatele: Technicko-ekonomické hledisko co nejsnazší technická proveditelnost, co nejnižší cena. ( 8. února / 47

22 Spektrum signálu Frekvence počet opakování periodického děje za jednotku času (viz Wikipedia) Spektrum analytické, numerické či grafické vyjádření amplitud a fází jednotlivých harmonických složek, z nichž lze signál složit. ( 8. února / 47

23 Spektrum signálu, Harmonické složky ( 8. února / 47

24 Spektrum signálu, Délka vlny Délka vlny (vlnová délka) λ vzdálenost, kterou signál o frekvenci f urazí rychlostí v za dobu 1 periody T λ = v f, kde v je rychlost šíření signálu v daném prostředí, f je frekvence vlnění, pro kterou platí f = 1/T. Pro elektromagnetické vlnění ve vakuu platí v = c = m/s. ( 8. února / 47

25 Telekomunikační signály Hodnocení prvotního elektrického signálu: Šířka pásma (šířka frekvenčního spektra) signálu BW (Band-Width) reálné telekomunikační signály lze složit ze sinusových složek o různých frekvencích a jejich souhrn vytváří šířku pásma signálu Pro telefonní kanál byla stanovena šířka pásma Hz (necelé 3,5 oktávy) Spodní hranice 300 Hz byla stanovena s ohledem na objem výkonu přenášeného signálu 80 %. Horní hranice 3400 Hz byla stanovena s ohledem na slabikovou srozumitelnost 80 %. Při digitalizaci hovorového signálu se používá vzorkovací frekvence f vz = 8000 Hz. ( 8. února / 47

26 Telekomunikační signály Obrázek: Stanovení šířky hovorového pásma. ( 8. února / 47

27 Historie dálkových komunikací (telekomunikací) Dálková telegrafie Morse 1866 transatlantický kabel od 1901 radiotelegrafie ( 8. února / 47

28 Historie dálkových komunikací (telekomunikací) Nízkofrekvenční telefonie v počátcích venkovní vedení ve městech neúnosné 1910 dálkové kabely symetrické pupinované s fantomními okruhy (New York Washington, New York Boston) 1915 vidlice + elektronkový zesilovač snížení průměru vodičů snížení indukčnosti snazší pupinace, vyšší mezní frekvence lepší přenosové vlastnosti větší překlenutelné vzdálenosti Nízký dosah, nízký počet meziměstských a mezinárodních spojů! ( 8. února / 47

29 Historie dálkových komunikací (telekomunikací) Obrázek: Venkovní rozvaděč. ( 8. února / 47

30 Historie dálkových komunikací (telekomunikací) Vícenásobná nosná telefonie od roku 1918 FDM frekvenční multiplex (modulace) koaxiální kabely 3600/ telefonních kanálů (úzký/střední koax) Vícenásobné digitální přenosové systémy PCM od roku 1962 TDM časový multiplex Evropa 30/32 kanálů / 2048 kb/s, USA 24 kanálů / 1544 kb/s, vyšší řády až do 7680 kanálů. ( 8. února / 47

31 Standardizační komise CCITT (Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique) Dnes: ITU-T Telecommunication Standardization Sector ITU-R Radiocommunication Sector ITU-D Telecommunication Development Sector ( 8. února / 47

32 Telefonní přístroj Telefonní přístroj - analogové, digitální a IP Analogové telefony používají: - pásmo signální, max. do 50Hz (vyzvánění 25 Hz), - pásmo hovorové, Hz. Vynález telefonu Antonio Meucci, 1849 (vynalezl, ale nepatentoval) Alexander Graham Bell, patent ( 8. února / 47

33 Telefon MB ( 8. února / 47

34 Telefon ÚB ( 8. února / 47

35 Telefon AUT ( 8. února / 47

36 Číselnice impulzy natahování číselnice zpětný chod 1,6 : 1 č i č r č z vysílané impulsy ( 8. února / 47

37 Tónová volba ( 8. února / 47

38 Kanály pro přenos dat Nutná vysoká spolehlivost! MODEM na lince v m modulační rychlost, data v p přenosová rychlost. Modulace 1 modulačnímu stavu odpovídá N bit bitů v p = v m log 2 (N stav ) = v m N bit, kde N stav = 2 N bit je počet stavů potřebných k zakódování N bit bitů. Pro N stav = 2 je v p = v m. Příklad 4-stavová modulace, N stav = 4, N bit = 2, v p = 2v m. ( 8. února / 47

39 Kanály pro přenos dat Doba trvání signálového prvku T s prvkem signálu je nejmenší část signálu, která musí být samostatně rozlišena (např. modulační symbol) Modulační rychlost v m = 1/T s [Bd] Baud, kde T s je délka trvání 1 symbolu. Vyjadřuje počet symbolů přenesených za 1 s. Přenosová rychlost v p = v m log 2 (N) [bit/s] Vyjadřuje počet bitů přenesených za 1 s. ( 8. února / 47

40 Generace telefonních ústředen 1.generace telefonních ústředen používá voliče ve spojovacím poli (např. Tesla P51), 2.generace používá ve spojovacím poli křížové spínače (např. Tesla PK202), 3.generace ústředen má centrální řízení mikropočítačem (řízení uloženým programem), spojovací pole může být řešeno různými způsoby elektronického spojování (např. Tesla UE201), 4.generace má buď plně anebo částečně decentralizované řízení, vždy se jedná o soustavu řídících jednotek, které plní konkrétní úkoly, spojovací pole umožňuje změnu časové polohy (např. Alcatel S12), 5.generace je označována jako softswitch, pracuje s přepojováním paketů, umožňuje multimediální komunikaci a garantuje interoperabilitu s konvenčními ústřednami prostřednictvím bran (např. Siemens Surpass). ( 8. února / 47

41 Signalizace Rozdělení signalizací dle místa přenosu: síťová, účastnická, vnitřní, Rozdělení signalizace dle formy přenosu: analogová signalizace vyjadřuje značky napěťovými úrovněmi, směrem protékajícího proudu na vedení a pomocí tónů, digitální tok bitů, ( 8. února / 47

42 Signalizace účastnická analogová Oznamovací tón, vyzváněcí tón, obsazovací tón. ( 8. února / 47

43 Signalizace digitální zace se dělí na : přidružená přenosovému kanálu (Channel Associated Signaling), e společným kanálem (Common Channel Signaling). CAS, signalizace přidružená přenosovému kanálu (Channel Associated hledu sestavené trasy: Signaling), ociována s trasou spojení, kterou signalizuje, jde stejnou cestou, signalizace CCS, je signalizace sestavena jinou po společném trasou než signalizačním spojení, které kanálu signalizuje, (Common Channel Signaling). A B A A S B KA S signalizační cesta hovorová cesta C /1, přednáška č.3 3 ( 8. února / 47

44 Signalizace digitální Signalizace z pohledu sestavené trasy: asociativní je asociována s trasou spojení, kterou signalizuje, jde stejnou cestou, kvaziasociativní signalizace je sestavena jinou trasou než spojení, které signalizuje. ( 8. února / 47

45 Linková a registrová signalizace Linková signalizace je mezi spojovacími systémy na různých vedeních (dvoudrátové, čtyřdrátové,... ), dohlíží na spojení po celou dobu jeho trvání. Linková signalizace je vyjádřená pomocí stavů na vedení/kanálu. Kromě linkové se poprvé u spojovacích systémů 2. generace objevuje registrová signalizace, ve které byla od linkové signalizace oddělena část týkající se řízení výstavby cesty, prakticky jde především o předání čísel (volby). Registrová signalizace se uplatňuje ve fázi sestavování spojení, kdy jsou v činnosti spolupracující registry a příslušné kódové přijímače-vysílače, po propojení spojovací cesty svou činnost končí a dále pokračuje opět linková signalizace. ( 8. února / 47

46 Signalizace při sestavení spojení y sestavení spojení /1, přednáška č.3 4 ( 8. února / 47

47 Signalizace při rozpadu spojení ončení spojení vé analogové účastnické rozhraní označujeme písmenem U ní analogového účastníka, ( 8. února / 47

48 Děkuji za pozornost. ( 8. února / 47

49 Metalické kabely Ing. Jan Skapa, Ph.D. Katedra telekomunikační techniky VŠB-TU Ostrava 20. února 2011

50 Elektromagnetické vlnění Elektromagnetické vlnění lze popsat Maxwellovými rovnicemi A Treatise on Electricity and Magnetism 1873) Elektrická a magnetická složka elmag. vlnění jsou 2 navzájem naprosto rovnocenné komponenty, žádná neexistuje dříve než druhá. Při změně jedné složky dochází ke změně složky druhé.

51 Elektromagnetické vlnění Elektrická a magnetická složka elmag. vlnění kmitají v navzájem kolmých rovinách kolmých ke směru šíření vlnění.

52 Elektromagnetické vlnění Elektromagnetické vlnění se šíří konečnou rychlostí, která je ve vakuu c = m/s. Vlastnosti záření jsou dány jeho frekvencí f = 1/T, resp. jeho vlnovou délkou λ. Z Einsteinovy teorie relativity plyne, že se žádné těleso s nenulovou klidovou hmotností m 0 nemůže pohybovat rychlostí shodnou s rychlostí světla, neboť by pak muselo být nekonečně hmotné a nekonečně dlouhé...

53 Vlnová délka Vlnová délka je vzdálenost, kterou urazí vlnění za dobu jedné periody T. Definuje se také jako vzdálenost bodů vlnění o stejné fázi. λ = vt = v f, Kde v je rychlost šíření vlnění v daném prostředí. Velikosti (např. délku vedení, průměr optického vlákna) budeme vždy vztahovat k délce vlny.

54 Vlnová délka Postupnou vlnu můžeme popsat y = y m sin(ω(t x v )) = y m sin(2π( t T x λ ))

55 Neper vs. decibel A Np = 1 2 ln( P in P out ) A db = 10 log( P in P out ) P in P out = e 2A Np = 10 A db/10 A db = A Np 20 log(e) A Np = A db 1 20 ln(10)

56 Metalické kabely symetrické jsou charakteristické shodnými kapacitami jednotlivých žil vůči zemi i vůči sobě navzájem, koaxiální dvojice souosých vodičů.

57 Symetrické kabely

58 Symetrické kabely Struktura symetrického kabelu: žíla, prvek vzniká stáčením jednotlivých žil do párů nebo čtyřek, kabelová duše vzniká stáčením prvků, stáčení koncentrické, nebo skupinové, plášť slouží k ochraně kabelové duše.

59 Odpor kabelové žíly Měrný odpor mědi R = ρl S, ρ Cu = 17.8 Ωmm 2 /km, měrný odpor žíly R l = ρ S.

60 Homogenní vedení Vlastnosti vedení můžeme aproximovat kaskádním zapojením elementů náhradního schématu. Primární parametry R, G, L, C.

61 Činitel přenosu výkonu, míra přenosu výkonu G P = ln( g = P 1 P 2 P 1 P 2 ) = 1 2 ln(p 1 P 2 ) = A + jb [Np]

62 Homogenní vedení sekundární parametry vedení Měrná míra přenosu γ = G P l = A l + j B l = (R + jωl)(g + jωc) = α + jβ měrný vlnový útlum α [Np/km], resp. [db/km], měrný fázový posuv β [rad/km] zpoždění fáze vlny na jednotku délky vedení.

63 Telegrafní rovnice Podélná impedance Příčná admitance Z = R + jωl Y = G + jωc Napětí a proud v libovolném místě vedení U x = U in cosh(γx) I in Z c sinh(γx), I x = I in cosh(γx) U in Z c sinh(γx), kde U in a I in jsou napětí a proud na začátku vedení.

64 Homogenní vedení sekundární parametry vedení Charakteristická (vlnová) impedance vedení Z Z c = Y = R + jωl G + jωc = Z c e j arg(zc) nezávisí na délce vedení, závisí na frekvenci. Bezodrazové (korektně zakončené) vedení musí být zakončeno charakteristickou impedancí, veškerý výkon prochází do výstupní impedance. Pokud není, dochází k odrazům výkonu zpět do vedení.

65 Přeslech Nežádoucí přechod malé části hovorových proudů z vedení rušicího do paralelně s ním probíhajícího vedení rušeného. Rozlišujeme přeslech na blízkém a vzdáleném konci, podle toho, na kterém konci vedení se projevuje vzhledem k pozici rušicího zdroje.

66 Útlum přeslechu Útlum přeslechu na blízkém konci A p0 = 10 log( P s0 P p0 ) = 20 log( U s0 U p0 ) 10 log( Z cs Z cp )

67 Útlum přeslechu Útlum přeslechu na vzdáleném konci A pl = 10 log( P s0 P pl ) = 20 log( U s0 U pl ) 10 log( Z cs Z cp ) Rozšíříme první zlomek A pl = 20 log( U s0 U pl U sl U sl ) 10 log( Z cs Z cp )

68 Útlum přeslechu A pl = 20 log( U s0 U sl ) + 20 log( U sl U pl ) 10 log( Z cs Z cp ) První člen představuje vlnový útlum rušicího vedení. Druhý člen pak vyjadřuje měřený útlum přeslechu, daný napětím signálu na konci rušicího a rušeného vedení.

69 Útlum přeslechu Pro vyvážený můstek platí R 1 R 3 = R 2 R 4. Napětí na diagonále je dáno R 1 U BD = U AC ( R 2 ). R 1 + R 4 R 2 + R 3

70 Stanovení odporu smyčky a délky kabelu Pro vyvážený můstek platí R ab = R a b Délka kabelu l = R ab 2 R l

71 Zaměřování poruch Stejnosměrné metody zaměřování poruch v izolaci kabelu (vniknutí vody). Střídavé metody přerušení žíly, porušení symetrie.

72 Murrayova metoda V můstku platí M R 1 = R ab R x R x.

73 Murrayova metoda Pro neznámý odpor k chybě Vzdálenost k chybě R x = R 1R ab M + R 1. l x = R x R l R 1 = 2l. M + R 1

74 Varleyova metoda Tam, kde je chyba blízko začátku vedení. V můstku platí a b = R ab R x R x = R ab a b R 1 R x + R a, b R x = br ab ar 1. a + b

75 Varleyova metoda Vzdálenost k chybě l x = R x. R l Pro kontrolu měříme i z druhé strany. V můstku platí a b = R x R ab R x + R 1 R x = R ab + a b R a, b Vzdálenost k chybě R x = br ab ar 1. a + b l x = R x. R l

76 Úvod do komunikačních technologií Optické vláknové komunikace Ing. Jan Skapa, Ph.D. Katedra telekomunikační techniky VŠB-TU Ostrava 23. února 2015 ( 23. února / 53

77 Jednou z možností, jak přenášet data je využít k přenosu světlo. To se může šířit vzduchem, ale také vhodným vlnovodem, např. optickým vláknem. Výhody optických vláknových spojů oproti metalickým jsou např.: vysoké přenosové rychlosti, nízká hmotnost kabelů, vysoká odolnost vůči elektromagnetickému rušení, bezpečnost vůči odposlechům. ( 23. února / 53

78 Výhody optických atmosférických spojů oproti rádiovým (např. WiFi) jsou např.: vysoká odolnost vůči elektromagnetickému rušení, bezpečnost vůči odposlechům, nízké rušení okolí, k instalaci není potřeba licence. ( 23. února / 53

79 Popis světla Geometrický paprsky v homogenním prostředí se šíří přímočaře od zdroje; nevysvětlí interferenci. ( 23. února / 53

80 Popis světla Geometrický paprsky v homogenním prostředí se šíří přímočaře od zdroje; nevysvětlí interferenci. Elektromagnetický elmag. vlny Maxwellovy rovnice; nevysvětlí fotoefekt. ( 23. února / 53

81 Popis světla Geometrický paprsky v homogenním prostředí se šíří přímočaře od zdroje; nevysvětlí interferenci. Elektromagnetický elmag. vlny Maxwellovy rovnice; nevysvětlí fotoefekt. Kvantový fotony kvanta energie; mají nulovou klidovou hmotnost; E = hf. ( 23. února / 53

82 Popis světla Geometrický paprsky v homogenním prostředí se šíří přímočaře od zdroje; nevysvětlí interferenci. Elektromagnetický elmag. vlny Maxwellovy rovnice; nevysvětlí fotoefekt. Kvantový fotony kvanta energie; mají nulovou klidovou hmotnost; E = hf. Rychlost světla je konečná, ve vakuu c = m/s. ( 23. února / 53

83 Rychlost světla v optickém prostředí Rychlost světla v v jiném prostředí než ve vakuu je nižší. Podíl rychlosti světla ve vakuu ku rychlosti světla v prostředí je nazýván index lomu n = c v. Index lomu n udává, kolikrát je světlo v daném prostředí pomalejší než ve vakuu. ( 23. února / 53

84 Rychlost světla v optickém prostředí Rychlost světla v v jiném prostředí než ve vakuu je nižší. Podíl rychlosti světla ve vakuu ku rychlosti světla v prostředí je nazýván index lomu n = c v. Index lomu n udává, kolikrát je světlo v daném prostředí pomalejší než ve vakuu. Pokud srovnáme 2 různá prostředí z hlediska indexu lomu, o prostředí, ve kterém se světlo šíří pomaleji říkáme, že je opticky hustší a o prostředí, ve kterém se světlo šíří rychleji že je opticky řidší. ( 23. února / 53

85 Šíření světla Obecně pro šíření světla platí tzv. Fermatův princip, který říká, že světlo se šíří mezi dvěma body A a B po takové dráze, aby mu to trvalo nejkratší čas. ( 23. února / 53

86 Šíření světla Chceme-li považovat rychlost světla c ve výpočtech za konstantu, musíme zavést pojem optická dráha. Uvažujme, že se světlo ve vakuu šířilo z bodu A do bodu B po nějaký čas t rychlostí c. Následně mezi body A a B vložíme optické prostředí, charakterizované indexem lomu n. Čas, který světlu zabere šíření mezi body A a B naroste. Je možné to připsat snížení rychlosti světla nebo nárůstu optické dráhy, kterou světlo mezi body A a B muselo překonat. ( 23. února / 53

87 Šíření světla Optická dráha je pro obecné prostředí, kde se index lomu n mění v závislosti na prostorové souřadnici s, vztahem l opt = B A n(s) ds. Čas t, který světlu zabere šíření světla mezi body A a B pak vypočteme z jednoduchého vztahu t = l opt c. ( 23. února / 53

88 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Obrázek: Rozhraní 2 optických prostředí. Všimněte si, že úhly jsou měřeny mezi paprskem a kolmicí k rozhraní optických prostředí. ( 23. února / 53

89 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Můžeme se ptát, v jaké horizontální vzdálenosti x 1 od bodu A bude procházet paprsek rozhraním, aby jeho šíření z bodu A do bodu B odpovídalo principu minima času (Fermatovu principu). Stanovíme nejprve dráhy paprsků v prostředích s indexy lomu n 1 a n 2. Pro ně z Pythagorovy věta plyne s 1 = x1 2 + y 1 2, s 2 = (d x 1 ) 2 + (h y 1 ) 2. ( 23. února / 53

90 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Rychlosti šíření paprsku v jednotlivých homogenních prostředích jsou v 1 = c n 1, v 2 = c n 2 a časy, které potřebují k překonání dráhy z bodu A k rozhraní obou prostředí, resp. od rozhraní k bodu B dostaneme t 1 = s 1 v 1, t 2 = s 2 v 2. ( 23. února / 53

91 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Celkový čas průchodu paprsku mezi body A a B dostaneme součtem dílčích časů t = t 1 + t 2. ( 23. února / 53

92 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Zapsali jsme tedy celkový čas šíření jako funkci proměnné x 1. Z Fermatova principu má tento čas být minimální, hledáme tedy minimum funkce t(x 1 ). Zderivujme tedy dt dx 1 = n 1 c x 1 x1 2 + y 1 2 n 2 c (d x 1 ) (d x 1 ) 2 + (h y 1 ) 2. ( 23. února / 53

93 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Derivaci položíme rozvnu nule a vynásobíme obě strany rovnice rychlostí světla c n 1 x 1 x1 2 + y n (d x 1 ) 2 = (d x 1 ) 2 + (h y 1 ) 2 ( 23. února / 53

94 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Dostaneme n 1 x 1 x1 2 + y = n (d x 1 ) (d x 1 ) 2 + (h y 1 ) 2 ( 23. února / 53

95 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Obrázek: Rozhraní 2 optických prostředí. ( 23. února / 53

96 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Dle obrázku 2 lze o zlomku na levé straně rovnice říci, že vzhledem k úhlu ϕ 1 je v čitateli protilehlá odvěsna pravoúhlého trojúhelníka a ve jmenovateli je přepona pravoúhlého trojúhelníka. Totéž platí pro zlomek na pravé straně rovnice vzhledem k úhlu ϕ 2. Z matematiky víme, že podíl délek protilehlé odvěsny a přepony v pravoúhlém trojúhelníku odpovídá sinu vrcholového úhlu, můžeme tedy psát n 1 sin(ϕ 1 ) = n 2 sin(ϕ 2 ), (1) což je tzv. Snellův zákon lomu. ( 23. února / 53

97 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Ze Snellova zákona plyne, že při průchodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího dochází k lomu světla směrem od kolmice vzhledem k rozhraní prostředí, ( 23. února / 53

98 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Ze Snellova zákona plyne, že při průchodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího dochází k lomu světla směrem od kolmice vzhledem k rozhraní prostředí, při průchodu světla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího dochází k lomu světla směrem ke kolmici vzhledem k rozhraní prostředí. ( 23. února / 53

99 Světlo na rozhraní 2 homogenních prostředí Ze Snellova zákona plyne, že při průchodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího dochází k lomu světla směrem od kolmice vzhledem k rozhraní prostředí, při průchodu světla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího dochází k lomu světla směrem ke kolmici vzhledem k rozhraní prostředí. Ze Snellova zákona také plyne, že pokud se světlo odráží zpět do původního prostředí, pak úhel odrazu je roven úhlu dopadu. ( 23. února / 53

100 Úplný odraz Sledujme nyní, se děje s paprskem, jestliže jej necháme dopadat z opticky hustšího prostředí na rozhraní s prostředím opticky řidším a měníme úhel dopadu. Obrázek: Rozhraní 2 optických prostředí - úplný odraz. ( 23. února / 53

101 Úplný odraz Při průchodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího dochází k lomu světla směrem od kolmice vzhledem k rozhraní prostředí. Můžeme tedy v prostředí s indexem lomu n 1 nalézt takový dopadový úhel ϕ 12, při kterém se paprsek v prostředí s indexem lomu n 2 < n 1 zalomí právě do rozhraní (červený paprsek). Úhel ϕ 22 je v tomto případě roven ϕ 22 = π/2. Pokud dále zvětšujeme dopadový úhel, ϕ 1, pak dochází k tzv. úplnému odrazu světla od rozhraní 2 optických prostředí. Úhel ϕ 21, při kterém ve druhém prostředí dochází k lomu právě pod úhlem π/2 nazýváme kritický (mezní) úhel a budeme značit ϕ c. ( 23. února / 53

102 Úplný odraz Ze Snellova zákona lze snadno ukázat, že pro mezní úhel platí ( π ) n 1 sin(ϕ c ) = n 2 sin } {{ 2 } 1 a tedy sin(ϕ c ) = n 2 n 1. Na principu úplného odrazu je založen přenos světla optickými vlákny. ( 23. února / 53

103 Optická vlákna Válcově symetrické struktury, ve kterých se světlo šíří pomocí úplného (totálního) vnitřního odrazu. To znamená, že se odráží od rozhraní optických prostředí jádra a pláště. Aby k tomu mohlo dojít, musí platit podmínka n 1 > n 2, tedy index lomu jádra je větší než index lomu pláště vlákna. Dále musí světlo na rozhraní jádra a pláště dopadat vzhledem ke kolmici k rozhraní pod úhlem větším, než je úhel kritický ϕ c. ( 23. února / 53

104 Kritický úhel Pro kritický úhel dopadu na rozhraní jádra a pláště: ( π ) n 1 sin(ϕ c ) = n 2 sin } {{ 2 } 1 sin(ϕ c ) = n 2 n 1 ( 23. února / 53

105 Kritický úhel V jádře: Θ c = π 2 ϕ c. Pro kritický úhel navázání světla z vnějšího prostředí do jádra optického vlákna (příjmový úhel) platí ( π ) n 0 sin(α c ) = n 1 sin(θ c ) = n 1 sin 2 ϕ c = n 1 cos(ϕ c ). Víme, že tedy a sin 2 (x) + cos 2 (x) = 1, cos(ϕ c ) = 1 sin 2 (ϕ c ) n 0 sin(α c ) = n 1 1 sin 2 (ϕ c ). ( 23. února / 53

106 Kritický úhel Máme výše odvozeno tedy n 0 sin(α c ) = n 1 1 n2 2 n 2 1 sin(ϕ c ) = n 2 n 1, = n 1 n 2 1 n2 2 n 2 1 = n 2 1 n2 2. Úpravou dostaneme kde NA je numerická apertura sin(α c ) = 1 n1 2 n n2 2, 0 } {{ } NA NA = n 2 1 n2 2. ( 23. února / 53

107 Kritický úhel Je-li vnější prostředí vakuum (n = 1) nebo vzduch (n = ) sin(α c ) = NA. Pro úhly menší než α = 5, tedy α = 0.08 [rad] platí přibližně α c = NA. ( 23. února / 53

108 Módová disperze Jestliže se vláknem šíří více módů (paprsků) taková vlákna nazýváme mnohomódovými (MM Multi Mode) pak každý paprsek se šíří jinou drahou, což při shodné rychlosti šíření vede k různým dobám průchodu světla optickým vláknem. Pokud do vlákna kontinuálně svítíme, tento efekt nám nevadí. Avšak při vysílání krátkých optických impulzů do vlákna (přenos dat) dochází k tomu, že každý paprsek, který nese část výkonu daného pulzu, opustí vlákno v jiném čase. Dochází k roztahování pulzů v čase. Tento jev se nazývá módová disperze. ( 23. února / 53

109 Módová disperze ( 23. února / 53

110 Módová disperze Čas, potřebný k překonání délky vlákna v jeho ose je dán t 1 = l v = n 1l c Čas, který potřebuje na překonání délky optického vlákna paprsek, šířící se pod kritickým úhlem je t 2 = l cos(θ c) v = n 1 l c cos(θ c ) = n2 1 l cn 2 Módovou disperzi potom charakterizuje rozdíl jednotlivých časů δt SI = t 2 t 1 = n 1l c n1 n 2 n 2 = n 1 l, kde je tzv. poměrný (relativní) rozdíl indexů lomu jádra a pláště = n 1 n 2 n 1 +n 2 2 n 1 n 2 n 1 n 1 n 2 n 2 ( 23. února / 53

111 Módová disperze Jelikož platí NA = n 1 2 můžeme pro disperzi na jednotkové délce vlákna (1 km) psát δt SI l NA2 2n 1 c. Pro stanovení maximální přenosové rychlosti, kterou můžeme na takovéto trase provozovat je důležitý součinitel přenosové rychlosti BR l = l δt ( 23. února / 53

112 Módová disperze Minimalizovat, resp. odstranit vliv módové disperze je možné použitím vláken s gradientním profilem indexu lomu, resp. použitím jednomódových vláken. Vlákna s gradientním profilem indexu lomu nemají konstantní index lomu jádra. Tento klesá se vzdáleností od osy vlákna. Paprsek, který se šíří osou vlákna, se tedy šíří materiálem, jehož index lomu je nejvyšší, šíří se tedy nejpomaleji. Paprsky kosé, které se šíří mimo osu vlákna, se šíří materiálem s nižším indexem lomu, tudíž rychleji. Tímto způsobem se redukuje roztažení impulzů v čase na δt GI l n 1 2 8c l NA4 32n 3 1 c ( 23. února / 53

113 Vlnová délka Pokud bychom chtěli vytvořit vlákno striktně jednomódové, tedy takové, které by nedovolovalo šíření více módů, nevystačíme s paprskovou optikou. Musíme přejít k popisu světla jako elektromagnetického vlnění. Vlnová délka λ je vzdálenost, kterou světlo urazí ve vakuu během 1 periody T = 1/f. λ = c T = c f [m]. ( 23. února / 53

114 Jednotlivé módy Ve vlákně se nemůže šířit libovolný počet módů. Světlo musí splňovat podmínky, dané Maxwellovými rovnicemi na rozhraní jádra a pláště. (Např. část řešení, připadající plášti se musí blížit 0 s narůstající vzdáleností od osy vlákna.) Zjednodušeně lze říci, že světlo ve vlákně tvoří stojatou vlnu. ( 23. února / 53

115 Normalizovaná frekvence Zavedeme pojem normalizovaná frekvence V (někdy v anglické literatuře V -number). Jde o bezrozměrný parametr, který dává do souvislosti geometrické vlastnosti jádra vlákna (průměr jádra d), materiálové vlastnosti vlákna (numerickou aperturu NA) a vlnovou délku použitého světla λ, tedy V = π d NA λ ( 23. února / 53

116 Normalizovaná frekvence, počet módů ( 23. února / 53

117 Normalizovaná frekvence, počet módů Počet módů, vedených v mnohomódovém vlákně je indexu lomu (SI Step Index) pro malá V N = 4V 2 π 2 + 2, pro velké hodnoty V N = V 2 2. ( 23. února / 53

118 Normalizovaná frekvence, počet módů V případě vláken s gradientním průběhem indexu lomu v jádře (GI Graded Index), který je popsán n(r) = n ( 2r d )α kde α udává průběh změny indexu lomu v jádře, je počet módů dán N = kde a je poloměr jádra vlákna a α α + 2 (akn 1) 2, je vlnové číslo. k = 2π λ ( 23. února / 53

119 Normalizovaná frekvence, počet módů Pro jednomódové vlákno (SM Single Mode) musí (z řešení Maxwellových rovnic) platit V V = π d NA λ To můžeme zajistit v podstatě třemi parametry: zmenšením průměru jádra vlákna d, snížením numerické apertury NA, použitím vyšší vlnové délky λ. ( 23. února / 53

120 Normalizovaná frekvence, počet módů Průměr jádra nemůžeme ale zmenšovat libovolně. Musí stále platit, že průměr jádra je výrazně větší než délka vlny použitého světla. Dále jsme omezeni technickými možnostmi při výrobě vlákna. Zmenšení hodnoty numerické apertury je možné docílit tím, že k sobě přiblížíme hodnoty indexů lomu jádra a pláště. To má ale za následek větší pronikání světla z jádra do pláště. Světlo v plášti je pak výrazně citlivější na vyvázání z vlákna. Vlnovou délku také nemůžeme zvyšovat libovolně vzhledem k útlumu vlákna, způsobenému absorpcí v infračervené oblasti. Musíme tedy hledat optimální hodnoty jednotlivých parametrů tak, abychom docílili potřebných vlastností vlákna. Obvykle používaná hodnota průměru jádra vlákna u jednomódových vláken je d = 8 9 µm při vlnové délce λ = 1310 nm a λ = 1550 nm. ( 23. února / 53

121 Disperze v jednomódových vláknech Pokud zajistíme jednomódový režim optického vlákna, zbavíme se problémů způsobených módovou disperzí. Při vyšších přenosových rychlostech se začínají objevovat další disperzní jevy, souhrnně označované jako chromatická dizperze. Ty jsou způsobeny spektrální závislostí indexu lomu materiálu. Index lomu tedy není konstannta, ale mění se s vlnovou délkou použitého světla. Tuto závislost lze aproximovat několika způsoby, obvykle se používají Sellmeierovy vztahy nebo aproximace Laurentovou řadou. ( 23. února / 53

122 Sellmeierovy vztahy Sellmeierovy vztahy obsahují 6 konstant, které lze pro patřičný materiál zjistit z tabulek, n 2 = 1 + B 1λ 2 λ 2 + B 2λ 2 C 1 λ 2 + B 3λ 2 C 2 λ 2 C 3 Někdy se používá pro Sellmeierovy relace tvar n 2 = A + B 1λ 2 λ 2 C 1 + B 2λ 2 λ 2 C 2 Je třeba dávat vždy pozor, v jakých jednotkách se dosazuje vlnová délka λ, mnohdy to nebývají základní jednotky (metry), ale jednotky jiné (µmetry). ( 23. února / 53

123 Aproximace Laurentovou řadou Laurentova řada, aproximující průběh závislosti indexu lomu na vlnové délce má tvar n 2 = A 0 + A 1 λ 2 + A 2 λ 2 + A 3 λ 4 + A 4 λ 6 + A 5 λ 8 Je třeba dávat vždy pozor, v jakých jednotkách se dosazuje vlnová délka λ, mnohdy to nebývají základní jednotky (metry), ale jednotky jiné (µmetry). ( 23. února / 53

124 Zdroje pro optické komunikace Obecně se ve vláknových komunikacích používají 2 typy zdrojů světla diody LED a LASERové. Tyto 2 zdroje se liší zejména spektrem generovaného světla, což je dáno použitými fyzikálními principy. LASER je založen na principu stimulované emise záření. Produkuje světlo monochromatické, koherentní a kolimované. Nezbytnými podmínkami LASERové činnosti jsou rezonátor s aktivním prostředím, čerpání a inverze populace. LED jsou založeny na principu spontánní emise světla v PN přechodu. Všechny polovodičové zdroje světla se zapojují v propustném směru. ( 23. února / 53

125 Zdroje pro optické komunikace ( 23. února / 53

126 Chromatická disperze Chromatická disperze se skládá z disperze materiálové, vlnovodné, profilové. ( 23. února / 53

127 Chromatická disperze ( 23. února / 53

128 Chromatická disperze ( 23. února / 53

129 Útlum v optických vláknech Může být způsoben např. rozptylem Rayleighovým, Mieovým, absorpcemi ultrafialovou, infračervenou, na OH iontech. ohybem, makroohybem mikroohybem ( ) Pin A = 10 log P out [db]. ( 23. února / 53

130 Útlum v optických vláknech ( 23. února / 53

131 Měření útlumu v optických vláknech K měření útlumu se běžně používá velice jednoduchá metoda, tzv. metoda přímá. Ta spočívá v připojení zdroje světla k optické trase a změření výstupního výkonu P out, dále ve změření výstupního výkonu zdroje P in a výpočtu útlumu trasy. Uvedená metoda je označována jako 1c. ( 23. února / 53

132 Měření útlumu v optických vláknech K měření útlumu se běžně používá velice jednoduchá metoda, tzv. metoda přímá. Ta spočívá v připojení zdroje světla k optické trase a změření výstupního výkonu P out, dále ve změření výstupního výkonu zdroje P in a výpočtu útlumu trasy. Uvedená metoda je označována jako 1c. ( 23. února / 53

133 Měření útlumu v optických vláknech Při měření profilu útlumu optické trasy využíváme reflektometrickou metodu, tzv. OTDR Optical Time Domain Reflectometry. ( 23. února / 53

134 Systémy vlnových multiplexů WDM CWDM řídké multiplexy Coarse WDM, DWDM husté multiplexy Dense WDM. ( 23. února / 53

135 Konéééc! Děkuji za pozornost! ( 23. února / 53

136 4. Bezdrátové sítě Rozdělení frekvenčního spektra, radiokomunikační řetězec, přehled systémů využívající rádiový kanál. Ing. Libor Michalek, Ph.D

137 Základní informace Obsah přednášky : historický vývoj rádiové komunikace legislativa a rozdělení kmitočtového spektra radiokomunikační rovnice radiokomunikační řetězec kapacita RF kanálu typické bezdrátové datové systémy Úvod do komunikačních sítí 2

138 Historie rádiové komunikace 1873 J.C. Maxwell základy teorie el.mag. pole 1887 H.Hertz první jiskrový Tx/Rx 1896 N.Tesla dálkově ovládaná loď 1897 A.Popov první hlasový přenos 1901 G.Marconni bezdrátový přenos přes Atlantik James Clerk Maxwell G.Marconni Úvod do komunikačních sítí 3

139 Správa kmitočtového spektra ITU (International Telecommunication Union) ITU-R (ITU-Radiocommunication Sector) SG3 (Study Group 3) - Propagation of radio waves ETSI (European Telecomunications Standards Institute) FCC (Federal Communications Commission) ČTÚ (Český telekomunikační úřad) Úvod do komunikačních sítí 4

140 základní dělení záření: Dělení kmitočtového spektra Rádiové 10 khz 300 GHz (mikrovlnné záření GHz). Infračervené (IČ) 300 GHz 400 THz. Viditelné 380 až 750 THz záření, na které je citlivé lidské oko. Ultrafialové (UV) až Hz záření o vysoké energii. Rentgenové (RTG) až Hz. Gama (γ) 2, až Hz radioaktivní a jaderné děje. Úvod do komunikačních sítí 5

141 Dělení kmitočtového spektra Rozdělení rádiových kmitočtových pásem ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF ULTRA SUPER VERY LOW LOW MEDIUM HIGH VERY HIGH HIGH HIGH FREQUENC FREQUENC FREQUENC FREQUENC FREQUENC FREQUENC FREQUENC Y Y Y Y Y Y Y EXTREMELY LOW FREQEUNC Y EXTREMLY HIGH FREQUENCY EXTRÉMNĚ DLOUHÉ VLNY (EDV) VELMI DLOUHÉ VLNY (VDV) DLOUHÉ VLNY (DV) STŘEDNÍ VLNY (SV) KRÁTKÉ VLNY (KV) VELMI KRÁTKÉ VLNY (VKV) ULTRA KRÁTKÉ VLNY (UKV) MIKROVLN Y MIKROVLNY mm 3 mhz 3kHz 3 30 khz khz 0,3 3 MHz 3 30 MHz MHz 0,3 3 GHz 3 30 GHz GHz km km 10 1 km 1 0,1 km m 10 1 m cm 10 1 cm 10 1 mm Úvod do komunikačních sítí 6

142 Radiokomunikační rovnice p p v v 0 m P G G P L L L db L 0 4 d 20log db; m, m P p je přijímací výkon [db] P v je vysílací výkon [db] G p je zisk přijímací antény [db] G v je zisk vysílací antény [db] L 0 jsou ztráty ve volném prostředí [db] L ϕ jsou ztráty nepřesným zaměřením antén [db] L m jsou modulační ztráty [db] λ je vlnová délka [m] d je vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem [m] Úvod do komunikačních sítí 7

143 Poměr signál/šum a chybovost Analogové systémy poměr signál/šum (SNR) SNR výkonová úroveň užitečného signálu výkonová úroveň šumu Digitální systémy chybovost BER BER počet chybně přijatýchbitů za1s počet všech přijatýchbitů za1s Úvod do komunikačních sítí 8

144 Radiokomunikační řetězec rádiový kanál šum AWGN Tx modulátor analogový kanál demodulátor Rx kanálový kodér digitální kanál kanálový dekodér zdrojový kodér AD/AD komprese zdrojový dekodér zdroj informace přeměna signálu koncový stupeň Úvod do komunikačních sítí 9

145 Radiokomunikační řetězec základní popis vysílací části: zdroj signálu: převod neelektrického signálu na elektrický (mikrofon, snímací elektronka, ccd snímač.) kodér zdroje: převod analogového signálu na digitální a jeho další úprava (Morseho abeceda) Úvod do komunikačních sítí 10

146 Radiokomunikační řetězec základní popis vysílací části: kanálový kodér: zabezpečující mechanizmy pro minimalizaci chyb vzniklých přenosem v rádiovém kanálu detekční pouze detekuje přítomnost chyby korekční detekuje a koriguje chyby konvoluční blokové cyklické turbokódy Úvod do komunikačních sítí 11

147 Radiokomunikační řetězec základní popis vysílací části: modulátor: příprava NF signálu na bezdrátový přenos RF modulace: analogové (AM, FM,PM) a digitální (ASK,PSK,FSK, QAM, OFDM) modulační signál - signál, který chceme modulovat na VF nosný f, VF nosný kmitočet - signál, který modulujeme modulačním signálem, modulovaný signál - výsledný RF signál po procesu modulace, Úvod do komunikačních sítí 12

148 Radiokomunikační řetězec základní popis vysílací části: rádiový kanál: prostředí mezi vysílací a přijímací anténou s definovanými vlastnostmi Úvod do komunikačních sítí 13

149 Radiokomunikační řetězec Základní popis přijímací části: demodulátor: provádí inverzní operaci modulátoru demoduluje přijatý signál do základního pásma, dekodér kanálu: opravuje chyby vzniklé přenosem rádiovým kanálem, zdrojový dekodér: obnovení signálu do původní podoby, koncový stupeň: D/A převodník + přeměna na neelektrickou veličinu (reproduktor) Úvod do komunikačních sítí 14

150 Kapacita kanálu teoretické maximum přenesené informace při nekonečně malé chybovosti BER: S C = B log bit / s; Hz, W, W N C 0 - kapacita kanálu; B - šířka rádiového pásma; S - výkon signálu (užitečného); N - výkon šumu; Úvod do komunikačních sítí 15

151 Příklad 1: Kapacita kanálu Jaká je kapacita DVB-T kanálu s B = 7,5 MHz pro S/N = 20dB? Můžeme tedy pro přenos informací takovýmto kanálem zvolit rychlost 20 Mbit/s (odpovídá cca 40% kapacity kanálu). Příklad 2: 20 S 6 10 C = B log 1 + = 7,5.10 log ,9 Mbit / s N Jaká je kapacita rozhlasového kanálu s B = 150 khz pro minimální S/N = 40dB? 40 S 3 10 C = B log 1 + = log 1+10 =1,99Mbit/ s N Úvod do komunikačních sítí 16

152 Systémy využívající rádiový kanál standard pásmo přenosová rychlost IEEE Bluetooth 2,4 GHz 1 Mb/s Bluetooth 1.2 2,4 GHz 2-3 Mb/s Bluetooth 2.0 2,4 GHz cca 8 Mb/s IEEE Zigbee 868 MHz a 2,4 GHz 250 kb/s HomeRF 2.0 2,4 GHz 10 Mb/s IEEE Wi-Fi 2,4 GHz 2 Mb/s IEEE b (Wi-Fi) 2,4 GHz 11 Mb/s IEEE g (Wi-Fi) 2,4 GHz 54 Mb/s IEEE a (Wi-Fi) 5 GHz 54 Mb/s IEEE n (Wi-Fi) 2,4 + 5 GHz 150 Mb/s IEEE ac (Wi-Fi) 2,4 + 5 GHz 1 Gb/s HiperLAN2 5 GHz (Evropa - ETSI) 54 Mb/s IEEE WiMAX 2-11 GHz; GHz 40 Mb/s (1 Gb/s m) Úvod do komunikačních sítí 17

153 Systémy využívající rádiový kanál Úvod do komunikačních sítí 18

154 IEEE WiFi ,4 GHz; 2 Mb/s b 2,4 GHz; 13ch (3 nepřekrývané); 11Mb/s g 2,4 GHz; 13ch; (3 nepřekrývané); 54Mb/s a 5 GHz; 18ch (8 nepřekrývaných); 54Mb/s n 2,4 i 5 GHz; 600Mb/s (technologie MIMO) ac 2,4 i 5 GHz; 1Gb/s (technologie MIMO) max. povolený vysílací výkon 100 mw (b/g), 200mW a 1W (a) kanál široký 22 MHz, odstup sousedních 5MHz sousední kanály se překrývají Úvod do komunikačních sítí 19

155 překryv kanálů b/g IEEE WiFi Úvod do komunikačních sítí 20

156 IEEE WiFi Úvod do komunikačních sítí 21

157 Koncová zařízení IEEE WiFi Úvod do komunikačních sítí 22

158 Bluetooth Bluetooth je rádiová technologie spadající do kategorie PAN sítí (Personal Area Network). Používá se na propojení mezi dvěma a více zařízeními jako je např. počítač a mobilní telefon, PDA, náhlavní souprava. Základní vlastnosti: Pracovní kmitočet: 2,4 GHz ( MHz) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) princip spočívá v skákání mezi několika frekvencemi při přenosu bitů. Během 1s se provede 1600 skoků mezi 79 frekvencemi s rozestupem 1 MHz. Zařízení se dělí dle výkonnosti následujícím způsobem: Class 1. dosah 100 metrů;class 2. dosah 10 metrů; Class 3. dosah 1 metr Bluetooth 1.2-1Mb/s; Bluetooth EDR - 3Mb/s; Bluetooth HS - 24Mb/s; Bluetooth Mb/s Úvod do komunikačních sítí 23

159 Koncová zařízení Bluetooth Úvod do komunikačních sítí 24

160 Zigbee Technologe sítí PAN (sítě malých vzdáleností ) Základní vlastnosti Zigbee: Pracovní kmitočet: 868 MHz, MHz a 2,4 GHz. Přenosová rychlost: 20, 40, 250 kbit/s. Velmi nízká energetická náročnost. Dosah 10-50m. Sítě stromové (hvězdicové) topologie s centrálním koordinátorem nebo typu mesh (propojení všech klientů navzájem). Primárním účelem této technologie je nasazení v průmyslu, lékařství v rámci senzorových spojů. Úvod do komunikačních sítí 25

161 Koncová zařízení Zigbee Úvod do komunikačních sítí 26

162 WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) velké ambice nahradit stávající technologie WiFi d-2004 je označován jako fixní WiMAX, e-2005 jako mobilní WiMAX. Základní vlastnosti WiMAX: Přenosové rychlosti 34 Mbit/s až 1 Gbit/s (reálně 70 Mb/s na vzdálenost 50 km). Pracovní frekvence (přímá viditelnost: GHz; nepřímá 2-11 GHz) Bezlicenční pásma i licencovaná pásma: 2,3 GHz, 2,5 GHz a 3,5 GHz Dosah technologie: km!! Přenosy na základě technologie MIMO (Multiple IN Multiple OUT) Šířka kanálu 1.25 MHz, 5 MHz, 10 MHz nebo 20 MHz. Úvod do komunikačních sítí 27

163 Zařízení WiMAX Úvod do komunikačních sítí 28

164 Pokrytí WiMAX v ČR (síť České radiokomunikace) Úvod do komunikačních sítí 29

165 Předměty vyučované na Katedře telekomunikační techniky se zaměřením na rádiové technologie Radiokomunikační technika I, II Předměty nabízí studentům možnost seznámit se se základními bloky radiokomunikačního řetězce a principy šíření rádiového signálu. Dále mají možnost poznat metody a prostředky moderní digitální radiové komunikace, přičemž např. využívají moderních systémů sw rádia (např. systém NI USRP), provádějí detailní analýzu jednotlivých přenosových bloků a prakticky sestavují jednoduché rádiové vysílače a přijímače. Rádiové sítě I, II Předměty nabízí studentům možnost seznámit se s rádiovými sítěmi a rádiovými systémy. Jsou detailně rozebrány témata jako sítě WLAN a WPAN, digitální televizní vysílání, družicové komunikační sítě, systémy družicové navigace, mobilní rádiové systémy GSM, UMTS a LTE. Úvod do komunikačních sítí 30

166 Děkuji za pozornost.

167 5. Mobilní technologie Ing. Libor Michalek, Ph.D

168 Základní koncepce a funkce radiokomunikačních systémů Způsoby přenosu simplexní přenos (simplex) poloduplexní přenos (poloduplex) plněduplexní přenos (duplex) kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex) časový duplex TDD (Time Division Duplex) Přístupové techniky FDMA (Frequency Division Multiple Access) mnohonásobný přístup s frekvenčním dělením TDMA (Time Division Multiple Access) mnohonásobný přístup s časovým dělením CDMA (Code Division Multiple Access) mnohonásobný přístup s kódovým dělením

169 Buňková plošná struktura Základní koncepce a funkce radiokomunikačních systémů makrobuňky poloměr až desítky km mikrobuňky do 1 km pikobuňky až několik desítek metrů Handover přepnutí spojení mezi MS a BTS během komunikace z jednoho rádiového kanálu na jiný

170 Mobilní sítě 1. generace analogové vzájemně neslučitelné radiotelefonní systémy (nemožnost mezinárodního roamingu) hovorová služba, omezené možnosti přenosu dat TACS (Total Access Communication System) Velká Británie C-NETZ (Funktelefonnetz-C) Německo RadioCom 2000, NMT-F Francie AMPS (Advanced Mobile Phone System) Amerika

171 Mobilní sítě 2. generace digitální radiotelefonní systémy hovorová služba, možnost přenosu dat Hlavní výhody: efektivnější využití přidělených kmitočtových pásem vyšší kvalita spojení vysoká úroveň zabezpečení proti různým formám zneužití menší rozměry, spotřeba a hmotnost mobilních radiostanic rozšíření sortimentu nabízených služeb zavedení mezinárodního roamingu kompatibilita s fixními sítěmi ISDN

172 Mobilní sítě 2. generace Evropa - globální systém pro mobilní komunikace GSM (Global System for Mobile Communication) Amerika - systém ADC (American Digital Cellular), označovaný také jako D- AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone System) nebo jako standart IS-54 (Interim Standart 54) v modernizované verzi potom IS-136 Japonsko - JDC (Japan Digital Cellular) podobný systému AMPS, PDC (Personal Digital Cellular) Amerika systém s kódovým mnohonásobným přístupem CDMA (rozprostřeným spektrem) nesoucí označení IS-95

173 Mobilní sítě 2. generace GSM (Global System for Mobile Communication) první evropská GSM síť byla spuštěna ve Finsku v roce 1991, GSM 900, GSM 1800, FDMA/TDMA, duplexní přenos, zabezpečení hovoru.

174 Mobilní sítě 2. generace Architektura GSM BSS (Base Station Subsystem) subsystém základnových stanic NSS (Network and Switching Subsystem) síťový a spínací (přepojovací) subsystém OSS (Operation Support Subsystem) operační podpůrný subsystém

175 Mobilní sítě 2,5 a 2,75 generace rozvoj a zdokonalení sítě GSM 2,5 generace HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) vysokorychlostní přenos dat s přepojováním okruhů max. teoretická přenosová rychlost 57,6 kbit/s GPRS (General Packet Radio Service) všeobecná paketová rádiová služba navýšení max. teoretické přenosové rychlosti na 171,2 kbit/s 2,75 generace EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) zdokonalení datových přenosů pro rozvoj GSM navýšení max. teoretické přenosové rychlosti na 384 kbit/s

176 Mobilní sítě 2,5 a 2,75 generace Architektura GPRS nové funkční bloky: GGSN (Gateway GPRS Support Node) podpůrný uzel přechodu (brány) GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node) podpůrný uzel GPRS

177

178 Mobilní sítě 3. generace Požadavky: celosvětový standard vylepšení mobilní sítě zpětná kompatibilita služby hlas, data, multimedia Názvosloví: 3G všeobecný název UMTS Evropa IMT-2000 (International Mobile Telephony 2000) - USA a Japonsko CDMA2000 (vývojem ze systému IS-95) USA, odlišnosti od předchozích dvou

179 Mobilní sítě 3. generace založeny na sítích 2. generace Evropa UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Plně digitální, duplexní, integrace stávajících služeb sítě GSM podpora pokročilých služeb se zaměřením na multimédia max. teoretická přenosová rychlost 2 Mbit/s CDMA definování nové přístupové části sítě UMTS FDD (UMTS - Frequency Division Duplex) frekvenčně dělený provoz v odchozím a příchozím směru nejužívanější způsob sítě UMTS UMTS-TDD (UMTS - Time Division Duplex) časově dělený provoz v odchozím a příchozím směru primární využití na poskytnutí datového spojení k Internetu

180 Mobilní sítě 3. generace Architektura UMTS nová rádiová přístupová síť UTRAN (UMTS Radio Access Network) zahrnuje systém rádiové sítě RNS (Radio Network System), každý RNS tvoří: řídící jednotka rádiové sítě RNC (Radio Network Controller) jedna či více základnových stanic (uzlů) NodeB

181

182 Mobilní sítě 3,5. generace postupný vývoj sítě k přenosu IP paketů od uživatele k cíli přes síť UMTS bez zbytečných překódování pozornost zaměřena na přístupovou síť UTRAN 3,5 generace HSPA (High Speed Packet Access): HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) vysokorychlostní paketový přístup ve směru downlink vyšší datová propustnost, redukce zpoždění max. teoretická přenosová rychlost 10 Mbit/s HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) vysokorychlostní paketový přístup ve směru uplink zvýšení kapacity a propustnosti, snížení zpoždění max. teoretická přenosová rychlost 5,74 Mbit/s

183 Mobilní sítě 3,9 generace HSPA+ (High Speed Packet Access+) - Evolved HSPA vylepšení původních systémů HSDPA a HSUPA max. teoretická přenosová rychlost ve směru uplink až 22 Mbit/s a ve směru dowlink až 56 Mbit/s Mezi tato vylepšení patří: použití techniky více vstupů, více výstupů MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) použití efektivnějších modulací vyšších řádů v obou směrech přenosu možnost implementace All-IP architektury

184

185

186 Mobilní sítě 4. generace LTE (Long Term Evolution) též někdy jako eutran (evolved UTRAN) - nový typ přístupové technologie pro mobilní rádiovou síť SAE (System Architecture Evolution) technologická studie 3GPP, která definuje EPC (Evolved Packet Core), což je Core Network pokud se zmiňuje LTE, mělo by být zmiňováno vždy jako LTE/EPC nebo eutran/epc EPS (Evolved Packet System) EPS = LTE + SAE + terminal

187 Architektura LTE/SAE jméno a příjmení 21

188 Hlavní rysy standardu LTE zlepšení výkonnosti pomocí použití OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ve směru downlink, čistě paketový systém založen na protokolu IP unifikace architektury, jednodušší architektura sítě, kdy jako jediný uzel přístupové sítě E- UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) figuruje základnová stanice enode B (evolved Node B) snížení počtu rozhraní, podpora proměnné šířky pásma, využití technologie MIMO, velmi nízké latence (krátké časy sestavení spojení a přenosových zpoždění), maximální přenosová rychlost datových kanálů je 86,4 Mbit/s ve směru uplink a 326,4 Mbit/s ve směru downlink, zpětná kompatibilita a spolupráce se sítěmi UMTS, GSM a CDMA2000.

189

190 LTE-A, LTE-B, LTE-C LTE-A sdružování nosných frekvencí, tzv. CA (Carrier Aggregation), sdružováním lze dosáhnout celkově až 100 MHz MIMO (až 8x8) LTE-B je připravovaná další verze standardu v rámci 3GPP Release 12 a Release 13. Cílem tohoto standardu je především vylepšení stávajících technik jako vícenásobné MIMO a dále zavedení techniky LTE-Hi (LTE Hotspot Improvements and small cells) a Multi-RAT Operations, což je koncept sloučení více technologií (např. LTE, UMTS, HSPA, EDGE,...) do jedné antény a jedné základnové stanice. LTE-C V rámci LTE-C se předpokládá až 800x lepší energetická účinnost a 1000x větší kapacita systému. Návrh toho standardu ještě nezačal, nicméně se předpokládá jeho uvolnění v roce 2020 jako 3GPP Release 14 a Release 15.

191 Předměty vyučované na Katedře telekomunikační techniky se zaměřením na rádiové technologie Radiokomunikační technika I, II Předměty nabízí studentům možnost seznámit se se základními bloky radiokomunikačního řetězce a principy šíření rádiového signálu. Dále mají možnost poznat metody a prostředky moderní digitální radiové komunikace, přičemž např. využívají moderních systémů sw rádia (např. systém NI USRP), provádějí detailní analýzu jednotlivých přenosových bloků a prakticky sestavují jednoduché rádiové vysílače a přijímače. Rádiové sítě I, II Předměty nabízí studentům možnost seznámit se s rádiovými sítěmi a rádiovými systémy. Jsou detailně rozebrány témata jako sítě WLAN a WPAN, digitální televizní vysílání, družicové komunikační sítě, systémy družicové navigace, mobilní rádiové systémy GSM, UMTS a LTE. 25

192 Děkuji za pozornost

193 6. Počítačové sítě Ing. Libor Michalek, Ph.D

194 Počítačové sítě - historie Stávající analogová telefonní síť nebyla vhodným prostředkem pro přenos dat mezi počítači, neboť byla navržena pro poskytování hovorových služeb a bylo třeba navrhnout nové řešení. První architekturou byl systém typu sálový počítač. Přenos dat mezi počítači se uskutečňoval prostřednictvím fyzického přenosu děrných štítků a později magnetických disků. První mikropočítače ZX Spectrum, Atari, Sharp, Commodore, aj. V 80. letech postupný rozvoj Internetu, vznik prvních poskytovatelů přístupu k Internetu prostřednictvím telefonní sítě (dial-up přístup). V 90. letech obrovský rozvoj Internetu. Počítačová síť je souhrnné označení pro technické prostředky, které realizují spojení a výměnu informací mezi počítači. Umožňují tedy uživatelům komunikaci podle určitých pravidel, za účelem sdílení využívání společných zdrojů nebo výměny zpráv.

195 Typy počítačových sítí LAN (Local Area Network) lokální počítačová síť pokrývá malé geografické území (např. domácnosti, malé firmy) propojení PC mezi sebou v rámci jedné nebo několika budov při použití optických rozvodů muže LAN pokrývat území i několika kilometrů přenosové rychlosti jsou vysoké, řádově Gb/s nejrozšířenější technologií je Ethernet, v minulosti byly používány např. ARCNET a Token Ring MAN (Metropolitan Area Network) metropolitní síť relativně vysoká přenosová rychlost dosah řádově desítky kilometrů WAN (Wide Area Network) sítě s nižší přenosovou rychlostí (až na vysokorychlostní optické páteřní sítě) dosah řádově stovky až tisíce kilometrů

196 Topologie LAN Topologie sběrnice používá se společné médium (koaxiální kabel), na které jsou napojeny všechny stanice kabel musí být na obou koncích ukončen zakončovacími členy s charakteristickou impedancí rovnou impedanci kabelu (většinou 50Ω) rozšíření topologie až na tenkém koaxiálním kabelu (10Base2) Obr.: Topologie sběrnice

197 Topologie hvězda ve hvězdicové topologii se používá centrální prvek - rozbočovač (hub) nebo přepínač (switch) signál ze stanice vždy putuje přes tento prvek k ostatním prvkům Obr.: Topologie hvězda

198 Topologie kruh jednotlivé stanice jsou spolu propojeny tak, aby vytvářely souvislý kruh zprávy jsou v této síti předávány postupně od stanice ke stanici neexistují žádné zakončené konce Obr.: Topologie kruh

199 Přenosová média LAN sítí Koaxiální kabel nízké pořizovací náklady odolné vůči elektromagnetickému rušení snadné připojení další stanice přes konektor typu T zastaralé, nízká přenosová rychlost Obr.: Koaxiální kabel (zleva 10Base5, 10Base2), konektor typu T pro připojení stanice, spojka, zakončovací odpor

200 Kroucená dvojlinka (twisted pair) 8 žil kabelů zkroucených po párech, jednotlivé páry rovněž mezi sebou zkrouceny důvod: omezení přeslechů (rušení) mezi jednotlivými žilami, resp. páry různé kategorie (cat 5, cat 5e, cat 6, cat 7) až do 10 Gb/s nejčastěji používané Obr.: Kroucená dvojlinka (twisted pair)

201 Optické vlákno optická vlákna jsou tvořena dvěma vrstvami skla jeden typ skla je použit pro jádro vlákna a jiný typ skla pro obal vlákna v jádře vlákna je veden optický paprsek, který se postupně odráží od rozhraní mezi dvěma druhy skla optické vlákno je vždy simplexní spoj, tj. na jedné straně je vysílač a na druhé straně přijímač Obr.: Optické vlákno a optické konektory

202 Bezdrátová vedení není zapotřebí kabeláž možnost rychlé instalace systému a možnost mobility koncových uživatelů, nejběžněji WLAN (WiFi) s frekvencí 2,4 a 5 GHz Obr.: Bezdrátové vedení

203 Propojovací prvky Rozbočovač (hub) prvek pracující na fyzické úrovni jeho hlavním úkolem je obnova (regenerace) signál přijatý na jednom portu je regenerován a odeslán na všechny ostatní porty Přepínač (switch) prvek pracující na linkové úrovni jeho hlavní funkcí je přepínání rámců na základě informací uložených v přepínací tabulce, která obsahuje vazbu mezi hardwarovou (fyzickou, MAC) adresou a odpovídajícím portem, kam je stanice připojena až 40 Gb/s

204 Směrovač (router) prvek zahrnující vrstvu fyzickou, linkovou a síťovou jeho hlavním úkolem je směrování paketů jednotlivými sítěmi ležícími na cestě mezi zdrojovou a cílovou sítí pracuje podle určitého směrovacího mechanizmu (tzv. směrového protokolu) Obr.: Hub, switch, router

205 Ethernet nejpoužívanější typ lokálních počítačových sítí vznik v roce 1973 dnes se odhaduje, že více než 80 % sítí LAN je vybudováno na tomto typu sítě v současnosti se Ethernet (ve verzi gigabitového a deseti-gigabitového Ethernetu) uplatňuje i na poli metropolitních sítí je standardizován skupinou standardů IEEE v současné době se používá zejména verze Ethernetu, která pracuje s kroucenou dvojlinkou a přenosovou rychlostí 100 Mb/s nebo 1000 Mb/s

206 Typy Ethernetů (výčet) 10Base5 10Base2 10Base-T 100Base-TX 1000Base-T 1000Base-SX 1000Base-LX 100GBase 1Tb/s Ethernet

207 Protokoly TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet celosvětová síť Internet je v současnosti založena protokolové sadě TCP/IP síťová komunikace je rozdělena do tzv. vrstev, které znázorňují hierarchii činností výměna informací mezi vrstvami je přesně definována každá vrstva využívá služeb vrstvy nižší a poskytuje své služby vrstvě vyšší komunikace mezi stejnými vrstvami dvou různých systémů je řízena komunikačním protokolem za použití spojení vytvořeného sousední nižší vrstvou architektura umožňuje výměnu protokolů jedné vrstvy bez dopadu na ostatní- příkladem může být možnost komunikace po různých fyzických médiích - Ethernet, optické vlákno, sériová linka.

208 Architektura TCP/IP ve vztahu k RM OSI je členěna do čtyř vrstev aplikační vrstva (application layer) transportní vrstva (transport layer) síťová vrstva (network layer) vrstva síťového přístupu (network access) Obr.: Architektura TCP/IP

209 Vrstva síťového rozhraní nejnižší vrstva umožňuje přístup k fyzickému přenosovému médiu. je specifická pro každou síť v závislosti na její implementaci, např. Ethernet Síťová vrstva vrstva zajišťuje především síťovou adresaci, směrování a předávání datagramů od hostitele A k hostiteli B vrstva je implementována ve všech prvcích sítě směrovačích (router) i koncových zařízení Obr.: Předávání datagramů

210 Transportní vrstva realizuje a zajišťuje komunikaci koncových uzlů. s entitami aplikační vrstvy komunikuje přes přístupové body, tzv. porty. Nabízí 2 služby z hlediska spojení: spojově orientovanou protokol TCP (Transmission Control Protocol) nespojově orientovanou protokol UDP (User Datagram Protocol) Aplikační vrstva Obsahuje protokoly nejčastěji používaných služeb, např. HTTP (Hypertext Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol).

211 Obr.: Zapouzdření dat v TCP/IP

212 Obr.: Architektura TCP/IP při procesu směrování

213 Adresování v IP sítích Sada protokolů TCP/IP používá pro adresování konkrétního procesu v síti 2 čísla, která jsou umístěna v protokolech různých vrstev: IP adresa je adresa síťového rozhraní, ve verzi IPv4 je 32-bitová. Port je přístupový bod na rozhraní transportní vrstva - aplikační vrstva. IP adresa se skládá ze 2 částí: adresa sítě adresa hosta Obr.: Struktura IP adresy

214 směrovače, které se nacházejí v cestě Internetu, využívají pro směrování pouze adresu sítě. až směrovač v cílové síti se rozhoduje podle druhé části adresy. IP adresa se zapisuje pomocí 4 dekadických čísel oddělených tečkami, např IP adresa musí být v rámci celého Internetu jedinečná, pro koordinaci přidělování IP adres existuje struktura autorit (správců), která zajišťuje jejich jedinečnost: RIPE správce Evropského adresního prostoru, ARIN správce adresního prostoru pro Severní a Jižní Ameriku, AfriNIC správce adresního prostoru pro Afriku, APNIC správce adresního prostoru pro Asii a Austrálii, LACNIC - správce adresního prostoru pro Latinskou Ameriku.

215 podle velikosti síťové části a části hosta se IP adresa rozděluje do 5 tříd označených písmeny: třída A, B,C, D, E rozdělení IP adresy na 2 části je dost hrubé (např. nějaká organizace by mohla vlastnit až 16 miliónů IP adres z třídy A = plýtvání), proto byly zavedeny tzv. podsítě, kde je adresa síťového rozhraní rozdělena na 2 části: na adresu podsítě, na adresu hosta. maska podsítě definuje, jak velkou část která položka zabírá. maska se skládá ze souvislých posloupností jedniček a nul, kdy logickým součinem této masky s danou IP adresou získáme adresu podsítě část sítě daná maskou se nazývá subnet

216 Obr.: Princip podsítí

217 IPv6 délka adresy byla stanovena na 128 bitů = 3, masivní nasazení IPv6 se zatím nekoná, i když některé organizace ve svých LAN IPv6 podporují začalo se používat se beztřídní adresování CIDR (Classless Inter- Domain Routing), zpřísnila se kritéria pro přidělování adres a byly zavedeny mechanismy pro překlad adres NAT (Network Address Translation). Tyto mechanismy stále drží rozsah IPv4 jako dostačující

218 Protokol DNS pro každou IP adresu máme zavedeno jméno síťového rozhraní (počítače), přesněji řečeno doménové jméno toto doménové jméno můžeme používat ve všech příkazech, kde je možné použít IP adresu. vazba mezi jménem počítače a IP adresou je definována v DNS databázi. DNS (Domain Name System) je celosvětově distribuovaná databáze. jednotlivé části této databáze jsou umístěny na tzv. name serverech. Protokol DHCP DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) je aplikační protokol z rodiny TCP/IP používá se pro automatické přidělování IP adres koncovým stanicím v síti

219 Doporučená literatura: DOSTÁLEK, Libor; KABELOVÁ, Alena. Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. Brno : Computer Press, s. ISBN NOVOTNÝ, Vít. Atchitektura sítí. Brno : VUT Brno, s. PUŽMANOVÁ, Rita. TCP/IP v kostce. 2. vydání. Praha : BEN, s. ISBN TANENBAUM, Andrew. Computer Networks. 4 edition. England : Prentice Hall, s. ISBN

220 7. Přístupové sítě Ing. Libor Michalek, Ph.D

221 Přístupové sítě část komunikační sítě, která bezprostředně spojí zákazníka s poskytovatelem služby (např. Internetu) možno vybudovat za použití bezdrátové technologie, metalického symetrického i nesymetrického vedení či optických vláken lze snadno rozdělit do dvou samostatných skupin: Point to Point Telekomunikační spojení založené na oboustranné komunikaci dvou zařízení po jednom nesdíleném komunikačním médiu. Uživatel získává vyhrazenou přenosovou kapacitu s garantovanými parametry, neboť přenosová kapacita není sdílena dalšími účastníky.

222 Point to Multipoint Telekomunikační spojení založené na komunikaci jednoho centrálního prvku umístěného na straně poskytovatele služeb a více než jednoho zařízení umístěného na straně koncového uživatele. Komunikace probíhá po jednom sdíleném komunikačním médiu. např. bezdrátové sítě, xdsl, popř. optické sítě typu PON (Passive Optical Network).

223 Mezi přístupové sítě můžeme řadit: ISDN přípojky - základní a primární přístup Širokopásmový přístup B-ISDN (ATM) xdsl Sítě kabelové televize CATV (DOCSIS) Energetické rozvody a systémy PLC Optické sítě PON Optické směrové spoje Mobilní přístup prostřednictvím GSM, UMTS, LTE Satelitní spoje a sítě

224 xdsl xdsl (Digital Subscriber Line) je digitální účastnická přípojka, kde písmeno x zastupuje jednotlivé varianty (např. A, H, V a jiné.) přípojky xdsl využívají stávající metalické symetrické páry, které jsou instalovány v posledním úseku telekomunikační sítě - přístupové sítě tento úsek, mezi koncovým účastníkem a nejbližším bodem poskytovatele připojení se označuje jako tzv. poslední míle (Last Mile).

225 ADSL Assymetric DSL - asymetrická digitální účastnická přípojka odlišné velikosti dosahovaných přenosových rychlostí downstream vyšší přenosová rychlost upstream nižší přenosová rychlost přípojka ADSL musí být schopna pracovat současně s další službou na jednom symetrickém páru vedení ADSL je možno používat na vyšších kmitočtových pásmech oddělení frekvenčních pásem pomocí filtru splitter na straně zákazníka je nutno mít tzv. ADSL modem Obr.: Splitter, ADSL modem

226 modem na straně poskytovatele je nejčastěji součástí účastnického multiplexoru DSLAM (DSL Access Multiplexor) Obr.: Architektura systému ADSL

227 Obr.: Schéma zapojení ADSL přípojky

228 pro vytvoření dvou nezávislých kanálů se v modemech ADSL používá frekvenční dělení FDD (Frequency Division Duplex) dopředný kanál směrem od účastníka k DSLAM (uplink) je obvykle umístěn přímo nad hovorovým pásmem POTS (Plain Old Telephone Service) zpětný kanál (downlink) s velkou přenosovou rychlostí se nachází v pásmu vyšších kmitočtů Obr. : Princip frekvenčního dělení u ADSL

229 přípojka ADSL druhé generace ADSL2 může adaptivně měnit přenosovou rychlost na základě aktuálního stavu přenosového prostředí (např. při měnící se útlumové charakteristice vedení). možná přenosová rychlost až 12 Mb/s pro downlink a 1 Mb/s pro uplink standard byl přijat v r

230 ADSL2+ rozšíření pásma až do 2208 MHz downlink až 24 Mb/s s narůstající délkou účastnického vedení klesá dostupná přenosová rychlost Obr. : Princip frekvenčního dělení u ADSL2+

231 VDSL, VDSL2 VDSL (Very High Speed DSL) stejná filozofie jako ADSL podstatné rozšíření kmitočtového pásma = vyšší přenosové rychlosti do 300m je možná teoretická přenosová rychlost až 55 Mb/s. VDSL2 rozšířením kmitočtového pásma do 30 MHz 200 Mbit/s pro vzdálenosti pár desítek až stovek metrů a při nasazení jediné technologie v kabelu

232 Přístupové sítě po kabelovém rozvodu (DOCSIS) DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) je další technologie v oblasti přístupových sítí používaná jako last-mile DOCSIS specifikuje pravidla pro přenos dat přes stávající kabelové koaxiální rozvody určené původně jen pro kabelovou televizi (CATV) na fyzické vrstvě je použit frekvenční duplex (FDD), kde je namísto některých standardních TV kanálů nasazen DOCSIS používá se frekvenční pásmo 5-42 MHz pro upstream a MHz pro downstream EuroDOCSIS veze 3.0 umožňuje až 300 Mb/s ve směru downstream. Obr.: DOCSIS modem

233 Pasivní optické přístupové sítě v současné době se stále častěji diskutují optické přístupové přípojky označované jako FTTx (Fibre to the X) optická část přípojek je založena na některé z variant pasivních optických přístupových sítí (PON) nejčastěji na variantě GPON (Gigabit Passive Optical Network) EPON (Ethernet Passive Optical Network) (D)WDM-PON (Dense Wavelength Division Multiplexed - Passive Optical Networks)

234 GPON a EPON obě varianty těchto optických přístupových sítí nabízejí podobné přenosové vlastnosti vzájemně nekompatibilní základní koncepce vychází ze stejného modelu a rovněž z použití obdobných prvků a principů hlavní charakteristiky GPON jsou shodné i pro variantu EPON Základní prvky pasivní optické jsou: Optická distribuční síť ODN optická vlákna, pasivní optické rozbočovače,... Optické linkové zakončení OLT Je optické zařízení zakončující optickou distribuční síť na straně poskytovatele připojení. Optická síťová jednotka ONU Koncové zařízení na zákaznické straně optické sítě.

235 Obr. Pasivní optická síť

236 WDM-PON další generace optických přístupových sítí přenos pomocí vlnového multiplexování WDM (Wavelength Division Multiplex), popř. DWDM tyto sítě se označují jako WDM-PON umožňují paralelně přenášet po jednom optickém vlákně několik navzájem oddělených vlnových délek znásobení celkové kapacity vlákna

237 Obr.: Architektura WDM-PON

238 FTTx specifikují bod, ve kterém bude ukončena optická síť a odkud již bude pokračovat navazující metalická varianta k zákazníkovi FTTH (Fiber to the Home) jedná se o řešení optiky do domu s ukončením na vnější zdi domu FTTB (Fiber to the Building) optika je přivedena na hranici budovy např. do suterénu, finální připojení je řešeno jinou technologií FTTC, FTTCab (Fiber to the Cabinet, Fiber to the Curb) vlákno je ukončeno v šachtě na ulici obvykle do 300m od objektu zákazníka, finální připojení je řešeno kroucenou dvojlinkou FTTN (Fiber to the node) obdobné řešení jako FTTC, šachta může být umístěna až kilometr daleko

239 Obr.: Přehled FTTx sítí

240 telekomunikační optická vlákna, která se v sítích FTTx používají, mají šířku pásma několik desítek Terabitů/s představuje to více než x větší přenosovou kapacitu než má metalická přípojka 1 Gbit/s. optické vlákno položené v přístupové síti představuje skutečně širokopásmové médium s dostatečnou rezervou kapacity do budoucna

241 Budoucí trendy v přístupových sítích Budoucí rozvoj přístupových sítí lze jednoduše shrnout do několika bodů: snižování počtu telefonních a ISDN přípojek, přechod na xdsl (VDSL2), rozšiřováni LTE, rozvoj WLAN (IEEE n, ac) přibližování k teoretické informační propustnosti (modulace, korekce, kódování, zabezpečení, prokládání), rozvoj optických sítí, stálý pokles významu ATM, rozvoj Ethernetu (1Gb/s, 10 Gb/s, 40Gb/s), rozvoj multimédií (kombinace audio/data/video Triple Play), velký rozvoj metropolitních optických sítí.

242 Doporučená literatura: ŠIMÁK, Boris; VODRÁŽKA, Jiří; SVOBODA, Jaroslav. Digitální účastnické přípojky xdsl : 1.díl. Praha : Sdělovací technika, s. ISBN X. VODRÁŽKA, Jiří; ŠIMÁK, Boris. Digitální účastnické přípojky xdsl : 2.díl. Praha : Sdělovací technika, s. ISBN VODRÁŽKA, Jiří; LAFATA, Pavel. Pasivní optická síť GPON. Access Server LAFATA, Pavel. Pasivní optické sítě WDM-PON. Access Server KREJČÍ, Jaroslav, LAFATA, Pavel. Současné a budoucí možnosti řešení přístupové sítě pro IPTV. Elektrorevue, BROUČEK, Jan. FTTx - technologie pro poslední míli. Netguru IEEE: IEEE Standard 802.3ah-2004, Ethernet in the First Mile ITU-T G (01/2005). Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON). ITU-T G (03/2008). Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics

243 Děkuji za pozornost

244 Switching Systems Course: Introduction into Communication Systems Lecture No. 8 Miroslav Vozňák miroslav.voznak@vsb.cz

245 Outline History and evolution Telephone and its basic schema Generation of switching systems Strowger switch, Crossbar and SPC Clos non-blocking structure, Lee s method Time switch and Softswitch Fundamentals of queuing theory

246 History and Evolution instead teleph. exchange we use expression Communication System/Server nowadays modern telephony is result more than 100 years of evolution differences between narrow-band, wideband and ultra-band telephony amazing story about telephone invention, actors: A.G. Bell, E. Gray and A. Meucci

247 Telephone and its scheme analog phone, AUT headset, antiside-tone, ringing circ., dial circ. power supply, ringing signal and guard tones

248 Telephone and its scheme previous components are replaced, the same gadget with the same main function many supplementary services, CLIP, Rediall...

249 Telephone and its scheme and even WiFi phone, next slide: home-made or built-up from components available in e-shops and powered by Asterisk

250

251 Generations of switching systems 1876, Bell gained unbelievable publicity at exposition in Philadelphia 1878, the first teleph. exchange in Connecticut, with manual switching in switchboard

252 Generations of switching systems 1891, grave digger A. Strowger inveted electromechanical step-by-step switch, Strowger switch, included in 1 st generation

253 Generations of switching systems crossbar switch, basic element in 2 nd gen. NxN points, complexity, space switching

254 Generations of switching systems SPC, Stored-program Control CPU, digital control but with space switching

255 Generations of switching systems Blocking in Switching Matrix, issue of complexity in switching matrix, usually 3- stages, N inputs, N/n elements in 1 st and in 3 rd stages, k elements in 2 nd stage, crosspoints C(n)

256 Generations of switching systems Clos non-blocking condition crosspoints from previous slide and expressed with Clos condition min. complexity, derivative is zero then for n >> 1 for C(min) simplified

257 Generations of switching systems Example for 512 inputs, non-blocking switch then N/n elements 512/16=32 32 elements in 1 st stage Every element will be equipped with 16 inputs Clos condition says: k=2*16-1 there must be 31 elements in 2 nd stage and C=63488 crosspoints

258 Generations of switching systems Lee's method of design switch with blocking probability in real-life we use design with negligeable blocking, it is due to economical reasons p... prob. of seizure of inputs of strucure p... and prob. of seizure inside

259 Generations of switching systems analogicaly for free lines we express probability as q=1-p and q'=1-p q x q is probability of free then blocking then p = 1-q 2 and for whole switch blocking is expressed as for concetration/expansion: finally for blocking probability we get:

260 Generations of switching systems Example, take into account previous with following modification : blocking probability= and inputs are active only 10% overall time Clos condition says n=16, factor ß=k/n=k/16 for blocking k=7 and ß=k/n= C=14336 crosspoints

261 Generations of switching systems Time switching, key condition for 4 th gen. time switch is able to change Timeslot of individual bits (mostly 8 bits word) combinations

262 Generations of switching systems Time switch working with Reading

263 Generations of switching systems Time switch working with Writting

264 Generations of switching systems Space Switch changing space positions on input or output, So and Si

265 Generations of switching systems Multistages structures TT, TST, TSSST...

266 Generations of switching systems Softswitch, the last 5 th generation IP telephony, VoIP new approach, telephony is an application in IP which application protocols are needed? for signalling: mostly SIP (Session Initiation Protokol), RFC 3261 for media: RTP (Real-Time Protocol), RFC 3550, or SRTP (Secure RTP) RFC 3711

267 Queuing theory established by A.K. Erlang, [Erl] definition of 1 Erlang, observation period 1 hour arrival rate A, service rate Y and loss Z Y = A Z [Erl]

268 Queuing theory time contribution within observation period how the lines are sized? daily load - observation during day

269 Queuing theory BHT (Busy Hour Traffic) BHCA (Busy Hour Call Attempts) BHCC (Busy Hour Call Completions) CPS (Call per Second) AHT (Average Hold Time) losses can be offered to next queuing system = overlay technique

270 concentration rate Queuing theory Arrival rate s c o t o k... number of sources... calls/subscr. per day... aver. time of call... concetration

271 Queuing theory ERLANG B the first Erlang equation is valid for queuing telephone systems working with losses the result = probability of loss we have submitted arrival rate, the probability of loss and we need to set the number of lines/channels

272 Queuing theory ERLANG C the second Erlang equation is valid for queuing telephone systems working with waiting queue the result = probability of waiting and mean time of waiting

273 ENGSET Model Queuing theory Erlang B assumes infinite number of sources or very high against number of lines and it is significant limitation for PBX, where is very limited number of sources..., ENGSET model is suitable for PBX, and takes into account number of sources s, can be adopted instead ERLANG B for this special case

274 Thank you for your attention

275 Multimedia Communication Course: Introduction into Communication Systems Lecture No. 9 Miroslav Vozňák miroslav.voznak@vsb.cz

276 Outline Features and Classification Audio and Video Codecs Real Time Protocol Session Initation Protocol Session Description Protocol Asterisk

277 Features and Clasification affected by delay and sources depletion : fast coding/decoding e2e delay Applications: Voice over IP (IP telephony) Videoconference, 1-1 or 1-N mode Streaming, Video on demand, IPTV

278 Audio codec coder and de-coder: data processing and transformation (compressing and decompressing) better efficiency of transmission, storing, encryption principles: waveform coding source coding and hybrid

279 Pulse Code Modulation - PCM 8 bits samples, 8 KHz sampling freq. = 64 kbps sampling 8 KHz in range Hz quantization and coding ITU-T G.711 quantization distortion finite number of assigned values but infinitive at input continuous signal non-linear scale, logarithmic A-law and µ-law

280 Adaptive Differential PCM - ADPCM originating in DPMC (differential PCM) estimated progression adaptive algorithm less number of bits ITU-T G kbps it depends ond adaptive algorithm: G.721, G.726 and G , 32, 24 and 16 kbps

281 Linear Predictive Coding - LPC originating in vocal chords knowledge vocal apparatus model, vocal slit produces buzz characterized by loudness and frequency throat and oral cavity form filter that can be characterized by formants the formants enable to reconstructe the filter and the generated signal with appropriate frequency and loudness passes through established filter, speech signal is generated LPC (4.8 kbps), LPC-10 (2.4 kbps)

282 Code Excited Linear Prediction CELP represents significant improvement of LPC LPC can not correctly interpret some details sizzle (such as sizzle) CELP codecs apply codebook that helps with better reconstruction of speech signals quality depends on codebook size ACELP - G with 5.3 kbps CS-ACELP - G.729 with 8kbps LD-CELP - G.728 with 16 kbps

283 Audio-codecs overview MOS - Mean Opinion Score, scale for quality evaluation (1-5) G PCM, 64 kbps, MOS=4.2, frame ms; G ADPCM, 16, 24, 32 and 40 kbps, for 32 kbps MOS=3,85;

284 Audio-codecs overview G MP-MLQ 6.3 kbps MOS = 3.9 or ACELP 5.3 kbps, frame 30 ms and při použití kódování MP-MLQ MOS = 3.65; G LD-CELP, 16 kbps, MOS= 3.6; G.729 coding CS-ACELP, 8 kbps, MOS=3.92 ilbc - internet Low Bit Rate Codec, kbps

285 GSM codecs Audio-codecs overview Full Rate GSM FR, 13 kbps, based on LPC GSM EFR (Enhanced Full Rate), 12.2 kbps AMR codec (Adaptive Multi-Rate), based on ACELP with adaptive bit-rate kbps, AMR 12.2 is backward compatible with GSM EFR

286 Audio-codecs overview Annex G.729A, lower performance (MIPS) G.729B, VAD (Voice Activity Detection) G A including VAD

287 Video -codecs in Asterisk Asterisk is open-source communication system enabling multimedia (SW PBX telephone exchange) H.261 H.261 (1990) originally for ISDN, requirements 40kbps 2Mbps supporting CIF (Common Intermediate Format) 352x288 and QCIF (Quarter Common Intermediate Format) 176x144.

288 H.263 Video -codecs in Asterisk H.263 (1995), used in H.324 (PSTN, 3GPP), in H.323 (multimedia over IP) and in H.320 (N- ISDN), low-motion video, in VLC and MPlayer QCIF 176x144 and CIF 352x288 SQCIF, Sub Quarter CIF, CIF and 16CIF, 4x ( ) and 16x ( ). H.263+ (H.263v2, 1998) H (H.263v2, 2000),

289 Video -codecs in Asterisk H.264/MPEG-4 AVC AVC (Advanced Video coding), 2003 HD video and standard for HD TV (1920x1080, as Full-HD), MPEG-2 will be replaced by MPEG-4 improvements nearly every year implementation for 4K video, on youtube 4096x3072

290 Real Time Protocol TCP vs. UDP, transport layer RTP is based on UDP timestamps and sequence numbers

291 Real Time Protocol payload type identifies the media type RFC 1889, 1996 (Transport Protocol for Real- Time Applications) RFC 3550, 2003, five messages were defined for RTCP (supervision over RTP)

292 Secure Real Time Protocol RFC 3711, 2004 AES-CTR for encryption, HMAC-SHA1 for authentication

293 Media from Sender to Receiver audio signal, coding packetizing transmission timing impairments - > jitter de-jitter buffer, elimination and decompression

294 Overhead increasing bandwith requirements caused by overhead G.711, cca 90 kbps GSM FR, cca 40 kbps G.729, cca 35 kbps G.723.1, cca 25 kbps

295 ASTERISK I was so excited the first time I got a phone call delivered through my PC using my own software. Mark Spencer

296 ASTERISK as SW PBX - softswitch, Gateway, Feature server, Media server, Call center, IVR server, Voice Mail, Conference Server, Protocol Gateway, TTS, ASR,... for GNU/Linux, Open BSD, Free BSD, Mac OS

297 ASTERISK supporting procols SIP, H.323, IAX2, MGCP, SCCP and supporting DAHDI Digium Asterisk HW Device Interface, former ZAPTEL (ZAPATA telephony drivers)

298 ASTERISK basic terms SIP or IAX account modification in files /etc/asterisk/sip.conf or /etc/asterisk/iax.conf extension, (user, subscriber) type=user, both incoming and outgoing traffic context, for rules application in dialplan

299 ASTERISK basic terms dialplan modification in /etc/asterisk/extensions.conf behavior in incoming or outgoing traffic, functions as Dial, Hangup, Answer, etc. exten => 888,1,Dial(SIP/Lojza)

300 ASTERISK Asterisk in version 1.8, since 09/2010 prepared distribution including OS and Web management: AsteriskNOW and Trixbox

301 Virtual Machine VMware, VirtualBox, KVM, XEN VMware Player, Workstation, Server, ESXi different modes of network bridge, host-only, NAT

302 Thank you for your attention

303 Next Generation Network Course: Introduction into Communication Systems Lecture No. 10 Miroslav Vozňák

304 Outline NGN introduction SIP SDP Call Scenario NGN Layers IMS

305 Next Generation Network based on idea of transport and service layer separation service-related functions are independent from underlying transport-related technologies IMS (IP Multimedia Subsystem, 2006) is the first standard complying with NGN ideas

306 Session Initiation Protocol protocol is specified in RFC 2543, 99 MMUSIC RFC 3261, 2002 SIP WG nowadays more than 70 RFC s are regarding to SIP the features: text-oriented similar to HTTP end-to-end

307 Session Initiation Protocol signaling protocol enabling a creation, modification and termination of a general session SDP is used for resolving the media description voice and video stream through RTP voice, video, text (instant messaging, presence, games...) are the target applications

308 Session Initiation Protocol SIP URI (Uniform Resource Identifier)

309 SIP elements User Agent UA Client, UA Server UAC is a part sending the Requests and receiving the Responses UAS is a part receiving the Requests and sending the Responses SIP server Proxy, Registrar, Redirect, Location SIP Proxy header analyzing and handling, call routing (Requests and Responses)

310 SIP elements Redirect Server returns a new location for requests (a list of URI s) Registrar Server a receiving Registration Requests, an actualization of Location database (LS), maintains mapping from names to addresses Location Server a storing location information of UA s and other SIP Proxies

311 SIP methods INVITE : Establishes a session ACK : Confirms an INVITE request, 3-way hand-shaking BYE : Ends a established session CANCEL : Cancels establishing of a session REGISTER : Communicates user location (host name, IP) OPTIONS : Communicates information about the capabilities of the calling and receiving SIP phones

312 SIP responses 1xx informational responses, such as 180, which means ringing final response 2xx success responses, such as 200 OK 3xx redirection responses

313 SIP responses 4xx request failures 5xx server errors 6xx global failures

314 Session Description Protocol v=(protocol version) o=(session origin or creator and session id) s=(session name), a text string t=(time of the session), the start time and stop time m=(media) Media type The transport port The transport protocol The media format, an RTP payload format

315 Session Description Protocol v=0 o=root IN IP s=session c=in IP t=0 0 m=audio RTP/AVP a=rtpmap:0 PCMU/8000 a=rtpmap:8 PCMA/8000 a=rtpmap:3 GSM/8000 a=rtpmap:97 ilbc/8000 a=rtpmap:18 G729/8000

316 SIP scenario

317 SIP INVITE INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP pc33.atlanta.com;branch=z9hg4bknashds8 Max-Forwards: 70 To: Bob From: Alice Call-ID: a84b4c76e66710 CSeq: INVITE Contact: Content-Type: application/sdp Content-Length: 142

318 SIP Trapezoid

319 SIP Registration the first rejection with challenge to authorization Status-Line: SIP/ Unauthorized Message Header Via: SIP/2.0/UDP :18188;branch=z9hG4bKd8754z-d8754z- ;rport=33209 To: From: Call-ID: Mzg1M2VlZDRkOWQ5NmJlNzA0MTk1OGNhZDE3MjZiNDg. CSeq: 1 REGISTER WWW-Authenticate: Digest realm="cesnet.cz", nonce="48ad92c" Server: Sip EXpress router (0.9.6 (i386/linux)) Content-Length: 0

320 SIP Registration Request-Line: REGISTER sip:cesnet.cz SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP :18188;branch=z9hG4bK-d8bc45e75b347-;rport Max-Forwards: 70 Contact: To: From: Call-ID: Mzg1M2VlZDRkOWQ5NmJlNzA0MTk1OGNhZDE3MjZiNDg. CSeq: 2 REGISTER Expires: 3600 User-Agent: X-Lite release 1100l stamp Authorization: Digest username="voznak",realm="cesnet.cz", nonce="48ad92c", uri="sip:cesnet.cz",response=" 1ca1df39a865353b870bdfbb062", algorithm=md5 Content-Length: 0

321 NGN Architecture signaling protocols? h.323, MGCP, H.248/Megaco, SIP technology? definitely IP four layers (Access, Transport, Control, Application)

322 Access Layer access (subscribers - Legacy and IP), access networks and PBX s (AN/PBX), interconnecting PSTN and PLMN, conversion between networks.

323 Transport Layer high availability and reliability capacity QoS SBC (Session Border Controller) security NAT support, protection from attacks,

324 Control Layer Softswitch, various notation MGC (Media Gateway Controller), CS (Call Server) and CA (Call Agents). Call control, access control and communication with MG (Media Gateway), SBC and SG, sources allocation, signaling processing, AAA and routing,...

325 Application Layer Value added services OSS Operation Support System (charging system) a Network Operation & Management System), API for next sevices, MS Media Server, audio announcem. IVR trees, conferences, tones SCP Service Control Point for IN

326 IMS

327 IMS AS Application Server, supplementary services for IMS, BGCF Gateway Control Function, GW s control, receiving requests of relations from S-CSCF (or BGCF) and selecting network in which PSTN interconnection point is located CSCF Call Session Control Function, control functions are responsible for call control, routing and resources allocations in cooperations with other network elements

328 IMS HSS Home Subscriber Server, contains subscriber DB for IMS (resolving where user is located), MGCF Media Gateway Control Function, ween IMS and PSTN, MGW Media Gateway, is respobsible for termination of bearer channels of network with channel interconnecting and RTP flows of IP network toky IP sítě, in fact performing media conversion and transcoding MRFC Media Resource Function Controller, it controls sources of flows from MRFP,

329 IMS MRFP Media Resource Function Processor, podporuje media mixing, tones generation, audio announcement, trnasoding and media analyzing SLF Subscription Locator Function, access to HSS systems (front-end for HSS and is necessary if more HSS s in IMS exist), UE User Equipment, represents user terminals

330 IMS Call Session CF P-CSCF (Proxy-Call Session Control Function) Proxy CSCF ensures function of input/output SIP Proxy The first contact point between IMS terminal and network. P-CSCF is assigned to every terminal within registration procedure has and is not changed until registration expires ensures user authentications and security issues

331 IMS Call Session CF I-CSCF (Interrogating-Call Session Control Function) represents internal contact point in provider network handles requests of SIP users who are not registered in PLMN (Public Land Mobile Network). S-CSCF Serving Call Session Control Function central point, responsible for SIP peering within 3GPP

332 Thank you for your attention

333 Speech Quality Course: Introduction into Communication Systems Lecture No. 11 Miroslav Vozňák

334 Outline Speech quality assessment Methods E-model and Simplified E-model Conversion between R-factor and MOS

335 Speech quality assessment subjective and objective methods MOS scale ITU-T P.800, five grades : excellent, very good, good, low and very low speech quality

336 Speech quality assessment MOS conversational quality listening quality estimated quality

337 Approach Subjective ACR (Absolute Category Rating) DCR (Degradation Category Rating) Objective Intrusive (PESQ, ITU-T P.862) Non-intrusive (E-Model, ITU-T G.107)

338 E-model

339 E-model SLR [db] (Send Loudness Rating), RLR [db] (Receive Loudness Rating) OLR [db] (Overall Loudness Rating) OLR = SLR + RLR STMR [db] (Sidetone Masking Rating), LSTR [db] (Listener Sidetone Rating), T [ms] (Mean one-way Delay), Ta [ms](absolute Delay) TELR [db] (Talker Echo Loudness Rating), Ie [-] (Equipment Impairment Factor) qdu [-] (Quantization Distortion Units), WEPL [db] (Weighted Echo Path Loss) Nc [dbm0p] (Electric Circuit Noise) Ds [db] (D-value of Telephone at Send Side), Dr [db] (D-value at Receive Side) Ps [db] (Room Noise at the Send Side), Pr [db] (Room Noise at the Receive Side) Bpl [-] (Packet-loss Robustness Factor)

340 E-model R, R-factor, result Ro, SNR Impairments Is, Id and Ie-eff advantagge factor A

341 Ie-eff Ie, impairments caused by equipment Ie-eff = effective Ie Ppl, packet loss BurstR, loss distribution (gap, burst), BurstR =1 vs. BurstR > 1 Bpl, codec robustness

342 Ie

343 Bpl A - advantage

344 Simplified E-model R0 = 94,7688 and Is = 1,4136 by default Id negligeable if delay is less than 100 ms, Id = 0 BurstR = 1 (ideal loss distribution)

345 Conversion between R factor and MOS

346 Thank you for your attention

347 Security in Communication Course: Introduction into Communication Systems Lecture No. 12 Miroslav Vozňák

348 Outline Basic terms Steganography Symetric and asymetric cryptography Hash Functions Digital signature Stream and block ciphers ECB, CBC CFB, OFB and CTR mode SSL/TLS and IPsec

349 Secure Communication Fundamentals to hide the existence of the communication (steganography) to guard transfered information against unwanted disclosure (cryptography) Cryptology cryptography (deals with design of algorithms) cryptoanalysis (inspect robustness)

350 Basic terms PT plain text CT cipher text E encryption D decryption M message K key Alice, Bob and Eve (eavesdropper)

351 Steganography exmaple from Ancient Greece: Histiaeus, he shaved a slave's head and inscribed message upon his skull modern example: watermarking

352 Kerckhoffs' principle Kerckhoffs' principle was stated by Auguste Kerckhoffs in the 19th century A cryptosystem should be secure even if everything about the system, except the key, is public knowledge.

353 Methods substitution ciphers encrypt plaintext by changing the plaintext one piece at a time, in the Caesar Cipher, each character is shifted three places up, therefore, A becomes D transposition ciphers encrypt plaintext by moving small pieces of the message around,

354 Modern cryptography secret key cryptography, symmetric key asymmetric keys (private, public) computational methods based on factorization discret logarithms

355 Goals confidentiality authentication authorization non-repudiation integrity

356 Algorithms cipher algorithms hash functions pseudo-random data generators

357 Symmetric cryptography DES, 3DES, CAST and IDEA

358 Hash functions y = f(x) one-way function no colisions

359 Hash functions MD2, MD4, MD5, SHA-1, SHA-2, SHA-3 data are identical if the hash strings are identical short hash over large amount of data proof of authorization passwords are stored as hash strings pseudo-random key generators

360 Trapdoor Hash function d... private key e... public key y = f(x) = E e (x) x = f -1 (y) = D d (y)

361 Asymetric cryptography RSA, Diffie-Hellman, DSA,El-Gamal, Eliptical cryptosystems,

362 Digital Signature Dd Ee = I and we consider Ee Dd = I Public Key Infrastructure Certification authority

363 Stream Ciphers - generator G creates password sequence h(1), h(2)... for every k - elements h(i) represent substitution Eh(1), Eh(2),... c(1) = Eh(1)(m(1)), c(2) = E h(2)(m(2)),... m(1) = Dh(1)(c(1)), m(2) = Dh(2)(c(2)),...

364 Block Ciphers every block of the plain text is encrypted and decrypted by the same tranformation cipher system (M, C, K, E, D), c(i) = Ek(m(i)) m(i) = Dk(c(i))

365 ECB Electronic Code Book basic mode, the same plain text has always the same cipher image

366 CBC - Cipher Block Chaining initializing value, IV

367 CFB - Cipher Feedback OFB - Output Feedback ncryption in CFB encryption in OFB

368 CTR Counter mode Counter Mode is similar to OFB, block cipher is converted to stream cipher

369 SSL/TLS Secure Socket Layer is standard for secure communication and belongs to session layer of OSI model (nowaday SSL 3.0 and its successor TLS) authentication based on Asymetric Key Cryptography confidentiality based on symetric cryptography

370 SSL/TLS Transport Layer Security in comparison to SSL simplifies hash function computation SSL calculates hash over encryption key, message and padding while TLS calculates hash only from message

371 IPsec IPsec is set of protocols improving security enabling VPN (secure Virtual Private Network) ensures confidentiality, integrity and nonrepudiation

372 IPsec AH (Authentication Header) ESP (Encapsulating security payload) transport and tunnel mode

373 Thank you for your attention

374 Dimenzování operačního střediska centra tísňového volání početní cvičení Na vstupu obsluhového systému označme intenzitu nabízeného provozního zatížení A, na výstupu OS bude intenzita přeneseného provozního zatížení Y. Odstupující provozní zatížení vyjádříme intenzitou Z, potom můžeme tvrdit: Y=A-Z [erl] Rovnost A=Y bude platit, jestliže počet účastníků bude roven počtu obsluhových linek. Jestliže počet účastníků bude větší, tak podle typu OS lze počítat se ztrátami nebo jistým zpožděním. Obr.1: Základní části obsluhového systému Výpočet provozního zatížení Pro návrh obsluhového systému je důležitá intenzita provozního zatížení, pro tuto veličinu byl stanoven jednotkou erlang [erl]. Jedna obsluhová linka může zpracovat intenzitu max. 1 erl, pokud je trvale obsazena po dobu 1 hod. Výpočet Y*erl+ můžeme zjednodušit tím, že v pozorovaném intervalu T vezmeme v úvahu počet uskutečněných volání a střední dobu obsazení, jejíž hodnotu získáme jako průměr ze všech uskutečněných volání během pozorování. Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

375 Příklad: Do obsluhového systému přichází 1 požadavek během 1hod, střední doba obsluhy je 3600 s. Y=(s*T os )/T=(1*3600)/3600=1 erl Jedna obsluhová linka může zpracovat intenzitu maximálně 1 erl, pokud je trvale obsazena po dobu 1hod. Příklad: Do obsluhového systému přichází 610 požadavků během 1hod, střední doba obsluhy je 120 s. Y=(s*T os )/T=(610*120)/3600=20,33 erl Během střední doby obsluhy přichází do systému 20,33 požadavků. Je potřeba si uvědomit, že se jedná o matematický model, který je potom v praxi částečně zkreslený. Např. si představte, co by se stalo, kdyby těch 610 požadavků přišlo najednou. Taková mimořádná situace nastává při přírodních nebo jiných katastrofách, společenských událostech (vánoce) apod. Při návrhu obsluhových systémů se s těmito vlivy zpravidla nepočítá. Vzniklá mimořádná situace má sice za následek přetížení OS, ta se však projeví pouze snížením jeho kvality. Kolaps, ke kterému by mohlo dojít např. v energetické sítí, nehrozí. Při návrhu OS je potřeba znát přenesené zatížení v hlavní provozní hodině Y HPH. Ta se získá statistickým měřením spojených hovorů na ústředně. Dále označme provozní zatížení přenesené za den jako Y d. Poměr těchto zatížení nám dá koncentraci: Jestliže se koncentrace bude blížit jedné, tak veškerý celodenní provoz se uskuteční během jedné hodiny nebo za kratší dobu. To je pro operátory nepříznivé. Snížení této hodnoty se dosahuje vhodnou tarifní politikou, např. zlevněný večerní provoz. Největší provoz se většinou uskutečňuje v době před obědem. S výpočtem hlavní provozní hodiny se blíže můžete seznámit v předmětu Spojovací soustavy, kdy v rámci projektu obdrříte reálná data z telefonní ústředny a ty musí být následně zpracována.

376 Obr.2: Průběh obsazení sledovaného svazku vedení během dne Nabízené zatížení Nabízené zatížení můžeme získat jako: A=s. c 0. t 0. k s je počet účastníků, c 0 je počet volání na účastníka za den, t 0 je střední doba obsazení spojovací cesty při jednom volání k je koncentrace. Střední doba obsazení spojovací cesty při jednom volání se získává statistickým měřením. V případě, že počet účastníků je roven nebo menší než počet obsluhových linek (s<=n), lze napsat A=Y. V praxi nelze před uvedením zařízení do provozu provést měření pro získání potřebných hodnot, vychází se proto ze zkušeností z podobných situací v jiných místech.

377 Modely provozního zatížení Erlang B - počet zdrojů zatížení >> počet vedení, se ztrátami Erlang C - počet zdrojů zatížení >> počet vedení, s čekacími dobami Engset - konečný počet zdrojů, systém s čekacími dobami Poisson - počet zdrojů zatížení >> počet vedení, kombinovaná obsluha Erlang B Z kvalitativních parametrů se omezíme pouze na dva nejdůležitější, které charakterizují dva základní druhy OS. Pro OS, který neumožňuje vytváření front, tj. počet míst ve frontě R=0, jsou to ztráty Z. cz je počet ztracených požadavků, v procentech, %. cn je počet všech požadavků, v procentech, %. Tento OS nazýváme OS se ztrátami a je prezentován telefonními ústřednami. Základní vztah mezi parametry OS se ztrátami udává první Erlangova rovnice E1. K hlavním předpokladům platnosti tohoto vztahu patří náhodnost příchodů požadavků vstupního toku, stacionarita, ordinárnost a nezávislost přírůstků Erlang C Druhou základní skupinu OS tvoří OS s možností čekání v konečné frontě, nebo v neomezeném počtu míst pro čekání. Průměrná doba čekání je hlavním kvalitativním parametrem systémů s čekáním. Pro OS s neomezenou frontou, trpělivými žádostmi a požadavky na vstupní tok shodnými pro OS se ztrátami platí druhá erlangova rovnice E2, vyjadřující pravděpodobnost čekání pč. Střední doba čekání žádostí t c je

378 tos je střední doba obsluhy. Rozdíl mezi Erlang B a C, obecný příklad Erlang B mějme ústní zkoušku, každý student má předem rezervovaných 15 min a bude 1 učitel. Nevytváří se fronty. Ztrátou může být, když přijde na zkoušku student, který není přihlášený. Nebo když student těsně před zkouškou zjistí, že nemá splněný zápočet. Erlang C stanovení začátku a konce zkoušky je pro všechny stejné. Opět 1 učitel. Doba trvání zkoušky je různá. Vytváří se fronty. Ztráty můžou vzniknout tím, že se nestihne vyzkoušet všechny studenty, protože je pevně daný konec. Ztráty nevznikají, jestliže student u zkoušky neuspěl. Podstatné je, že ho učitel vyzkoušel. Učitel představuje obsluhovou linku. Jiné obecné příklady Erlang C Nákupy pokladna je obsluhová linka. Paměť je tvořena zákazníky, kteří čekají ve frontě u jedné pokladny. Call centrum operátor je obsluhová linka. V paměti se tvoří fronty zákazníků, kteří čekají na propojení s operátorem. Směrování IP paketů směrovače s frontami typu FIFO, HQ, PQ, CQ, WFQ atd. Vstupy na stadión, do jídelny, na WC atd. Jiné obecné příklady Erlang B Veřejné telekomunikační sítě s přepojováním okruhů Call centrum bez fronty

379 Praktická náplň tohoto cvičení Vyzkoušíme si nasimulovat ERLANG B a ERLANG C v matlabu, excelu a dostupných free programů. Název programového vybavení: Call Center Mathematics Program je dostupný na adrese: Erlang Calculator V2.2

380 Ukázka v excelu Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

381 Optické vláknové komunikace Ing. Jan Rozhon Katedra telekomunikační techniky VŠB-TU Ostrava Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

382 Popis světla paprsky v homogenním prostředí se šíří přímočaře od zdroje; nevysvětĺı interferenci, elektromagnetické vlny Maxwellovy rovnice; nevysvětĺı fotoefekt, fotony. Rychlost světla je konečná, ve vakuu c = m/s.

383 Index lomu n = c v udává, kolikrát je světlo v prostředí pomalejší než ve vakuu. Example Vypočtěte rychlost světla ve vodě o indexu lomu n = 1.33.

384 Index lomu n = c v udává, kolikrát je světlo v prostředí pomalejší než ve vakuu. Example Vypočtěte rychlost světla ve vodě o indexu lomu n = Solution % MATLAB: n = ; % [ ] c = 3e8 ; % [m/ s ] v = c / n % [m/ s ]

385 Světlo na rozhraní 2 prostředí Example Světlo dopadá ze vzduchu na vodní hladinu pod úhlem ϕ = 30 C. Vypočtěte úhel vůči kolmici k rozhraní vodní hladiny a vzduchu, pod kterým se světlo bude šířit ve vodě. Index lomu vody je n = 1.33.

386 Světlo na rozhraní 2 prostředí Example Světlo dopadá ze vzduchu na vodní hladinu pod úhlem ϕ = 30 C. Vypočtěte úhel vůči kolmici k rozhraní vodní hladiny a vzduchu, pod kterým se světlo bude šířit ve vodě. Index lomu vody je n = Solution % MATLAB: n_1 = 1 ; % [ ] n_2 = ; % [ ] phi_1_deg = 3 0 ; % [ ] phi_2_deg = asind ( n_1 sind ( phi_1_deg ) / n_2 ) % [ ] phi_1_rad = 30/180 p i ; % [ rad ] phi_2_rad = a s i n ( n_1 s i n ( phi_1_rad ) / n_2 ) ; % [ rad ]

387 Světlo na rozhraní 2 prostředí Ze Snellova zákona plyne, že při průchodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího dochází k lomu světla směrem od kolmice vzhledem k rozhraní prostředí, při průchodu světla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího dochází k lomu světla směrem ke kolmici vzhledem k rozhraní prostředí,

388 Optická vlákna mezní (kritický) příjmový úhel Example Vypočtěte velikost příjmového úhlu α c pro navázání světla do optického vlákna, je-li index lomu jádra optického vlákna n 1 = 1.5, index lomu pláště optického vlákna n 2 = 1.48 a index lomu vnějšího prostředí n 0 = 1.

389 Optická vlákna mezní (kritický) příjmový úhel Example Vypočtěte velikost příjmového úhlu α c pro navázání světla do optického vlákna, je-li index lomu jádra optického vlákna n 1 = 1.5, index lomu pláště optického vlákna n 2 = 1.48 a index lomu vnějšího prostředí n 0 = 1. Solution % MATLAB: n_0 = 1 ; % [ ] n_1 = 1. 5 ; % [ ] n_2 = ; % [ ] NA = s q r t ( n_1 ˆ2 n_2 ˆ2 ) ; % [ ] alpha_c_rad = a s i n ( NA / n_0 ) % [ rad ] alpha_c_deg = asind ( NA / n_0 ) % [ ] alpha_c_deg = alpha_c_rad / p i 180 % [ ]

390 Je lepší být ryba nebo člověk? Čím menší je velikost kritického příjmového úhlu, tím složitější je navázat světlo do optického vlákna. Musíme použít čočku nebo složitější optickou soustavu, abychom co nejvíce výkonu, generovaného zdrojem světla navázali do vlákna. Example Co je jednodušší? Navazovat světlo do vlákna ze vzduchu o indexu lomu n vzduch = 1 nebo z vody o indexu lomu n voda = 1.33? (Ptáme se, kde je větší hodnota kritického úhlu ve vzduchu nebo ve vodě?)

391 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw a detektor s citlivostí P out = 10 µw. Jak dlouhou trasu jsme schopni překlenout?

392 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw a detektor s citlivostí P out = 10 µw. Jak dlouhou trasu jsme schopni překlenout? Solution l = 1 ( ) a 10 log Pin P out

393 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw a detektor s citlivostí P out = 10 µw. Jak dlouhou trasu jsme schopni překlenout? Solution l = 1 ( ) a 10 log Pin P out % MATLAB: a = 0. 2 ; % [ db/km ] P_in = 10e 3; % [W] P_out = 10e 6; % [W] l = 10 l o g 1 0 ( P_in / P_out ) / a % [ km ]

394 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw a potřebujeme překonat vzdálenost l = 100 km. Detektor s jakou citlivostí P out potřebujeme?

395 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw a potřebujeme překonat vzdálenost l = 100 km. Detektor s jakou citlivostí P out potřebujeme? Solution P out = P in 10 al 10

396 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw a potřebujeme překonat vzdálenost l = 100 km. Detektor s jakou citlivostí P out potřebujeme? Solution P out = P in 10 al 10 % MATLAB: a = 0. 2 ; % [ db/km ] P_in = 10e 3; % [W] l = ; % [ km ] P_out = P_in 10ˆ( a l / 10) % [W]

397 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici detektor s citlivostí P out = 10 µw a potřebujeme překonat vzdálenost l = 100 km. Zdroj s jakým výkonem P in potřebujeme?

398 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici detektor s citlivostí P out = 10 µw a potřebujeme překonat vzdálenost l = 100 km. Zdroj s jakým výkonem P in potřebujeme? Solution P in = P out 10 al 10

399 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno s měrným útlumem a = 0.2 db/km. Máme k dispozici detektor s citlivostí P out = 10 µw a potřebujeme překonat vzdálenost l = 100 km. Zdroj s jakým výkonem P in potřebujeme? Solution P in = P out 10 al 10 % MATLAB: a = 0. 2 ; % [ db/km ] P_out = 10e 6; % [W] l = ; % [ km ] P_in = P_out 10ˆ( a l / 10 ) % [W]

400 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno o délce l = 150 km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw, na konci trasy detekujeme výkon P out = 10 µw. Jaký je měrný útlum vlákna?

401 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno o délce l = 150 km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw, na konci trasy detekujeme výkon P out = 10 µw. Jaký je měrný útlum vlákna? Solution a = 1 l 10 log( P in P out )

402 Útlum v optických vláknech Example Mějme vlákno o délce l = 150 km. Máme k dispozici zdroj světla o výkonu P in = 10 mw, na konci trasy detekujeme výkon P out = 10 µw. Jaký je měrný útlum vlákna? Solution a = 1 l 10 log( P in P out ) % MATLAB: l = ; % [ km ] P_in = 10e 3; % [W] P_out = 10e 6; % [W] A = 10 l o g 1 0 ( P_in / P_out ) ; % [ db ] a = A / l % [ db/km ]

403 Útlum v optických vláknech Example Pokud víme, že je paprsek světla do vlákna o délce l = 100 km navázán pod takovým úhlem, že dochází k N = odrazům od rozhraní jádra a pláště, spočítejte výkonovou ztrátu P in P out na jednom odrazu, je-li měrný útlum a = 0.2 db/km.

404 Útlum v optických vláknech Example Pokud víme, že je paprsek světla do vlákna o délce l = 100 km navázán pod takovým úhlem, že dochází k N = odrazům od rozhraní jádra a pláště, spočítejte výkonovou ztrátu P in P out na jednom odrazu, je-li měrný útlum a = 0.2 db/km. Solution % MATLAB: a = 0. 2 ; % [ db/km ] l = ; % [ km ] N = 2e6 ; % [ ] A = a l ; % [ db ] A_odr = A / N ; % [ db ] format long ; P_in_P_out_odr = 10ˆ( A_odr / 10) % [ ] format short ;

405 Módová disperze Example Mějme mnohomódové SI vlákno s n 1 = 1.50, n 2 = 1.48 o délce l = 2 km. Vypočítejte dosažitelnou přenosovou rychlost BR.

406 Módová disperze Example Mějme mnohomódové SI vlákno s n 1 = 1.50, n 2 = 1.48 o délce l = 2 km. Vypočítejte dosažitelnou přenosovou rychlost BR. Solution δt l = NA2 2n 1 c, BR = 1 l δt l

407 Módová disperze Example Mějme mnohomódové SI vlákno s n 1 = 1.50, n 2 = 1.48 o délce l = 2 km. Vypočítejte dosažitelnou přenosovou rychlost BR. Solution δt l = NA2 2n 1 c, BR = 1 l δt l % MATLAB: c = 3e8 ; % [m/ s ] n_1 = 1. 5 ; n_2 = ; l = 2 ; % [ km ] NA = s q r t ( n_1 ˆ2 n_2 ˆ2) ; delta_t_l = NA ˆ2 / ( 2 c n_1 ) ; % [ s /km ] BR = 1 / l 1 / delta_t_l % [ b i t / s ]

408 Normalizovaná frekvence Example Mějme optické vlákno s n 1 = 1.50, n 2 = o průměru jádra d = 9 µm. Vypočítejte minimální vlnovou délku λ použitého světla, má-li se pro danou vlnovou délku vlákno chovat jako jednomódové (V max = λ min ).

409

410 Normalizovaná frekvence Example Mějme optické vlákno s n 1 = 1.50, n 2 = o průměru jádra d = 9 µm. Vypočítejte minimální vlnovou délku λ použitého světla, má-li se pro danou vlnovou délku vlákno chovat jako jednomódové (V max = λ min ). Solution λ min = πdna V

411 Normalizovaná frekvence Example Mějme optické vlákno s n 1 = 1.50, n 2 = o průměru jádra d = 9 µm. Vypočítejte minimální vlnovou délku λ použitého světla, má-li se pro danou vlnovou délku vlákno chovat jako jednomódové (V max = λ min ). Solution λ min = πdna V % MATLAB: d = 9e 6; % [m] V_max = ; n_1 = 1. 5 ; n_2 = ; NA = s q r t ( n_1 ˆ2 n_2 ˆ2) ; lambda_min = p i d NA / V_max % [m]

412 Děkuji za pozornost Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

413 4. BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ Výpočet parametrů přenosového řetězce Datum: Autor: Ing. Jan Rozhon Kontakt: Předmět: Úvod do komunikačních technologií Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

414 Katedra telekomunikační techniky 4.1 VÝPOČET SÍLY SIGNÁLU PŘÍSTUPOVÉHO BODU b Dosah jakéhokoliv rádiového spojení je založen na jednoduchém principu - úroveň signálu vysílače může po cestě poklesnout jen tolik, aby byla vstupní úroveň na vstupu přijímače vyšší, než je jeho minimální citlivost - tedy schopnost ho ještě zpracovat. Úroveň signálu po cestěě od vysílače k přijímači jen neklesá (například díky zisku antén, jež je téměř vždy kladný, dochází k zesílení signálu). U technologie Wi-Fsignálu na výstupu z antény přístupového bodu AP nesmí přesáhnout maximální hodnotu. Tuto hodnotu stanovuje Český telekomunikační úřad (ČTÚ) v tzv. jsme při plánování spojů omezeni důležitým faktorem vysílací úroveň Všeobecném oprávnění č. VO-R/12/ Vyjdeme tedy z toho, že by tato úroveň neměla překročit hodnotu +20 dbm* (platí pro pásmo 2,4 GHz). *Jednotka dbm Jednotka dbm je vztažena k výkonu 1 mw (pokudd má zařízení výkon 1 mw, odpovídá to výkonové úrovni 0 dbm; 17 dbm odpovídá výkonu 50 mw, 20 dbm pak max. povolenému výkonu 100 mw) ). Význam decibelu db: Aby se nám s úrovněmi, zisky a útlumy snadno počítalo, používají se decibely (db). Kladná hodnota v db znamená poměr větší než jedna (zesílení), záporná hodnota v db znamená poměr menší než jedna (útlum), 0 db znamená žádný útlum a žádný zisk, tedy poměr 1:1, tj. na výstupu je stejná úroveňň jako na vstupu. Vyjadřujeme li v db absolutní úroveň signálu, pak jsou db vždy vztažené k dohodnuté hodnotě. Signál 0 db neznamená žádný signál, ale naopak přesně onu referenční úroveň. Záporná úroveň signálu znamená, že signál je menší, než referenční hodnota. [1] Zisk antény vyjadřovaný v db: Zisk antény v db je vyjádřením poměru přijímané/vysílané energie posuzované antény v daném směru (směru max. vyzařování) vůči anténě referenční (všesměrové = izotropické, nebo půlvlnného dipólu) ). Anténa, která má kladný zisk, je vždy anténa nějakým způsobem směrová, tj. soustředí svoji vysílací/přijímací schopnost jen do určitého směru, zatímco jiný směr je potlačen. Zisk antény je pak vyjádřením poměru, kolikrát je ten určitý preferovaný směr antény zvýhodněn oproti situaci, kdyby se anténa chovala ve všech směrech stejně (tj. její tzv. vyzařovací diagram by byl ideální koule). Při udávání zisku antény se můžete setkat s jednotkami dbi a dbd dbi je vztaženo k výkonu izotropního zářiče, dbd k výkonu půlvlnného dipólu. Pokud výrobce antény tvrdí, že anténa má zisk 9 dbd, znamená to, že je cca 8 x výkonnější, než půlvlnný dipól (každéé 3 db = dvojnásobek/polovina). Pro tutéž anténu je velikost zisku v dbi o 2,15 db větší než údaj v dbd. [1] Zisky antén uváděné v našich příkladech jsou uvedeny v db (míněno vůči izotropickému zářiči = dbi). 4_bezdratove-site-cv.docx - 1 -

415 Katedra telekomunikační techniky Útlumy koaxiálních kabelů Koaxiální kabel vykazuje pouze útlum (-db). Jeho útlum je frekvenčně závislý a přímo úměrný délce. Z toho plyne, že pro každý typ kabelu můžeme na daném kmitočtu vyjádřit útlum v db/m, tuto tabulkovou hodnotu pak vynásobit délkou kabelu a výslednou hodnotu použít do celkového výpočtu. [1] Přehled katalogových hodnot útlumů nejčastěji používaných koaxiálních kabelů na kmitočtu 2,5 GHz: OEM RLA-10 0,22 db/m Belden H1000 0,22 db/m Cavel RG-213 0,37 db/m Belden H155 0,5 db/m Times LMR-195 0,5 db/m Andrew CNT-195 0,5 db/m OEM LX-195 0,65 db/m OEM RG-58 0,99 db/m Útlum prostředí Útlum bezdrátové trasy lze také teoreticky vypočítat [2]. V praxi bude útlum souhlasit s teorií v případě, že mezi oběma konci trasy je přímá optická viditelnost, a to nejen v přímce, musí být volná (bez překážek) i v tzv. Fresnelově zóně [2]. Pro některé typické vzdálenosti pak útlum trasy vycházejí v pásmu 2,4 GHz takto: 50 m -74 db 100 m -80 db 200 m -86 db 300 m -90 db 400 m -92 db 500 m -94 db 600 m -96 db 1000 m -100 db 1500 m -103 db 2000 m -106 db 3000 m -109 db 4000 m -112 db 5000 m -114 db Citlivost Wi-Fi koncových zařízení Přijímací citlivost Wi-Fi zařízení se u jednotlivých typů liší. Jedno mají ale společné - záleží také na rychlosti toku dat, kterou od spoje očekáváte. Klesne-li úroveň signálu na vstupu přijímače pod určitou hodnotu, nedá se již dosáhnout maximální rychlosti přenosu, ale jen rychlostí nižších. Citlivosti pro jednotlivé přenosové rychlosti bývají obvykle udávány v technických údajích výrobce u každého typu zařízení. [1] 4_bezdratove-site-cv.docx - 2 -

416 Katedra telekomunikační techniky Typické údaje o citlivosti vypadají u DWL-900AP+ např. takto: -85 dbm (11 Mbit/s) -88 dbm (5,5 Mbit/s) -89 dbm (2 Mbit/s) -92 dbm (1 Mbit/s) 4.2 VÝPOČET PŘENOSOVÉ TRASY Na základě známých faktů z kapitoly je tedy možno provést teoretický výpočet trasy s vědomím, že je to pouze ideální stav a že v praxi může dosáhnout horších výsledků. Zisky zadáváme kladné a útlumy záporné. Celá cesta pak vypadá takto: + výstupní výkon vysílače - útlum pigtailu (redukce SMA/N, typicky 2 db) - útlum bleskojistky (1-3 db) - útlum dvou konektorů (cca 2 db) - útlum kabelu na vysílací straně + zisk vysílací antény (0 cca 24 db) => vysílaný výkon, nesmí být větší než +20 dbm (limit ČTÚ)! =============================================== - útlum trasy (tabulková nebo vypočítaná hodnota [2]) =============================================== + zisk přijímací antény (0 cca 24 db) - útlum kabelu na přijímací straně - útlum dvou konektorů (cca 2 db) - útlum bleskojistky (1-3 db) - útlum pigtailu (redukce SMA/N, typicky 2 db) => výsledek (nesmí být horší než citlivost zařízení) vysílací strana přenosový RF kanál přijímací strana Příklad výpočtu Máme k dispozici dva přístupové body DWL-900AP+ v režimu AP-Client. Zařízení jsou ve vzdálenosti 1,5 km. Vypočítejte reálnou přenosovou rychlost při nastavené výstupní úrovně AP +17dBm. Strana vysílače (AP): + 17 dbm výstupní výkon - 2 db pigtail - 2 db bleskojistka - 2 db konektory - 1,1 db 5m kabelu H dbvšesměrová anténa = +16,9 dbm = OK - pod limitem ČTÚ! 4_bezdratove-site-cv.docx - 2 -

417 Katedra telekomunikační techniky Strana přijímače: + 16,9 dbm výstupní výkon db trasa 1500 m vzduchem + 15 db anténa směrová YAGI anténa - 2,6 db 4 m kabelu LX db konektory - 2 db bleskojistka - 2 db pigtail = -79,7 dbm Závěr: Výsledek je větší číslo než minimální citlivost DWL-900AP+ pro 11 Mbit/s, je pravděpodobné, že na této trase dosáhneme s tímto hardwarem kvalitního spojení s maximální rychlostí pro b tj. 11 Mbit/s. Pozor: Tento výpočet je správný v tom případě, že by AP na přijímací straně obsahoval dva konektory - jeden pro výstupní signál (vysílání) a druhý pro vstupní signál (přijímání). Jelikož v praxi vstupní i vyzařovaný signál prochází většinou stejnými cestami, překračovali bychom v tomto případě na straně klienta maximální výstupní výkon (zkuste si to vzít obráceně a již u 15 db směrové antény YAGI překročíte max. výstupní výkon o 3,4 dbm, tedy více než dvakrát!) Příklad na procvičení: Vypočítejte reálnou přenosovou rychlost, máte li k dispozici dva přístupové body DWL 900AP+ v režimu AP a Client. Zařízení jsou ve vzdálenosti 4 km. Výstupní úroveň AP je nastavena na hodnotu +20 dbm, zisk vysílací antény je 4 db, zisk přijímací antény je 19 db. Útlumy na konektorech, pigtailech a bleskojistkách volte stejně jako u vzorového příkladu. Každá anténa je připojena 5 m koaxiálního kabelu RG58. Řešení: Vysílací strana: + 20 dbm výstupní výkon AP 2 db pigtail 2 db bleskojistka 2 db konektory 5 db 5m kabelu RG58 +4 dbanténa = +13 dbm = OK pod limitem ČTÚ. Přijímací strana: +13 dbm 112 db trasa 4000 m vzduchem + 19 db anténa směrová YAGI anténa 5 db 5 m kabelu RG58 2 db konektory 2 db bleskojistka 2 db pigtail = 91 dbm Závěr: 91 dbm znamená, že lze dosáhnout na daném zařízení maximální rychlosti 1 Mbit/s. POUŽITÉ ZDROJE [1] KHnet.info [online] [cit ]. Výkony, limity ČTU a GL č. 12/R/2000. Dostupné z WWW: < [2] PECHAČ, Jan. Šíření vln v zástavbě. Praha : BEN, s. ISBN _bezdratove-site-cv.docx - 3 -

418 Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

419 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Wireshark odchycení provozu, rozbor rámce a paketu dle referenčního modelu TCP/IP Datum: Autor: Ing. Jan Rozhon Kontakt: jan.rozhon@vsb.cz Předmět: Úvod do komunikačních technologií Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

420 Katedra telekomunikační techniky Aplikace Wireshark je freeware analyzátor síťových protokolů pro Linux a Windows. Wireshark je uvolněn pod GPL (Gnu Public Licence), a také všechny zdrojové kódy jsou volně dosažitelné pod GPL. Wireshark je volně stažitelný na oficiálních stránkách programu Vlastnosti: Data mohou být zachytávána přímo ze síťového rozhraní nebo mohou být analyzována ze souboru (logu či záznamu provozu). Wireshark může např. zpracovávat data uložená do souboru i programem tcpdump Data mohou být zachytávána přímo z rozhraní Ethernet, FDDI, PPP, Token-Ring, IEEE či loopback rozhraní. Zachycená data mohou být analyzována/prohlížena prostřednictvím přehledného grafického rozhraní. udkt_110322_cv8-wireshark - 1 -

421 Katedra telekomunikační techniky 1. Spusťte nástroj Wireshark (ikona na ploše) 2. Přejděte do menu Capture Interfaces. Zde jsou uvedeny všechny fyzické rozhraní na vašem PC vč. IP adresy daného rozhraní. 3. Přejděte do menu Capture Options A) Vyberte správný typ adaptéru, na kterém budete provádět zachytávání paketů, viz. informace cvičícího. B) Zatrhněte všechny položky udkt_110322_cv8-wireshark - 2 -

422 Katedra telekomunikační techniky C) Stiskněte Start A B 4. Spusťte aplikaci WinSCP (ikona na ploše), klikněte na Spojení a vyplňte do dialogového okna následující: Hostitel: Uživatelské jméno: udkt1 Heslo: udkt Zvolte protokol FTP a volbu Bez šifrování Klikněte na Přihlásit C udkt_110322_cv8-wireshark - 3 -

423 Katedra telekomunikační techniky 5. Program WinSCP můžete zavřít. 6. Přepněte do aplikace Wireshark. 7. Analyzovaná data jsou zobrazeny ve 3 hlavních oknech. A) Každý řádek je jeden Ethernet rámec s údaji: Pořadové číslo (No.) Časový rozdíl o prvního zachyceného paketu (Time) Zdrojová IP adresa (Source) Cílová IP adresa (Destination) Typ protokolu (Protocol) Detailnější informace o protokolu (Info) B) Detailní zobrazení daného Ethernet rámce dle referenčního modelu TCP/IP C) Vyjádření v HEX hodnotách A B C 8. Proveďte rozbor zachycených paketů dle instrukcí od cvičícího. 9. Seřaďte jednotlivé Ethernet rámce dle typu protokolu a vyhledejte pakety s protokolem FTP. 10. Klikněte pravým na kterýkoliv řádek protokolu FTP a zvolte Follow TCP Stream. udkt_110322_cv8-wireshark - 4 -

424 Katedra telekomunikační techniky 11. V zobrazeném okně proveďte rozbor komunikace klienta s FTP serverem, viz informace cvičícího. 12. Opakujte bod zadání 2 a 3, neukládejte již analyzovaná data (Continue without saving) 13. Spusťte aplikaci WinSCP (ikona na ploše) a vyplňte do dialogového okna následující Hostitel: Uživatelské jméno: udkt Heslo: udkt Zvolte protokol SFTP Klikněte na Přihlásit udkt_110322_cv8-wireshark - 5 -

425 Katedra telekomunikační techniky 14. Program WinSCP můžete zavřít. 15. Přepněte do aplikace Wireshark. 16. Proveďte rozbor zachycených paketů, viz informace od cvičícího. 17. Seřaďte jednotlivé Ethernet rámce dle typu protokolu SSHv Klikněte pravým na kterýkoliv řádek protokolu SSHv2 a zvolte Follow TCP Stream. 19. V zobrazeném okně proveďte rozbor komunikace skrze SFTP, viz informace cvičícího. Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

426 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava 5. BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ Návod na práci s programem RADIO MOBILE. Datum: Autor: Ing. Jan Rozhon Kontakt: jan.rozhon@vsb.cz Předmět: Úvod do komunikačních technologií Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

427 Katedra telekomunikační techniky 5.1 RADIO MOBILE Simulační software Radio Mobile je zcela volně dostupný program, který pracuje na frekvencích v rozsahu 20MHz - 20GHz. Software umožňuje stahování a importování výškových map nejen SRTM (Space Shuttle Radar Terrain Mapping Mission) dat požadované oblasti z dostupných webových serverů. Mapy mohou být převedeny do profilu terénu nebo cest. Dle požadavku se do těchto map umísťují rádiové stanice specifické svým umístěním, úrovní vysílacího výkonu a citlivostí antény, které jsou určeny pro pokrytí vybrané oblasti signálem. Radio Mobile spolupracuje s online mapami jako např. Google Maps, Yahoo Maps, OpenStreetMaps apod. Program umožňuje export namodelovaných výsledků pokrytí terénu daným rádiovým signálem a následný import do aplikace Google Earth (3D zobrazení). Následující kapitola vám pomůže rychle se v programu Radio Mobile zorientovat. Vše je graficky okomentováno tak, abyste byli schopni s tímto programem efektivně pracovat. 5.2 NÁVOD NA PRÁCI S PROGRAMEM RADIO MOBILE 1. Po spuštění programu ( ikona na ploše) se objeví pracovní okno (obrázek 5.1). Obr.5.1 Pracovní prostředí programu Radio Mobile 2. Začneme s nastavením pracovní mapy. To se provede v položce FILE > Map properties v horním menu (případně použijte klávesu F8). 06_bezdratove-site-radiomobile - 1 -

428 Katedra telekomunikační techniky Obr.5.2 Volba nastavení mapy 3. V nastavení mapy máte možnost určení středu zobrazované oblasti pomocí zadání GPS souřadnic (1) nebo pomocí vyhledání v seznamu měst (2). Pro náš případ zkusme vyhledat město Ostrava. Poté potvrďte tlačítkem Extract (3) Obr.5.3 Nastavení mapy 06_bezdratove-site-radiomobile - 2 -

429 Katedra telekomunikační techniky Obr.5.4 Výběr města Ostrava 4. Zvolte formát map Internet GoogleMap a potvrďte Draw. Obr.5.5 Výběr Roads mapy 5. Budete vyzváni na výběr způsobu uchování vykreslené situace. Máte na výběr z následujících možností: a. Zachovat vykreslenou mapu ve stávajícím zobrazení. b. Vytvořit z vykreslené mapy nové zobrazení. c. Zachovat přechodně. d. Zrušit zobrazení. 06_bezdratove-site-radiomobile - 3 -

430 Katedra telekomunikační techniky Doporučuji vždy volit b) a vykreslit nové zobrazení do nového obrázku/mapy. Program Radio Mobile nemá funkci zpět, takže cokoliv jednou překreslíte, nemůžete vzít zpět. Z toho důvodu je dobré si ponechat k dispozici všechny průběžné mapy pro případ, kdybyste se potřebovali v nějakém kroku k mapě vracet. Obr.5.6 Volba způsobu uchování mapy Obr.5.7 Pohled na mapu morfologie terénu (levá) a street mapu (pravá) 6. Pokud si chcete vykreslit mapu opakovaně, můžete to elegantně provést z již existující podkladové mapy terénu (obrázek 6.7. vlevo) kliknutím na ikonu Merge Pictures Obr.5.8 Merge Picture znovuvykreslení mapy 06_bezdratove-site-radiomobile - 4 -

431 Katedra telekomunikační techniky 7. V tomto okamžiku máme připravenou mapu pro umisťování vysílačů. V Radio Mobile jsou všechny vysílací/přijímací zařízení nazávány jednotkami Units. Přistupme tedy k nastavení a editaci jednotlivých jednotek File>Unit properties (zkráceně CTRL+U). Obr.5.9 Volba nastavení jednotek 1 8. Klikněte na Unit 1 (1), pojmenujte ji (2) a zadejte její GPS pozici (3). Totéž opakujte pro Unit 2. Unit 1 bude v našem případě vysílač, Unit 2 přijímač. 2 3 Obr.5.10 Pojmenování jednotek 06_bezdratove-site-radiomobile - 5 -

432 Katedra telekomunikační techniky Obr.5.11 Zadání GPS souřadnic pozice jednotky 9. Tímto je nastavena pozice vysílače a přijímače. Následuje krok, kdy musíme definovat vysílací síť přidělit vysílači a přijímači elektrické parametry. File>Network properties (zkráceně CTRL+N). Obr.5.12 Volba vlastností sítě 10. Prvním krokem je opět pojmenování vlastní sítě (1). Dále musíme nastavit: a. min a max používaná kmitočet v síti (u WiFi to je) b. polarizaci (u WiFi v drtivé většině Vertikální) c. mód sítě (u WiFi forma Spot) d. klimatické podmínky šíření: Continental temperate. 06_bezdratove-site-radiomobile - 6 -

433 Katedra telekomunikační techniky 1 a b c d Obr.5.13 Nastavení parametrů sítě 11. V Topology nastavte typ sítě na Data net Obr.5.14 Nastavení topologie sítě 06_bezdratove-site-radiomobile - 7 -

434 Katedra telekomunikační techniky 12. Následuje krok, ve kterém si nadefinujeme elektrické parametry sítě. To se děje v záložce Systems. Pojmenujte si náš systém jako WiFi (1); nastavte pracovní výkon ve W nebo db (2); minimální citlivost přijímače (3); ztráty na konektorech a kabelu (4); zisk antény (5). Můžete nastavit i vyzařovací diagram antény defaultně je zvolen Omni = všesměrový Obr.5.15 Nastavení rádiového systému 13. Posledním krokem v nastavení sítě je nastavení role vysílače a přijímače v naší síti. V záložce Membership (1) nastavte v políčku Role (2) u vysílače zvolte Node a u přijímače Terminal. Současně obě jednotky nastavte do systému WiFi (3). Dále můžete měnit výšku antén Antenna height (4). 06_bezdratove-site-radiomobile - 8 -

435 Katedra telekomunikační techniky Obr.5.16 Nastavení Membership Tímto je dokončeno nastavení vysílací sítě a můžeme přikročit k samotné simulaci pokrytí zobrazeného území signálem nadefinovaného rádiového systému. 5.3 SIMULACE V PROGRAMU RADIO MOBILE 14. Začneme zobrazením rádiového spoje Tools>Radio link (klávesa F2) Obr.5.17 Radio link 06_bezdratove-site-radiomobile - 9 -

436 Katedra telekomunikační techniky 15. V zobrazeném okně můžeme vidět terénní řez mezi vysílačem a přijímačem. Je zobrazena Fresnelova zóna a její případné narušení. V horní části okna můžete odečíst hodnoty ztrát šíření signálu prostorem (PathLoss), přijímací úroveň (Rx level). Ve spodní části pak definované parametry pro vysílač a přijímač. Máte možnost dodatečně měnit výšku antény. zde je názorně vidět, že došlo k překročení povoleného limitu ČTÚ Obr.5.18 Analýza rádiového spoje Podrobnější výpis parametrů rádiového spoje získáte v menu View>Details. 16. Dalším výstupem programu Radio Mobile je diagram pokrytí území rádiovým signálem. Ten získáme v Tools>Radio coverage>single polar (nebo klávesou F3). Obr.5.19 Signálové pokrytí 06_bezdratove-site-radiomobile

437 Katedra telekomunikační techniky 17. V tomto kroku stačí nastavit způsob zobrazení diagramu pokrytí (Fill area; Solid a případně Rainbow). Zobrazení může být buď v jednotkách dbm nebo dbµv/m. Simulaci vykreslíme tlačítkem Drawn. Obr.5.20 Nastavení vykreslení diagramu pokrytí rádiovým signálem 06_bezdratove-site-radiomobile

438 Katedra telekomunikační techniky Obr.5.21 Různé způsoby zobrazení pokrytí Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

439 Cvičení 9 Elastix Úvod, instalace a vytvoření IVR

440 Asterisk Nejrozšířenější SW VoIP PBX Běží jako SW pod Linux Možnost vytvoření vlastní ústředny s podporou profesionálních služeb - ZDARMA Nutná znalost konfiguračních skriptů

441 Elastix Grafická distribuce Asterisk PBX celý OS Ovládání přes web rozhraní odpadá znalost skriptů Jednoduchá implementace VoIP ústředny Intuitivní instalace, podobná jako u Windows Obdobná distribuce Trixbox, AsteriskNOW

442 VMware Virtualizační nástroj několik distribucí podle škály možností Player, Workstation, Server, ESXi Slouží pro virtualizaci jednoho nebo i více počítačů na jednom hostitelském stroji Možnost lokální nebo vzdálené distribuce Ušetření peněz za hardware, snažší správa

443 Elastix - instalace Nejdříve si stáhneme instalační soubor VMware Player verze 6: a již vytvořený VMware image s Elastix: Dekomprimujeme vytvořený image s příponou.zip Soubory jsou dostupné pouze ze sítě VŠB (VPN)

444 Elastix - instalace VMware nainstalujeme podle průvodce a spustíme aplikaci Klikneme na Open a Virtual Machine a vložime soubor Elastix.vmx pro vložení virtuálního stroje. Klikneme na tlačítko Play Virtual Machine pro spuštění stroje. Při dotazu na původ image, dáme volbu: I copied it (Při dotazu na stažení Vmware Tools dotaz ignorujte, případně odložte)

445 Elastix - instalace Nyní počkáme, než se virtuální stroj spustí a poté se přihlásíme: login: root heslo: Krp106 (je nastavena EN klávesnice) Přečteme IP adresu virtuálního stroje, přes kterou se dostaneme na webové rozhraní Konfigurace samotného Elastix probíhá přes web rozhraní - Username: admin Heslo: Krp106 Elastix může fungovat jako server, Fax server, IM server, databázový server, Web server,atd... Pro konfiguraci ústředny a IVR klikněte na záložku PBX

446 Elastix vytvoření účtů Abychom mohli telefonovat v rámci ústředny, je nutno nadefinovat SIP účty - users. Users označované také Extensions. Klikněte na Extensions-> Generic SIP Device-> Submit

447 Elastix vytvoření účtů

448 Elastix potvrzení konfigurace Po nastavení jakékoliv konfigurace v Elastix je nutné aplikovat tuto konfiguraci do systému. Slouží k tomu tlačítko Apply Configuration Changes Here Bez odsouhlasení nebudou změny platné Je doporučeno aplikovat změny po každé provedené akci.

449 Elastix registrace SW klientů Pomocí SIP VoIP klienta se registrujeme na vytvořené účty např. Yate nebo PhonerLite. (případně Jitsi, X lite, Ekiga, LinPhone) Registrace pomocí PhonerLite: 1. Stáhneme a nainstalujeme program PhonerLite například odsud: 2. Zvolíme Manuální konfigurace a do pole Proxy/Registrar napíšeme IP adresu Elastix virtuálního serveru. Ostatní pole necháme prázdné. 3. Vyplníme číslo vytvořeného účtu do polí Telefonní číslo a Přihlašovací jméno. Doplníme heslo. 4. Nastavíme přehrávací a nahrávací zařízení (většinou Default). 5. Můžeme změnit název profilu. 6. Úspěšně registrovaný klient se indikuje na dolní liště:

450 Elastix registrace SW klientů Registrace pomocí Yate: 1. Stáhneme a nainstalujeme program SJphone například odsud: 2. Zvolíme typ účtu telefonní: Telephony account. 3. Use provider: -none-, Protocol: sip, Server: IP adresa Elastix virt. Serveru. 4. Username: číslo vytvořeného SIP účtu, Password: heslo. 5. V menu Connecting account klikneme na ikonu Close. 6. Úspěšně registrovaný klient se indikuje na dolní liště: U všech klientů kontrolujeme, zda je spuštěna pouze jedna instance programu. Funkčnost vyzkoušíme zavoláním z jednoho klienta na druhý.

451 Elastix IVR Interactive Voice Response známe od operátora Možnost vytvoření v Elastix Nahrávání vlastních zvukových souborů

452 Elastix IVR Vytvoření zvukového souboru Klikněte na System Recordings -> Add Recordings Existují dvě možnosti, jak nahrát novou nahrávku: Namluvením přes registrovaný SIP účet Vložením.wav souboru v s PCM kódováním, 16Bit a 8Khz vzorkováním Pro namluvení vložte číslo registrovaného SIP účtu a poté z tohoto čísla vytočte *77. Po zaznění tónu nahrajte zprávu a ukončete #. Nyní pomocí 1 můžete zprávu vyslechnout. Po zavěšení hovoru napište název nahrávky do Name this Recording a klikněte na Save. Pro vložení nahrávku v požadovaném formátu klikněte na Browse, vyberte soubor a potvrďte Upload. Napište název souboru do Name this Recording a klikněte na Save.

453 Elastix IVR Vytvoření zvukového souboru Pro editaci nahrávek klikněte vpravo na požadovanou nahrávku Zde můžeme editovat název nahrávky, popisek, případně si nahrávku poslechnout či smazat. Elastix také obsahuje přednahrané ukázky, ty jsou dostupné v Build-in Recordings. Vybereme ze seznamu požadovanou přednahranou ukázku a vložíme do seznamu již vytvořených.

454 Elastix IVR Vytvoření hlasového menu Klikněte v levém menu na IVR-> Add IVR Zadejte název hlasového menu (Change Name), dále je možné volit uvítací oznámení (Announcement) a další rozšířené volby. V dolní části menu je možné přiřazovat akce na jednotlivá tlačítka. Kromě čísel 0-9, # a * je také možné definovat parametr i a t. Pokud nejsou tyto parametry nastaveny, tak po uplynutí neaktivní doby (Timeout) se aktivuje parametr t, kdy se opakuje celé menu znovu a po třetím nereagování se hovor zavěsí. Pokud uživatel zmáčkne jinou volbu, než je nadefinovaná, aktivuje se parametr i, kdy se přehraje hláška o špatné volbě. Těmto parametrům lze nadefinovat i jinou funkci pomocí dolní části menu.

455 Elastix Přiřazení čísla k IVR Aby bylo IVR dostupné pod telefonním číslem, je nutné mu jej přiřadit. Nejprve je nutné vytvořit virtuální extensions pomocí Extensions -> None (virtual ext) -> Submit. Zde nastavíme pouze telefonní číslo (User Extension) a jméno (Display Name). Heslo se nenastavuje. V menu Follow Me poté k virt. Extension přiřadíme IVR. Klikneme vpravo na extension add a nastavíme Initial Ring Time na 0 a podmenu Destination if no answer na požadované IVR.

456 Elastix IVR Vytvoření hlasového menu - příklad Vytvoření hlasového menu pro malou firmu: Po vytočení čísla 6003 se aktivuje hlasové menu FIRMA a přehraje se uvítací zpráva(welcome), kdy může volající po dobu 30 sekund volit tlačítko. po stisknutí 1 se přesměruje do hlavního hlasového menu (MENU) kde mu bude přehrána přednahraná zpráva(mainmenu).. po stisknutí 2 se začne volat na účet 6000 např. Na sekretářku., po stisknutí 3 se hovor ukončí. pokud je stisknuta jakákoliv jiná volba, je uživateli přehráno celé hlasové menu znovu. pokud do 30 sekund nezmáčkne další tlačítko, je hovor ukončen.

457 Díky za pozornost

458 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Cvičení Výpočet vlivu prostředí na kvalitu řeči E - model Datum: Autor: Ing. Jan Rozhon Kontakt: jan.rozhon@vsb.cz Předmět: Úvod do komunikačních technologií Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

459 Katedra telekomunikační techniky Hodnocení kvality hovoru Jednou z velkých součástí QoS (Quality of Service) v telekomunikacích je posuzování kvality hlasu. Avšak tato část je právě často poskytovateli opomíjena a častěji se soustředí na zvyšování kapacit sítí, rozšiřování počtu nabízených služeb a jejich prosazení na trhu. Pod pojmem kvalita řeči si lze představit jev, kdy na jedné straně komunikačního systému stojí zdroj signálu obecně (hlasu, řeči) a na straně druhé posluchač snažící se signál (řeč) reprodukovaný zdrojem rozpoznat a ohodnotit jeho zřetelnost. Měření kvality řeči VQM (Voice Quality Measurement) je disciplína, která nabízí prostředky pro přidání lidské perspektivy z pohledu koncového uživatele, na rozdíl od jiných tradičních metod manažování telekomunikačních sítí. Přidání této subjektivní složky však není vždy věcí pozitivní, neboť např. můžeme dosáhnout při posuzování kvality stejného vzorku řeči různých výsledků, jelikož hodnocení silně závisí na psychickém rozpoložení posluchače a jeho soustředěnosti. Dále pak jsou tyto subjektivní metody často velmi zdlouhavé a nákladné. Právě díky nevýhodám subjektivních metod posuzování kvality řeči a hlavně k jejich nemožnosti nasazení v reálném čase se zavádějí metody objektivní, které již ke svému hodnocení nevyžadují lidské posluchače. Tyto metody jsou nejčastěji založeny na matematických výpočetních modelech či algoritmech, které jsou snadno spočítatelné z testovaných vzorků hlasu. Metodiky posuzování kvality hovoru Metodik pro posuzování kvality hovoru existuje více druhů. Tyto metody je dobré rozdělit do dvou základních skupin na: Konverzační testy Poslechové testy Z těchto skupin je také patrné rozdělení kvality na konverzační CQ (Conversational Quality) a poslechovou LQ (Listening Quality). Konverzační testy jsou založeny na vzájemné interaktivní komunikaci dvou subjektů přes přenosový řetězec testovaného systému. Tyto testy poskytují nejrealističtější testovací prostředí, avšak jsou ze všech ostatních způsobů testování nejvíce časově náročné. Častěji doporučované jsou právě testy poslechové, které však nedosahují takové věrohodnosti jako testy konverzační, protože je v některých ohledech jejich omezení méně tvrdé. Tyto testy lze dále rozdělit podle způsobu získávání ohodnocení, jak již bylo v úvodu naznačeno, na: Subjektivní metody, Objektivní metody. Pro ohodnocení kvality řeči se využívá stupnice MOS (viz. Obrázek č. 1) (Mean Opinion Score) definovaná doporučením ITU-T P.800. Výstupem obou typů metod, jak subjektivních tak objektivních je přímo hodnota MOS nebo s mírnou modifikací stupnice dle potřeby. Hodnocení kvality řeči neintrusivní metodou

460 Katedra telekomunikační techniky 3. Výpočet kvality řeči Obrázek č. 1: Poslechová MOS stupnice dle ITU-T. Výpočet R-faktoru se provede dle následující rovnice: R 0 - odstup signálu od šumu. U zjednodušeného modelu Ro = 94,7688. I s simultánní faktor rušení. Nedílná složka hovoru, která nelze odstranit (šumy z okolí, ). U zjednodušeného modelu Is = 1,4136. I d faktor zpoždění zahrnující všechny druhy zpoždění, včetně zpoždění ozvěn. Při zpoždění pod 100 ms lze uvažovat Id = 0. I e-eff faktor zhoršění způsobený vlivem použitého kodeku. Ieef faktor se vypočítá z následující rovnice: A faktor zvýhodnění, který závisí na soustředěnosti posluchače. I e faktor zhoršení daný kodekem. P pl ztrátovost packetů v procentech. BurstR rozložení ztrátovosti packetů. Pokud BurstR = 1, tak jde o čistě náhodné rozložení, pokud BurstR < 1, tak ztrátovost má shlukový charakter. B pl odolnost použitého kodeku proti ztrátovosti. Hodnocení kvality řeči neintrusivní metodou