17. Modulation - Institut für Verteilte Systeme

Blätter zur Vorlesung
Rechnernetze II
Sommer 2002
Prof. Dr. Peter Schulthess
Fakultät für Informatik
Universität Ulm
14. Vorschau
14.1. Einordnung & Organisation
• Fortsetzung zur Vorlsg "Rechnernetze I".
• Grundlage für:
- Mobile Systeme
- Computertelephonie & ISDN,
- Verteilte Betriebssysteme ...
• Praktika & Diplomarbeiten:
-
Web-Video, Multimedia,
Verteilte Betriebssysteme,
Telemedizin, Funknetze,
Java Anwendungen im Netz,
Spiele im Netz ...
• Veranstaltung 3+1, ab 2.5.2000:
- Dienstag, 12-14h, 123(wöchentlich),
- Donnerstag, 14-16h, 123 (alle 2 Wochen).
• Sprechstunde: Dienstag 14 Uhr, Zimmer 350,
o-27 Informatik.
• Übung oder Demonstrationen, im Wechsel mit
Vorl., ab 2. Semesterwoche (alle 2 Wochen).
• Übungsbetreuung:
- Andreas Kassler, Michael Schöttner, M. Wende.
• Anrechnung der kombinierten Übungsnote im
Rahmen der Diplomprüfung möglich (>50%).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
14.2. Literatur
Stallings W.:
Data and Computer Communications;
4. Auflage 1988, Prentice Hall (New Jersey)
Tanenbaum A.: Computer Netzwerke; 2. Auflage 1990,
Wolfram Verlag.
Kauffels F.-J.:
Rechnernetzwerksystemarchitekturen und
Datenkommunikation;
1987 Bibliographisches Institut (Zürich).
Barz H. W.:
Kommunikation und Computernetze
1991 Hanser Verlag (München)
Lindemann B.:
Lokale Rechnernetze;
1991 VDI Verlag (Düsseldorf)
Strayer W. & al.: XTP: The Xpress Transfer Protocol;
1992 Addison-Wesley (Bonn)
Stefferud E. & al. (ed.):
Message Handling Systems and Distributed
Applications:
1989 North Holland (Amsterdam)
Schlüter H.:
ISDN-fähige Kommunikationsanlagen;
1987 Decker (Heidelberg)
Lane M.:
Data Communications Software Design:
1985 Boyd & Fraser (Boston)
Sloman M., Kramer J.:
Verteilte Systeme und Rechnernetze;
1988 Hanser (München)
Chu W. (editor): Computer Communications; Vol. I+II,
1983/85 Prentice Hall (New Jersey)
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
14.3. Rechnernetze II - Inhalt
14. Vorschau
14.1.
14.2
14.3
Einordnung & Organisation
Literatur
Inhalt
15.
Hochgeschwindigkeitsnetze
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
Standardisierung nach IEEE 802
Breitband CATV-Netz
Distributed Q Dual Bus (DQDB)
FDDI
Assynchr. Time MPX (ATM)
Frame Relay
Fast Ethernet
16.
Übertragungsmedien
16.1
16.2
16.3
16.4
16.5
16.6
16.7
16.8
Lichtwellenleiter
Koaxialkabel
Telefonkabel
Funkkanäle
Leitungseigenschaften
Fourierzerlegung eines Signals
Signaldimensionierung
Übersprechen
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.
Modulation
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
17.6
17.7
17.8
17.9
Modemstrecke
Amplitude Shift Keying
Frequency Shift Keying
Phase Shift Keying
Telefon Modems
Quadratuhr Qmplituden Modulation
Trellis coded Modulation
Faltungskodierer
Trellis-Diagramm
18.
Teilnehmeranschlusstechniken
18.1
18.2
Digitalisierung des Fernmeldenetzes
Schmalband ISDN
19.
Modems für „die letzte Meile“
19.1
19.2
19.3
xDSL – Schnelle Zugangstechniken
VDSL
Kabelverteilnetze
20.
Mobile Kommunikation
20.1
20.2
20.3
20.4
20.5
20.6
20.7
Drahtlose Übertragungssysteme
Mobilfunk nach GSM-E.
Qualitätsverbessernde Techniken
GSM-Netzorganisation
Dienste am GSM-Netz
DECT
CDMA
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Schulthess,
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21.
Satelittensysteme
21.1
21.2
21.3
21.4
Umlaufbahnen
Technik
Beispielsysteme
Global-Positioning-Systems
22.1
22.2
22.3
22.4
GPS-Navigation Message
Modulation
Genauigkeit der Messung
Differentielles GPS
23.
Migration zu UMTS
23.1
23.2
23.3
23.4
23.5
23.6
UMTS-Zielsetzung
Datenübertragung in GSM-Netze
General Packet Radio Service
UTRAN
TD-CDMA
WCDMA
24.
Bluetooth Piconetz
24.1
24.2
24.3
24.4
24.5
24.6
24.7
Zielsetzung
Anwendungsbeispiele
Geräteklassen/Profile
Protokoll-Stack
Luftschnittstelle
Anmeldeverfahren
Verschlüsselung
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15. Hochgeschwindigkeitsnetze
802.9
802.1
802.3
802.4
802.5
802.6
802.1
802.2
802.11
802.12
802.14
802.15
802.16 802.10
15.1. Standardisierung nach IEEE 802
802.7
802.8
802.1
802.2
802.3
802.4
802.5
802.6
802.7
802.8
802.9
802.10
802.11
802.12
802.14
802.15
802.16
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Schulthess,
Bridging, Management, Architektur etc.
LLC
Ethernet
Token bus
Token ring
Metropolitan Area Networks
Breitband LANs (BBTAG)
Lichtleiternetze / FDDI (FTAG)
Harmonisierung Ethernet/ISDN
Verschluesselung & Authentisierung
Drahtlose LANs
Fast Ethernet (100 VG - AnyLAN)
Bidirektionale CATV Netze
Drahtlose mobile Picozellen-Netze
Drahtlose breitbandige Festnetze
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15.2. Breitband CATV Netze
15.2.1.
Split-Spectrum Breitbandnetz:
• Auf existierenden Kabelfernsehnetzen:
- neben den vorhandenen Fernsehkanälen,
- alternativer Telefonteilnehmeranschluss,
- für schnelleren Internet-Zugang.
• Richtungstrennung durch Frequenzumsetzung
in der Kopfstation (nur ein Kabel):
Verteilen
Headend
Rückkanal
• Viele Kanäle auf einem Kabel im
Frequenzmultiplexverfahren:
-
Schnelle & langsame LANs ,
Modemfestverbindungen,
Frequenzagile Modems,
Videokanäle.
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Schulthess,
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15.2.2.
Wurzelbaum als Topologie
• Kommunikation über die Kopfstation:
- mit Nachbarn im "LAN",
- Internetzugang,
• Umrüstung vorhandener CATV-Netze.
- für bidirektionale Übertragung,
- richtungsabhängige Verstärkung,
- Frequenzfilter zur Richtungstrennung.
• Hybridnetze:
- Teilnehmeranschluss mit Koaxialkabel,
- Verteilnetz in Glasfaser ausgeführt,
- meist schon bidirektional.
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Schulthess,
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15.2.3.
CATV-Netzanschluss:
• Reflexionsarmer Teilnehmeranschluss:
- Dämpfung im Prinzip ohne Reflexion,
- im Unterschied zu Ethernet.
• Richtkoppler (englisch "Tap"):
- ausgekoppelte Energie abhängig von der
Fortpflanzungsrichtung der Welle:
99%
100%
1%
99%
1%
• Umrüstung auf bidirektionale Ubertragung:
- Transponder in der Kopfstation,
- Verstärker,
- Filter.
• Abzweigdosen (Taps), Splitter.
• Frequenzkompensation...
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.2.4.
Aufteilung des Frequenzbandes:
• Subsplit Schema:
- 5-30 MHz zur Kopfstation ("upstream"),
- 54-400 MHz von Kopfstation ("downstream"),
- 10 MHz Schutzband dazwischen.
• Midsplit Schema:
- 5-116 MHz zur Kopfstation,
- 168-400 MHz von der Kopfstation,
- evtl. höhere Frequenzen für TV.
• Highsplit Schema:
- 5-174 / 232-400 MHz.
• Supersplit Schema: bis 800 MHz.
• Kabelmodems:
- USA:
5-42 / 42-850 MHz
- Europa:5-65 / 65-850 MHz
• Aufteilung auf zwei Kabel möglich.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.2.5.
Kabelmodem
TV
Splitter
TV
VCR
Hochpassfilter
Kabel
Kabelmodem
PC
• Pro:
- Telephondienst möglich,
- Dauerverbindung,
- hohe Datenrate,
• Contra:
- Verschlüsselung zwingend,
- asymmetrische Datenrate,
- Wettbewerb zw. Teilnehmern im selben Kanal,
• Upstream:
-
3 MBit/s (bis 30 MBit/s geplant),
reservierte Zeitschlitze,
Zeitschlitze mit Wettbewerb ("Contention"),
Justierungszeitschlitze (Slot-Takt, Signalpegel).
• Downstream:
- 27-56 MBit/s,
- Strom von Zeitschlitzen,
- MPEG-Frames von Kopfstation.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Anordnung im TV-Raster:
2 MHz Raster
upstream
6 oder 8 MHz Raster
downstream
TV-Kanäle
z.B. 65 MHz
• Zentrale Steuerung von Kopfstation (CMTS):
- Anmeldung und Frequenzvergabe ,
- Zeitschlitzvergabe,
- Justierung ...
• "Store-and-Forward" in der Kopfstation.
• Standard DOCSIS (USA / MNCS):
- Data Over Cable Service Interface Specification,
- EuroDOCSIS mit anderer Frequenzzuteilung.
• DVB/DAVIC als europäische Konkurrenz:
- Integration mit Satellitenstandard,
- Dienstequalität und Telephonie.
• IEEE 802.14 als Kabelmodem-Empfehlung.
• Ausführungsformen:
- externes Modem (Ethernet, USB, ...)
- interner Adapter (PCI ...)
- Set-Top Box (TV, evtl. POTS-Rückkanal).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.2.6. Richtungsgetrennte Verkabelung:
• Nicht für existierende Fernsehverteilnetze.
• Installation von zwei parallelen Kabeln.
• Volle Ausnutzung des Frequenzbandes.
• Keine Filter erforderlich.
• Doppelte Kabelkosten.
• Passive Kopfstation.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.3. Distributed Q. Dual Bus (DQDB)
15.3.1.
Physikalische Realisierung
A-Bus
•••
B-Bus
• Unidirektionaler Bus in jeder Richtung.
• Jede Station liegt an beiden Bussen.
• Stationen ganz außen erzeugen Zeitschlitze.
• Folgestationen hören und addieren ihre Bits.
• Übertragungen nur "stromabwärts".
• Einsatzbereich unter anderem für Metropolitan Area Networks (MANs).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.3.2.
Reservierungsverfahren
Leere A-Slots
A-Slot Reservierungen
• Stationen realisieren eine verteilte
Warteschlange für jede Richtung.
• Stationen rechts aussen haben Vorrang.
• Request-Zähler A zählt unerfüllte Requests
von weiter rechts liegenden Stationen:
- A-Reservierung erhöht den Zähler,
- leerer A-Slot vermindert den Zähler.
• CountDown-Zähler A hält die Position der
Station in der Warteschlange:
- Request-Z -> CountDown wenn “Ready”,
- decrementieren für jeden freien Slot,
- senden falls CountDown=0.
• Getrennter Satz von Zählern für beide
Übertragungsrichtungen.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.3.3.
Slotformat
• 8000 Frames pro Sekunde.
• z.B. 45 Slots bei 155 MBit/sec.
Frame 125 µsec
Header
Slot 1
Slot 2
Slot 3
•••
Slot N
Padding
53 Oktette
1 Oktett
Busy Typ
Bit
Bit
52 Oktette
Request
Bits (3)
Header
4 Oktette
Nutzlast
48 Oktette
• Busybit zum Belegen eines Slots.
• Typbit zum markieren fester Belegungen.
• Requestbits für 3 Prioritäten.
• Pro Priorität separater Reservierungszähler.
• Header als Quell- und Zieladresse.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.4. FDDI
• Fiber Distributed Device Interface.
• Glasfasernetz mit Ringtopologie.
• Doppelring als Ausfallsicherung.
15.4.1.
Ringtopologie
• Multimode Glasfaser, LEDs.
• 2 gegenläufige Ringe.
• Nutzdatenrate 100 MBit/s (@125Mhz).
• 1000 Stationen, 200 km (=66 kBit).
• 4B/5B-NRZI Code (statt Manchester).
• dezentraler Takt (125 MHz, 0.005%):
-
Taktgewinnung durch lange Präambel,
mindestens 10 Bit Puffer pro Station,
jede Station taktet neu,
implizite Speicherung im Ring,
Jitter –>max. Paketlänge (4500 Byte).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.4.2 "Early Token Release":
• Verbessertes Token Ring Zugangsprotokoll.
D
D
Token
A
C
A
C
B
B
D
D
A
C
A
C
Token
B
B
D
D
Token
A
C
Token
B
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Schulthess,
A
C
B
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Token konsumieren.
• Neues Paket erzeugen,
• Neues Token sofort nach Paketversand
anfügen.
• Bei grossen Ringen mehrere Pakete auf dem
Ring möglich.
• Zwei Klassen von Stationen:
- Typ A ist am Doppelring angeschlossen,
- Typ B ist nur an einen Ring und nicht
redundant angeschlossen.
15.4.3 Erweiterung als FDDI-II
• Zur Unterstützung von Kanälen mit starrer
Synchronisierung (Telefon, Multimedia).
• zusätzliche Synchronrahmen alle 125 µsec:
-
für PCM & ISDN-Daten (64 Kbit/s).
erzeugt durch eine Masterstation,
maximal 16 Synchronrahmen,
96 Byte leitungsvermittelt,
16 Byte nicht leitungsvermittelt,
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.5. Asynchron. Time MPX (ATM)
• Mischen von Datenströmen mit
unterschiedlicher Datenrate.
• Diensteintegration:
-
Telephonie, ISDN,
PC-Kommunikation,
LAN-WAN Interconnection,
Fernsehverteilung,
Videokonferenzen,
Multi-Media Endgeräte...
• Standard für Breitband-ISDN (B-ISDN):
- CCITT I.150,
- Pakete mit fester Länge (53 Bytes),
- kleine Latenz,
- “Forward or Drop” Verfahren,
- wenig Protokollaufwand.
• Dienstequalität (QoS) anfordern:
-
2 Prioritäten,
garantierter Durchsatz,
mittlerer Durchsatz,
maximaler Durchsatz,
Laufzeitgarantie,
Laufzeitvarianz,
Broadcast und Multicast möglich.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.5.1.
Paketformat
48 Byte Payload
5 Byte Header
Prüfsumme
Physical Layer Bits
Virtual Circuit # (VCI)
Virtual Path # (VPI)
Generic Flow Control
• Für den Transport im ATM-Netz wird im
Prinzip nur der VPI verwendet.
• Erst im Endknoten wird VCI ausgewertet und
zum Beispiel auf Sockets abgebildet.
• Physical Layer Bits für “Cell Loss Priority”.
• Generic Flow Control meldet Netzüberlast.
• Sequenznummern entfallen.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.5.2.
Verb.aufbau
ATM Protokollstack
Anwendungsprogramm
Mod. LAPD
Null
Segmentierung …
Null
Adaptierungsebene
Header, Payload, Flusskontr.
ATM-Ebene
Fasertyp, Scrambling…
Phys. Ebene:
• Je nach Bedarf kann das Anwendungsprogramm
den Dienst der Adaptierungsebene in Anspruch
nehmen.
• Nur ausnahmsweise wird das Programm direkt 48
Byte Pakete verarbeiten.
• Auch für den Verbindungsaufbau und die
Signalisierung allgemein sind Bibliotheksprozeduren erforderlich.
• ATM-Features, die nicht in der Bibliothek
verankert sind, können vom Programm etwa unter
Umgehung der LAPD-Prozeduren gerufen
werden.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.5.3.
Adaptation Layers
Convergence Layer:
• Modifizierte ISDN Q.931 Signalisierung.
• Signalisierung z.B. über (VP=0, VC=15).
Segmentation and Reassembly:
• LAPD-Meldungen segmentieren,
• Prüfsumme für “Payload” einfügen,
• z.B. TCP-Meldungen segmentieren,
• und reassemblieren ...
By-Pass Betrieb:
• ohne Convergence Layer, mit SAR,
• ohne Convergence L., ohne SAR,
Programm erhält direkt die 48 Byte Pakete.
STM im Vergleich zu ATM:
(=synchronous time multiplexing),
• STM verwendet Leitungsvermittlung,
• Bitsynchron zwischen Endpunkten,
• suboptimale Leitungsauslastung.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.5.4.
Host Interfaces
• ATM ist eine Vermittlungstechnik aber keine
Schnittstellenspezifikation.
• Verschiedene Anschlusstechniken:
- Glasfaser (Physical FDDI, ...),
- Twisted Pairs (Ethernet, ISDN, ...),
- Koaxialkabel (Ethernet, ...).
• Datenraten:
- variable Datenraten,
- SONET Rate 155,52 Mbps (STC-3c),
- SONET Rate 622,8 Mbps (STS-12c)...
• Realisierung in einer Sun-Workstation:
-
Adapterkarte mit FDDI Anschlusstechnik,
Adaptation Layers auf der Karte,
Message assembly & disassembly auf Karte,
Framing und CRCs auf Karte,
Call Control & höhere Protok. in Sparc CPU.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.5.5.
ATM Adaptation Layers:
• Verstecken die Zellenstruktur vor dem
Programm.
• Benutzer-SDUs werden in der Convergence
Sublayer CS mit einem Umschlag versehen.
• Segmentation and Reassembly Sublayer
erzeugt die ATM-Zellen, bzw. setzt diese
wieder zusammen.
SDU
AAL
CS
CS
Header
CS
Trailer
SAR
ATM
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• AAL 1:
- dient zur Anpassung von CBR-Verkehr
(Constant Bit Rate), z.B. H.261 Video,
- Sequenznummer und Prüfsumme,
- Nutzlast pro Zelle 46 bzw. 47 Byte,
- evtl. Vorwärtsfehlerkorrektur.
• AAL 2:
-
Variable Bitrate (VBR), z.B. MPEG,
Sequenznummer und Prüfsumme,
Nutzlast pro Zelle 45 Byte,
evtl. Vorwärtsfehlerkorrektur.
• AAL 3/4:
- für VBR Daten entworfen,
- ursprünglich AAL 3 verbindungsorientiert und
AAL 4 verbindungslos,
- Segmentierungs-Information und Prüfsumme
für die Zelle,
- Nutzlast ist 44 Byte.
• AAL 5:
- ebenfalls für Daten mit variabler Bitrate,
- Nutzlast in einer Zelle belegt alle 48 Byte,
- nur der CS-Rahmen enthält Verwaltungsinformation und Prüfsumme.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.6. Frame Relay
• Ähnlich wie ATM, aber:
-
keine Zellen fester Länge vermitteln,
sondern Messages variabler Länge,
höherer Protokollaufwand in Vermittlung,
kleinere Übertragungsrate ~2 MBit/sec.
• Format einer Meldung:
Extended Address
Discard Eligibility
Forw. Explicit Congest. Notif.
Backw. Explicit Congest. Notif.
Data Link Connection Identifier
Extended Address
Command/Response
Data Link Connection Identifier
• Vermittlung evtl. nicht blockierungsfrei.
• Blockierungsmeldung von Vermittlung
entspricht Kollision bei CSMA/CD.
• Retransmission durch Endgerät.
• Sicherung durch Endgeräte.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.7. Fast Ethernet
15.7.1.
Ethernet Stammbaum:
10 Base 5
10 Base-2
10 Base-T
10 Base-FL
Wireless Ethernet (802.11)
100 VG AnyLAN (802.12)
100 Base-T
100 Base-TX
100 Base-T4
100 Base-FX
IEEE 802.3x
1000 Base-X
1000 Base-T
1000 Base-SX
1000 Base-LX
1000 Base-CX
1000 Base-LH
10 Gigabit
(802.3ae)
• Betriebsart: halb/voll-Duplex,Autonegotiate.
• Medium: Koax, Kupferpaare, Glasfaser.
• Zugriff: CSMA/CD, Demand Priority.
• Hubs: Umcodierung, Switching.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.7.2. 100 Mbit Fast Ethernet:
• Sterntopologie und nicht mehr Busnetz:
- Leitungslänge 100 m (150m VG AnyLan),
- Ethernet Rahmenstruktur wird beibehalten.
• Nutzung vorhandener Telefonverkabelung:
- bis zu 4 verdrillte Adernpaare (Typ 3/4/5).
• 100 Base-TX:
- Fullduplex Option (keine Kollisionen),
- 2 verdrillte Adernpaare aus RJ45:
Senden +
Senden Empfangen +
unbenutzt
unbenutzt
Empfangen unbenutzt
unbenutzt
• 100 Base-T4:
-
keine Fullduplex Option,
4 verdrillte Adernpaare aus RJ45,
reduzierte Baudrate für Typ 3 Kabel,
Kollisionsmeldung auf Adernpaar "Empfang":
Senden +
Senden Empfangen +
bidirektional +
bidirektional Empfangen bidirektional +
bidirektional -
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Verhandlung der Betriebsart (Autonegotiate):
->
->
->
->
->
100 Base-TX, full-duplex ?
100 Base-T4 ?
100 Base-TX ?
10 Base-T, full duplex ?
10 Base-T.
• 100 Base FX:
- Übertragung über Glasfaserpaar.
• Full-Duplex Betrieb:
- Übertragungsrate bis 200 Mbit/sec,
- nur für 100 Base TX, 10 Base T und Glasfaser,
- erfordert "Switching Hub" mit Speicherfunktion.
• 100 VG AnyLAN:
-
Vorschlag von IBM,
"VG" = "Voice Grade" Leitungen,
Prioritätenregelung für verschiedene Links,
kein CSMA/CD, sondern Steuerung vom Hub.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.7.3. Gigabit Ethernet:
• Sternförmige Verkabelung:
-
hochwertige Glasfaser (LX),
einfache Glasfaser (SX),
geschirmtes Kupferkabel (CX),
ungeschirmtes Typ 5 Kupferkabel (T),
Weitverkehrsvarianten (LH, long-haul).
• Distanz =100 m pro Anschluss:
- Kollisionserkennung,
- Pausensignalisierung & Flusskontrolle.
• Übertragungstechnik für Kupfer:
-
4 Doppeladern (Typ 5),
fullduplex Option,
5 Signalstufen pro Paar,
Symbolrate 125 Mbit/sec.
• Netzarchitektur:
- nur noch switching Hubs,
- 1 Repeater pro Kollisionsbereich (200m),
- Weitverkehrsnetze möglich.
• Autonegotiation:
- 10/100/1000 Mbit,
- Duplex, halbduplex.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
15.7.4.
10 Gigabit Ethernet:
• Fernnetz über Glasfaser.
• Mischung von Sprache & Daten.
• Noch in früher Spezifikationsphase.
• Vorl. Projektautorisierung durch IEEE.
• Konkurrenz zum europäischen ATMKonzept.
• Schwedisches Pilotprojekt.
15.7.5.
Wireless Ethernet:
• IEEE 802.11 Empfehlung.
• Bitrate ca. 2 Mbit über 1.5 km.
• Frequenzbereich 2.4 GHz (USA).
• Lizenzfreie Spreizspektrum-Technik.
• z.B. WaveLAN von Lucent Techn.
• Alternativen bei 930 MHz (USA).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16. Übertragungsmedien
16.1. Lichtwellenleiter
16.1.1.
Faserbündel:
• Mehrere Fasern in äusserer Ummantelung:
- Schutz vor Beschädigung,
- Absorption durch Mantel,
- Schutz gegen Streulicht.
• Kein Übersprechen zu Nachbarfasern.
• Wellenlängenmultiplex möglich.
• Glas oder Kunststoff als Lichtleiter.
elektrisches Signal
optisches Signal
Laser/LED
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Schulthess,
elektrisches Signal
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16.1.2.
Brechungsgesetz nach Snellius:

A
B

Br-IndexA * sin  =Br-IndexB * sin 
• Kern & Hülle aus Glas oder Kunststoff.
• Hülle mit niedrigem Brechungsindex.
• Totalreflexion beim Übergang Kern/Hülle
falls sin  =1, z.B.:
-
BrechungsindexA = 1.5
BrechungsindexB = 1.2
sin  = 0.8
sin  = 1.0
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16.1.3.
Multimode Faser mit Stufenindex
Hülle
Kern
Mantel
•
•
•
•
Kern 50–125 µ, Hülle 125–500 µ.
Unterschiedliche Pfadlänge (Modi).
Pulsverbreiterung durch die Übertragung.
Pulsverbreiterung bestimmt die Datenrate.
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16.1.4.
Single Mode Glasfaser
Hülle
Kern
Mantel
•
•
•
•
•
•
Kernradius ˜ Wellenlänge, 2–8 µ.
gleiche Pfadlänge für alle Modi.
Kleinere Pulsverbreiterung.
Kleinere Dämpfung.
Modulation mit bis zu 50 GHz.
Fernleitungen für Telefongespräche …
•
•
•
•
Wellenlängen 850, 1300 oder 1500 nm.
LEDs oder kohärente Laser als Sender.
Photodioden als Empfänger.
Erbium-Glas für Verstärkereffekte.
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16.2. Koaxialkabel
• Für mittlere Datenraten und Entfernungen.
• Bevorzugt für lokale Datennetze (LANs).
• Wellenwiderstand 50 ? oder 75 ?.
• Sicherheit gegen Störung und Abstrahlung
durch metallische Ummantelung.
• Praktisch kein Feld ausserhalb:
• Widerstandsverluste wachsen mit Wurzel der
Frequenz => 2 bis 10 GHz
• Signalausbreitung im Dielektrikum zwischen
den Leitern
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Hohlleiter (Waveguide)
• vgl. 'Gartenschlauch-Telefon'
• Metallischer Hohlkörper
- gefüllt mit Luft oder Stickstoff
- rund, elliptisch oder rechteckig
• Geführte Ausbreitung
- elektromagnetische Wellen
- sehr hohe Frequenzen (Mikrowellen)
- fortlaufende Reflektion
- hohe Energien
• Heute noch als Zuleitungen für
Richtfunkanlagen
• 2GHz - 110 GHz
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16.3. Telefonkabel
• Preisgünstig für kurze Entfernungen oder
kleine Datenraten.
• Relativ hoher Wellenwiderstand:
-
Angenehm für den Leitungstreiber,
Twisted Pair
120 ?,
FM Bandkabel 300 ?,
Telefonfreileitung 600 ?.
• Vieladrig für grössere Installationen.
• Wenig oder keine Abschirmung.
• Verdrillt zur Reduktion der Abstrahlung:
- Verdrillungslänge << Wellenlänge,
- Feld der Doppelader nimmt ab mit 1/R2:
1 2
R
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16.4. Funkkanäle
•
•
•
•
•
•
•
Satelliten als Relaisstationen (Iridium …).
Mikrowellenrichtfunk im Fernmeldenetz.
Betriebsfunk.
Öffentliche Mobilfunknetze (D-Netze …).
Paketfunknetze (Modacom).
(IR-Strecken).
Reduzierte Zuverlässigkeit:
- Behinderung durch Schnee & Regen …
- Atmosphärische Störungen,
- Mehrwegausbreitung (Fading),
- Abschattungen:
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16.5. Leitungseigenschaften
16.5.1.
Wellenwiderstand und Reflexionen
• Eine unendlich lange Leitung bietet am
Eingang den Wellenwiderstand Zw.
• Leitungseigenschaft ZW=Uin/Iin :
Uin , I in
• Leitung aufschneiden und abgeschnittenen
Teilersetzen durch einen Widerstand ZT
("Termination", Abschluss):
ZT
Uin , I in
ZW
• Falls ZT=ZW keine Änderung der Verhältnisse
am Eingang. Sonst Rückwirkungen auf den
Eingang, sogenannte Reflexionen.
• Der Abschlußwiderstand ZT kann nur die
gesamte Energie absorbieren, wenn ZT=ZW.
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16.5.2. Laufzeit
• Lichtgeschwindigkeit setzt eine obere Grenze
von 300.000 km/sec.
• Signalverzögerung beim Telefonieren über
Satelliten:
• Die Kommunikation zwischen Rechnern
erträgt oft keine derartige Verzögerung.
• Eventuell zusätzliche Verzögerungen im
Vermittlungsrechner.
• Frequenzabhängige Laufzeit (Dispersion) und
deren Kompensierung (Equalisation).
• Maßnahmen zum Abgleichen der Laufzeiten
auf parallelen Leitungen.
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16.5.3. Wellengleichung:
• Signalamplitude a zur Zeit t am Ort d:
a(t,d) = Acos 2š( f t - d  ) = Acos()
• Phase  für ein bestimmtes t und d auf einer
Übertragungsleitung:
 = Phase = 2š ( f t - d  ) =(f,t,d)
c = Ausbreitungsgeschwindigkeit
 = Wellenlänge
c
f = Frequenz =
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
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16.5.4. Linearität des Phasenganges:
• Der Phasengang ist linear, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit c und die Wellenlänge  von der Frequenz f unabhängig ist.
• Linear in f:
f

f
• Sonst nicht linear in f:
f

f
• Wenn nicht alle Frequenzkomponenten
gleichzeitig ankommen, ergeben sich Verformungen & Schwierigkeiten bei der Signalerkennung und Taktgewinnung im Empfänger.
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16.6. Fourierzerlegung eines Signals
• Joseph Fourier, 1822:
• Jedes periodische Signal kann als Summe von
Sinus und Cosinusdargestellt werden:
• a0, an, bn sind die Fourierkoeffizienten
• a0 ist der Gleichstromanteil.
• Berechnung mittels Fourieranalyse.
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16.6.1.
Signal & Frequenzspektren:
• periodische Sinusschwingung:
- diskretes Spektrum,
- eine Frequenzkomponente:
a
t
A
f
f0
• periodisches Rechtecksignal:
- diskretes Spektrum,
- mehrere Frequenzkomponenten:
a
t
A
f
f 0 3f 0 5f 0 7f0
• aperiodisches Signal:
- kontinuierliches Spektrum,
- unendlich viele Frequenzkomponenten:
a
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Schulthess,
t
A
f
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16.6.2.
Filterung
• z.B. Übertragungsleitung als Filter
- Hochpass, Tiefpass, Bandpass,.
- dämpft unterschiedliche Frequenzen verschieden,
- Verzögerungswirkung auf Frequenzen,
- Reaktion auf Phasen.
• Lineare Schaltkreise und Sinuswellen
- verändern Frequenzen nicht,
- können relative Amplituden ändern,
- können relative Phase verschieben.
• Phasenverschiebung um 
sin(x) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x)
=> sin(x+p/4) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x)
2
2
4
6
t
-2
• Unterschiedliche
Frequenzanteile
bezeichnet.
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Laufzeit
verschiedener
wird
als
Dispersion
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16.6.3.
Effekte bei der Übertragung:
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
Originalsignal
Dämpfung
Bandbreitenbeschränkung
Verzögerung
Rauschen
Übertragungsfehler!
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16.6.4.
Dämpfung
• Abschwächung des Signals.
• Ohmscher Verluste.
• Skin Effekt:
- höhere Frequenz => Selbstinduktion,
- höhere Impedanz im Drahtzentrum,
- Strom fließt auf der Oberfläche,
- erhöhte Abstrahlung.
• Dielektrischer Verluste
- isolierte Drähte bilden 'Kondensator'
- Energieverlust durch den Isolator
• Abstrahlungsverluste
• Reflexionen
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16.6.5.
Masseinheit für Dämpfung
• Abschwächung des Signals wegen:
-
Ohmscher Verluste, Skin Effekt,
Dielektrischer Verluste,
Abstrahlungsverlusten,
Reflexionen.
• Dezibel als Maßeinheit der Dämpfung G:
G = 10 log( Pin / Pout )
= 20 log( Uin / Uout ) [dB]
• Die Dämpfung (in dB) ist eine additive
Eigenschaft einzelner Leitungsabschnitte.
• Dezibel-Millivolt (dBmV) ist eine Pegelangabe, bezogen auf den Referenzpegel von 1mV.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.6.6.
Bandbreite
• Intervall zwischen unterer und oberer
Grenzfrequenz. Dazwischen einigermaßen
gleichmäßige Dämpfung und linearer
Phasengang gewünscht.
• Zum Beispiel Telephonfernleitung:
• Bandbreite eines Signals.
• Übertragungsfunktion eines Kanals:
A() = |A()| ej
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.6.7.
Signal
Einschränkung der Bandbreite
mit
2000
bit/s
Bandbreite
500
Hz
Bandbreite
900
Hz
Bandbreite
1300
Hz
Bandbreite
1700
Hz
Bandbreite
2500
Hz
Bandbreite
4000
Hz
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.6.8.
Verzerrungen
• Lineare Verzerrungen:
– Frequenzabhängige Dämpfung.
– Frequenzabhängige Laufzeiten.
– Nichtlinearer Phasengang.
• Nichtlineare Verzerrungen:
– Leitungsverstärker übersteuert.
– Mischprodukte.
16.6.9.
Störspannungen
• "Elektrische Umweltverschmutzung".
• Einschaltspitzen.
• Übersprechen.
• Thermisches Rauschen (--> kühlen).
• Halbleiterrauschen.
• Reflexionen.
• Störpegel in dBmV.
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16.7. Signaldimensionierung
16.7.1.
Problemstellung
• Ein Übertragungskanal hat nur eine
beschränkte Bandbreite:
- Telefonleitung z.B. 300 .. 3400 Hz,
- Fernsehkanal 7 MHz,
- Hi-Fi Stereo Anlage 2 * 30 .. 20 000 Hz.
• Auf einem vorgegebenen Kanal wollen wir
möglichst viele Datenbits übertragen.
• Energie auf Signalfrequenzen außerhalb des
übertragenen Bandes ist verloren.
• Das Energiespektrum des übertragenen
Signals muß also dem Übertragungskanal
angepaßt werden.
• Die ausgestrahlte Leistung sollte grösser sein,
als das Grundrauschen im Kanal.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.7.2.
Unmodulierte Sinusschwingung:
• Dauerton:
-
Navigation, Frequenznormal,
einfachster Fall,
eine diskrete Spektrallinie,
plazieren wo minimale Dämpfung:

Dauerton
Übertragungsfunktion des Kanales
 opt
w
• Leider überträgt ein unmodulierter Dauerton
aber keine Information ( 0 Bit/sec).
• Frequenzumtastung:
- suboptimale Plazierung der F.-Anteile,
- Verbreiterung der einzelnen Linien:

Übertragungsfunktion des Kanales



• Ergibt sich aus der Fourierzerlegung des
Signales.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.7.3.
Abtasttheorem von Nyquist :
Problemstellung:
• Wie oft muß ich ein frequenzbeschränktes
Signal abtasten, um es aus den Abtastwerten
eindeutig rekonstruieren zu können?
Signal(t)
0
t
Antwort:
A = 2 * fmax Abtastwerte pro Sekunde
(fmax ist die obere Frequenzgrenze)
Plausible Begründung:
- Betrachte Signal mit Periode 1 sec,
- Spektrallinien im Abstand 1 Hz,
- A/2 Sinus-Koeffizienten und A/2 CosinusKoeffizienten genügen zur Rekonstruktion des
Signales,
- N-fache Periode verlangt N mal mehr
Abtastwerte im N-fachen Zeitraum …
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Inverse Fragestellung für Datentransfer:
• Wieviele Symbole können pro Sekunde über
einen nach oben frequenzbeschränkten Kanal
übertragen werden ?
X(f)
0
f max
f
• Der Kanal überträgt alle durch fmax
beschränkten Fourierspektren.
• Diese werden je durch einen Satz von
Fourierkoeffizienten beschrieben:
- endliche Menge bei periodischer Fkt.,
- unendliche Menge bei aperiod. Fkt.
• Mehr Spektren können nicht übertragen
werden.
• Mehr Koeffizienten können nicht übertragen
werden.
=>Eine Signalquelle kann maximal 2*fmax
Symbole pro Sek. übertragen (wenn sie auch in
der Lage ist, alle Fourierspektren zu fmax
erzeugen).
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.7.4.
Shannon Limit
• Das Abtasttheorem spricht von Symbolen,
bzw. Abtastwerten. Diese können mehrwertig
sein (1 Byte, 12 Bit …).
• Eine Abtastrate misst sich in Baud bzw.
Symbolen pro Sekunde, nicht Bits/sec.
• Enthält ein Symbol mehrere Bits so erhöht
sich die Menge der Information.
• Das Signal/Rauschverhältnis S/R bestimmt
die Anzahl der Bits pro Symbol.
• Verrauschte Bits sind nicht mehr sicher
erkennbar.
Übertragbare Bits pro Sekunde:
Shannon Limit = 2 * fmax *log2 ( 1 + S/R )
fmax =1
- S/R = 0 : keine Information
- S/R = 1 : ~1 Bit/sec
- Faktor 2 ist unscharf.
…
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16.7.5.
Bandbegrenzte Pulsformen
• Für jedes Symbol einen Impuls schicken.
• Welche Impulsform füllt das Übertragungsband
(max= o) des Kanales gleichmässig?
• Spektrum des gesuchten Impulses:
Amplitude()

o
F=1
o
Frequenz 
• Integration über alle spektralen Anteile:
o
s(t)
=
1 cos(t) d
o
•
0
o
[
sin(t)
o t
]
 t)
= sin(
o t - 0
= 0
• Kurvendiskussion:
• s(t)=1: sin() /  = 1 ( 
• s(t)=0: für
o t ={ , 2
   bzw. t = { o , 2o o
bzw. t = n T/2 = n / 2 fo
bzw. t = Abtastzeitpunkte
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.7.6. Impulsform (sin x)/ x :
• Viele Impulse bzw. Symbole überlagern.
• Keine Symbolinterferenz:
- In einem bestimmten Abtastzeitpunkt liefert immer
nur ein Impuls einen Beitrag.
T/2
t
t=0
• Beiträge anderer Impulse sind jeweils null:
- aber nur wenn die Abtastzeitpunkte exakt sind,
- oder sich positive und negative Restamplituden
ausmitteln.
• Konvergiert also nicht bei Abtastzeit-Fehlern.
• Es gibt also im Prinzip eine Signalform,
welche die Nyquist-Grenze im frequenzbeschränkten Kanal erreicht. Das Herstellen
optimaler Pulsformen ist aber schwierig.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Impulsform mit Cosinusspektrum:
• "Raised cosine spectrum".
• Konvergiert auch bei ungenauen Abtastzeiten:
Amplitude()

o
Frequenz 
 o
F=1
• Spektrale Verteilung A():
1 ( cos() + 1)
o
A() =
• Impulsform (ähnlich oben):
o
1 { cos( ) + 1 } cos(t) d
o 0
•
sin(2 0t)
2
2
t
0 (1- t / T )
bzw.
sin(
 (1-  2)
• T = 1/ 2fo;  = t/T (normiert)
• Doppelte Bandbreite nötig, bei gleicher
Symbolrate.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
16.8. Übersprechen
• Unerwünschte Signale vom Nachbarkanal:
- parallel verlaufende Kabeladern,
- Nachbarfrequenzen ...
• Meist symmetrische Beeinflussung:
• Übersprechen und Signaldämpfung:
- Fernnebensprechen ("Far-End Crosstalk"),
- Nahnebensprechen ("Near-End Crosstalk"):
NEXT
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17. Modulation
• Eine Form der Signaldimensionierung.
• Rechtecksignale haben ein sehr breites
Spektrum. Das digitale Signal soll deshalb
nicht direkt auf die Leitung.
• Die digital anfallende Information wird einer
Trägerschwingung aufgeprägt, als:
- Amplitudenmoulation.
- Frequenzmodulation.
- Phasenmodulation.
• Auf dem Wählnetz sind heute 30 Kbit pro
Sekunde möglich:
- Trelliscoding,
- Absenken der Datenrate bei schlechter Leitung.
Merke:
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1 Bit/sec. ? 1 Hz Bandbreite
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17.1. Modemstrecke:
moduliert
Modem
Modem
Trägerfrequenz
auf der Telefonleitung
Digitales Signal
unmoduliert
Terminal
Terminal
• "Modem" für Modulator/Demodulator.
• Für kurze Distanzen genügt ein sogenanntes
Basisbandmodem, welches nur eine
Codierung, aber keine Trägerschwingung
verwendet.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.2. Amplitude Shift Keying (ASK)
- keying: Sender ein/ausschalten bzw. umschalten
- Umschaltrate = Symbolrate
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.3. Frequency Shift Keying (FSK)
• V.21-Modem: Space (0) and Mark (1)
- 980 und 1180 für Originate-Seite (Bell 103:
1070 und 1270)
- 1650 und 1850 für Answer-Seite (Bell 103:
2025 und 2225)
- Echo-Unterdrückung abschalten
- 300 bps vollduplex
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.4. Phase Shift Keying (PSK)
- 180° = Space (0), 0° = Mark (1)
- erfordert Referenzsignal
• Phasendiagramm (Länge = Amplitude)
• Differentielles PSK: 'Taktgewinn' aus
ständigem Phasenshift
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.5. Telefon Modems
• V.21 / Bell 103 siehe oben
• DiBit PSK (DPSK, V.22, auch: QPSK)
- 600 baud, 1200 bit/s
- Bell 212A: 600 bit/s
- Fallback nach FSK
- V.22bis mit 2400 bit/s:
DiBit
00
Phasen-Shift 90°
01
0°
10 11
180° 270°
• Asynchroner Betrieb
- Kennzeichnung der Bytes wie V.24
- Startbit + Stopbit(s)
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• MNP: MicroCom Networking Protocol
- Paketisierung: Fehlererkennung und Korrektur
- Kompression mit LZ77
- V.42: CRC, LAP/B, LZW
• Synchrone Modems
- ohne Start/Stop Byte-Rahmen
- Protokoll unterscheidet Idle & Nutzdaten
- z.B. HDLC
• Funktionen des Senders:
- Takt erzeugen
- Modulator
- D/A-Wandler und Tiefpass
- Scrambler (genug 0/1 Übergänge)
- Equalizer präkompensiert Amplitude & Delay.
• Funktionen des Empfängers
- adaptiver Equalizer gesteuert vom Demodulator
- Taktrückgewinnung
- Demodulator
- Descrambler.
• Digitales Backbone-Netz
- Signal auf weiten Strecken als PCM übertragen
- nur Vermittlung und Anschlußleitung analog.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.6. Quadratur Amplituden Modulat.
• Phasen- & Amplitudenmodulation (QAM):
• Amplitude und Phase ergeben Vektor
- Anzahl der Konstellationen
- Enscheidungsregionen
- Fehlervektor minimieren
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Schulthess,
01
00
10
11
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• z.B. V.29 (9600 bit/s) hdx, in Fax-Geräten:
-
4 Bit pro Symbol
Bit 1 bestimmt Amplitude,
Bit 2,3,4 wählen die Phase,
Hilfskanal moduliert Fehlervektor
• V.32: Daten mit 9.600 bit/s
- 2400 Baud, 4 bit pro Symbol
- 2400 Hz, 1800 Hz Trägerfrequenzen
=> 600 - 3000 Hz Bandbreite
- Echounterdrückung für Vollduplexbetrieb
- 16-Konstellation ohne Trellis-Codierung.
• V.32 mit Trellis-codierter Modulation (TCM)
- arbeiten mit unsicheren Signalniveaus,
- 32 Konstellationspunkte ...
• V.34 (V.fast): 28.800 bzw. 33.600 bit/s
- 3429 Baud, 9 bit, 2048 Konstellationspunkte
- dreidimensionale Trellis-Codierung
- Trägerfrequenz 1959 Hz.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• 56 kbit/s Modems nach V.90 Empfehlung
- US Robotics: x2,
- Rockwell: K56flex, SoftK56,
- spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN),
- 56 kbit/s downstream, max. 33.600 upstream.
• Leitung aus 'analoger' Sicht des 56k Modems:
client-modem
DSP
linear
ADC
Filter
analoge Teilnehmeranschlußleitung
server-modem
Vermittlung
Filter
G.711
dec.
ISDN
DSP
UART
• Puls-Amplituden-Modulation PAM
-
vorgegeben durch 'Mitnutzung' des G.711-DAC,
56.000 bit/s, 8.000 samples/s => 128 Werte,
G.711 erzeugt Treppenfunktion aus PCM,
Filter in Vermittlung glättet Treppenfunktion,
linearer ADC tastet glatte Treppenfunktion ab,
DSP sucht und interpretiert Treppenstufen als
diskrete Werte
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.7. Trellis Coded Modulation
• Gottfried Ungerböck, IBM Rüschlikon:
- z.B. 6 dB Gewinn durch Kodierung,
- z.B. 3 dB Verlust durch 1 Bit mehr pro Symbol,
- trellis = dt. Spalier:
• Zustandsautomat:
- mehr Konstellationspunkte als gültige Symbole,
- Zustand -> Untermenge der Folgesymbole.
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Codierer
x+k Ausgabebits
k Eingabebits
• Hinzufügen der nötigen Redundanz z.B. mit
Faltungscodierer:
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.8. Faltungskodierer mit r= 0,5
• Codierungs-Rate r:
= uncodierte Bits / codierte Bits
• z.B mit 2 Bit Gedächtnis Codierungsrate 0,5:
00 1 0 1 1 0 1
S1
S2
S3
… 111000010100
• Ablauf der Codierung:
001
010
101
011
110
101
->
->
->
->
->
->
11
10
00
01
01
00
• oder V.32 Codierungsrate r = 4/5:
- 16 Codeworte (4 Bit), 32 QAM-Punkte (5 Bit),
- (Q1,Q2, Q3, Q4) -> (Y0, Y1, Y2, Q3, Q4)
- Viterbi-Pfadlänge  5*Länge des Faltungskodierers
= 15  16
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
17.9. Trellis-Diagramm:
01
0
1
1
01
2
10
11
00
3
11
11
00
4
10
10
01
01
11
00
5
00
11
00
6
• Codierte Nachricht: 11 01 10 11 10 00 11
• Störung:
11 01 00 11 11 00 11
• Empfänger entscheidet rückwärts:
- Viterbi: suche Pfad mit minimalem Gewicht,
- d.h. mit minimaler Anzahl Bitfehler,
- verzögerte Entscheidung.
Error! Reference source not found.
Schulthess,
01
01
10
11
01
01
00
11
10
0
00
11
10
11
00
D
01
01
10
10
10
C
01
01
00
11
10
B
00
11
10
00
11
10
00
11
10
00
11
A
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
11
6
18. Teilnehmeranschlusstechniken
18.1. Digitalisierung des Fernmeldenetzes:
• Telefonleitungen werden besser
- digitale Fernleitungen,
- digitale Vermittlungen,
- noch viele analoge Teilnehmeranschlußleitgn.
• Telefonnetz klassisch:
-
analoge und digitale Fernleitungen,
analoge und digitale Vermittlungen,
G.711 Quantisierungsrauschen,
Rauschen im analogen Netz:
analog
analog
G.711
G.711
digital
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Schulthess,
analog
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Digitales Netz:
- nur noch digitale Vermittlungen,
- digitale Übertragungungsleitungen,
- noch viele analoge Teilnehmerleitungen.
analog
analog
G.711
G.711
digital
digital
• Digitales Netz und Teilnehmeranschluss:
- z.B. ISDN-Teilnehmer mit 64 KBit/sec,
- nur Quantisierung in den Endgeräten,
- kein Rauschen im Netz:
digital
digital
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Schulthess,
digital
digital
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18.1.1.
"Halbdigitale Anschlusstechnik":
• Übertragungsweg fast vollständig digital:
- nur Teilnehmeranschlußleitung analog,
- PCM von der 1. Vermittlung bis zum ISP,
- einer der zwei G.711-Quantisierer entfällt.
• Telefonnetzwerk für Internet Service Prov.:
- zum Teilnehmer ohne G.711 A/D,
- G.711 D/A ohne Quantisierungsrauschen
ISP
V.90 Modem
analog
G.711
digital
digital
digital
• G.711 D/A an der Teilnehmerleitung:
-
'Teil' des 56k-Modems,
analoge Pulsform vorhersagbar,
Codec-Eigenheiten, Filter vor der Leitung, …
Vorschriften (BAPT, FCC, …)
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• 56 kbit/s Modems nach V.90 Empfehlung
- US Robotics: x2,
- Rockwell: K56flex, SoftK56,
- spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN),
- 56 kbit/s downstream, max. 33.600 upstream.
• Leitung aus 'analoger' Sicht des 56k Modems:
client-modem
DSP
linear
ADC
Filter
analoge Teilnehmeranschlußleitung
server-modem
Vermittlung
Filter
G.711
dec.
ISDN
DSP
UART
• Puls-Amplituden-Modulation PAM
-
vorgegeben durch 'Mitnutzung' des G.711-DAC,
56.000 kbit/s, 8.000 samples/s => 128 Werte,
G.711 erzeugt Treppenfunktion aus PCM,
Filter in Vermittlung glättet Treppenfunktion,
linearer ADC tastet glatte Treppenfunktion ab,
DSP sucht und interpretiert Treppenstufen als
diskrete Werte
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Einfluß des Filters in der Vermittlungsstelle:
-t
-2t
-t
t
0
0
t
Zeit
Zeit
2t
• SNR auf Teilnehmerleitung und -modem
- 14 bit ADC: 86 dB
- Shannon(56 kbit/s, 3800 Hz) = 45 dB
• Warum nicht 64 kbit/s?
-
nicht alle 256 Werte nutzbar
nichtlineare PCM Quantisierung,
'robbed bit signalling' auf T1-Leitung,
Pegel von FCC vorgegeben: -12dBmV
Extremwerte nur eingeschränkt verwenden
144 Quantisierungspunkte (-> TCM)
evtl Fallback auf 48, 40, 32 kbit/s (x2 auch 52
kbit/s mit 92 Stufen)
• Weiterentwicklung
- Symbole mit n,m Bits, z.B. 7,5
- raffiniertes shell-mapping mit bis zu 224
Symbolen => 62 kbit/s
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2. Schmalband-ISDN
= Integrated Services Digital Network.
• Separater Steuerkanal.
• "Alle Dienste" über ein Netz
-
Komforttelephon,
PC-Dateisystem,
Bildschirmtext,
Terminalbetrieb,
LAN Zugang,
-
Internet,
Telefax (?),
Datex-P,
Dateiübertragung,
Bildtelephon ...
• Telephongespräche werden digitalisiert:
- 8-Bit PCM Codierung,
- 8000 Abtastwerte pro Sekunde,
- ergibt Kanäle à 64 KBits/sec …
• Basisanschluss:
-
zur Versorgung der privaten Haushalte,
Nutzung vorhandener Kupferadern,
Zweidrahtige Leitung zum Ortsamt,
vierdrähtiger Bus im Haus.
• Terminaladapter (Schnittstellenadapter):
- a/b Anschluss (POTS, Fax),
- X.21 & V.24 asynchron, synchron,
- Bitratenadaptierung.
• Auch für Bündel von B-Kanälen (MUX).
• Langwierige internationale Normung.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.1. ISDN-Leitungen und Kanäle
16 kbit/s
64 kbit/s
64 kbit/s
Basic
User-Network
Interface
64 kbit/s
64 kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
6464
kbit/s
64
kbit/s
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64 64
kbit/s
64
kbit/s
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64 kbit/s
64
kbit/s
kbit/s
64
kbit/s
kbit/s
6464
kbit/s
64 64
kbit/s
64
kbit/s
64
kbit/s
64 kbit/s
kbit/s
6464
kbit/s
Primary Rate
User-Network
Interface
• Bearer Services:
-
8 KHz structured: Oktettgrenzen erhaltend,
unrestricted: kein "Bit-robbing" auf 56 KBit,
speech: Konvertierung zw. A-Law und µ-Law,
3,1 KHz Audio: auch für Modemsignale..
• 64-Kbps, unrestricted, 8-kHz structured
- 8000 Bytes pro Sekunde
- transparent, keine Konvertierung.
• 64-Kbps, 8-kHz structured, für Sprachkanäle:
- PCM-Samples
- Konvertierung zwischen A-Law und µ-Law,
- Sprache eventuell auch weiter komprimiert.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• 64-Kbps, 8-kHz structured, for 3.1 kHz audio
information transfer
- PCM-samples,
- Konvertierung zwischen A-Law und µ-Law,
- für Modemsignale geeignet, keine Kompression.
• Alternate speech/64-Kbps, 8-kHz structured,
unrestricted,
- Umschaltung zwischen dem ersten und dem
zweiten Modus (Konvertierung).
• 2x64-Kbps, 384-Kbps, 1,536-Kbps, 1920Kbps unrestricted
- 8-kHz structured
- Simultanverbindung
- phasengleiche Schaltung von 2, 6, 24 bzw. 30
B-Kanälen,
- H-Kanäle.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.2. ISDN Schnittstellen /
Referenzmodell:
TE1:
TE2:
TA:
NT1:
NT2:
LT:
ET:
Terminal Equipment 1, (ISDN-terminal)
Term. Eq.Type 2 (non-ISDN-terminal)
Terminal Adapter
Network Termination 1
Network Termination 2
Line Termination
Exchange Termination
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Netzabschluss Typ 1:
• NT1 Netzabschluss begrenzt den Zuständigkeitsbereich der Fernmeldebehörde:
- im Dienste der Übertragungstechnik,
- Übergang von 2 auf 4-Drähte (8),
- Taktversorgung des Kunden,
- im Prinzip ohne eigenen Prozessor,
- Versorgung vom lokalen Stromnetz,
- aber Notstrom für 1 Telefon,
- Fehlerdiagnose für die Behörde,
- D-Kanal Echo zum Teilnehmer ...
• Entweder separates Kästchen oder
„integrierter NT“ im Endgerät.
• Auch für Primärratenanschluss.
Netzabschluss Typ 2:
• Vermittelt wenige ISDN-Kanäle zum
öffentlichen Netz an viele lokale Teilnehmer
(zwischen NT1 und TE).
• ISDN-Nebenstellenanlage:
-
Durchwahl (ohne Abfrageplatz).
Vermittelt lokale Verbindungen.
Wickelt Signalisierungsprotokolle ab.
Simuliert gegenüber dem Netz ein TE.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.3.
Separater NT:
• mit zugänglicher T-Schnittstelle:
S-Schnittstellen
Lokale Teilnehmer Nebenstellenanlage
NT2
Fernmeldenetz
U-Schnittstellen
NT1
T-Schnittstelle
18.2.4.
Western Stecker RJ-45:
1 ... 8
• 8-polig (mindestens 3 .. 6 belegt):
Stift 1,2
Stift 3,6
Stift 4,5
Stift 7,8
-
Speisung von Endgerät,
Senden zum Netzabschluss,
Empfang von Netzabschluss,
Speisung vom Netzabschluss.
• Kompatibel mit 4- und 6 poligen Steckern.
• 1,2 & 7,8 sind fakultativ.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.5. Teilnehmerschnittstelle: S0 -Bus
• 4-adriger hausinterner Bus.
• für kurze Anschlussdistanzen.
• bis zu 8 Endgeräte am So-Bus.
• eingeschränkte Stromversorgung.
UK0
So -Bus
NT
• 2 B-Kanäle à 64 KB:
- für gleichzeitigen Betrieb mehrer Geräte,
- Mehrtelefonbetrieb im Haus.
• D-Kanal (-Protokoll) für alle gleichzeitig:
- Signalisierung beim Verbindungsaufbau,
- Behelfsmässiger Datenverkehr.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.6.
So Bus-Reichweite:
• Mit beliebiger Geräteverteilung bis 200 m:
Š 200 m
…
TE
1
TE
2
TE
8
NT
• 500 Meter, wenn Geräte am Ende gruppiert:
Š 500 m
Š 50 m
TE
…
TE
NT
• 1000 Meter für Einzelanschluss:
Š 1000 m
TE
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Schulthess,
NT
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.7.
Bitfolge im So-Rahmen:
• 2B+D auf dem 4-adrigen Bus
- Doppelader "inbound"
- Doppelader "outbound"
• Netto 144 kbit/s.
• Brutto 192 kbit/s pro Richtung:
-
2* 64 KBits/sec (B-Kanäle)
1* 16 KBits/sec (D-Kanal)
D-Kanalecho 16 KBits/sec (nur outbound ),
Rahmenbildung ...
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.8. D-Kanal Mehrfachzugriff:
• Die B-Kanäle werden fest zugeordnet.
• Auf den D-Kanal können alle angeschlossenen Geräte versuchen zu schreiben.
• Zerstörungsfreie Kollisionserkennung:
-
Kontrolle im Echo-Kanal,
„Echo vom NT“ bitweise prüfen,
Sendestop falls Empfang ? Sendesignal
Nullen dominieren (=Pulse am Bus).
Adressfeld des Rahmens unterschiedlich
SAPI
TEI
TEI 77:
00 000000 1 100 1101
TEI 82:
00 000000 1 101 0 0 1 0
D-Kanal:
00 000000 1 100 1101
TEI 82 macht „Backoff“
?
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.9.
Uko Teilnehmeranschlußleitung:
• Standard Anschlußverfahren in Europa
• Überbrückung der Distanz zum Ortsamt:
- maximal 8 km Leitungslänge,
- 98% aller Teilnehmeranschlussleitungen,
- 2 Drähte mit Echokompensation:
• 36 Bit "Nutzlast" (3 mal in 1 ms):
- 2 Byte B1-Kanal,
- 2 Byte B2-Kanal,
- vier Bit D-Kanal.
• 4B3T-Code (=> "Leitungscodierung"),
• Überrahmen 1 ms (156 Bit):
- 1 Meldesymbol (4 Bit),
- 11 Sync-Symbole (44 Bit),
- 27 Nutzlastsymbole (108 Bit).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
18.2.10. Bitratenadaptierung
• Synchrone und asynchrone Datenströme mit
einer Bitrate von < 64 kbps an das ISDN-Netz
anpassen.
Asynchrones Oversampling:
• asynchrone Raten: ... 1200, 9600, 19200 bps.
• z.B. 19200 bps Strom mit 64 kHz abtasten:
Original 19200 bps
52 µsec
64 kbps Raster
125 µsec
Abbild beim Empfänger
• Dauer einer Bitperiode:
- Maximum 62,5 µsec,
- Minimum 47 µsec,
- Original 52 µsec.
• Machbar bis 19200 bps mit 48 kbps.
• Evtl. Steuersignale im Strom mitführen.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Ratenadaptierung nach V.110:
• Adaptierung in bis zu 3 Stufen:
- synchronen Zeichenstrom herstellen,
- Rahmen mit 80 Bit herstellen,
- Auffüllen und multiplexen auf 64 kbps:
async.
RA0
RA1
TE2
RA2
ISDN
2n * 600 bps,
synchron
80 Bit Rahmen,
8,16,32 ... kbps
Adaptierungsstufe RA0:
-
Nur für asynchrone Adaptierungen nötig,
Start- und Stopbits entfernen,
8 Bit Zeichen herstellen,
mit Synchrontakt alignieren,
Bitrate auf 2n * 600 bps erhöhen,
zusätzliche Stopbits einfügen.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Adaptierungsstufe RA1:
• Herstellen von Gruppen mit jeweils 80 Bit
und einer Rate von 8/16/32 kbps.
Sonderbehandlung bei 48/56 kbps.
• Beispiel für 9600 Bps:
- 48 Bit Nutzlast von 80 Rahmenbits,
- Bruttodatenrate von 16 kbit/sec:
Oktett#
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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Schulthess,
Bit#
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2 3 4 5 6 7 8
0 0 0 0 0 0 0
D1 D2 D3 D4 D5 D6 S1
D7 D8 D9 D10 D11 D12 X
D13 D14 D15 D16 D17 D18 S3
D19 D20 D21 D22 D23 D24 S4
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7
D25 D26 D27 D28 D29 D30 S6
D31 D32 D33 D34 D35 D36 X
D37 D38 D39 D40 D41 D42 S8
D43 D44 D45 D46 D47 D48 S9
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Beispiel für 600 bps:
- Bitwiederholung falls <4800 bps,
- Bruttodatenrate von 8 kbit/sec:
Oktett#
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Bit#
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
0
D1
D1
D2
D3
E1
D4
D4
D5
D6
3
0
D1
D1
D2
D3
E2
D4
D4
D5
D6
4
0
D1
D2
D2
D3
E3
D4
D5
D5
D6
5
0
D1
D2
D2
D3
E4
D4
D5
D5
D6
6
0
D1
D2
D3
D3
E5
D4
D5
D6
D6
7
0
D1
D2
D3
D3
E6
D4
D5
D6
D6
8
0
S1
X
S3
S4
E7
S6
X
S8
S9
• Rahmenerkennung:
00000000 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx
1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx
1xxxxxxx 1xxxxxxx
• Status- & Flusskontrolle:
- Ein- und Ausstieg der Übertragungsphase,
- Sychronisationsverlust,
- Geschwindigkeitsanpassung.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Adaptierungsstufe RA2:
• Blöcke synchron senden
-
Steuersignale im Blockoverhead kodieren,
Verpacken jeweils auf n*8 kbit/s Rate,
evtl. mehrere Kanäle multiplexen,
auf 64 k Bitstrom auffüllen:
8 kbit/s
16 kbit/s
32 kbit/s
64 kbit/s
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Schulthess,
0
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Rahmenformat:
• V.120: Verpacken in HDLC-artiges Protokoll
asynchrone TE2:
• Start/Stop-Bits entfernen.
• 8-Bit Zeichen herstellen:
- Parity Bit #9 prüfen und wegwerfen,
- 5,6,7-Bit Codes polstern.
• Zeichen & Prüfsumme zusammenpacken.
• Interface-Status in H&C sammeln.
synchrone TE2:
• Zeichen zusammenpacken.
• Header & Control-Feld fakultativ.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Kommunikation zwischen TEs mit
unterschiedlicher Datenrate und Technik.
• Ein TE1 mag lieber HDLC-Rahmen als 80-Bit
Blöcke nach V.110.
• Abbildung des Datenstromes auf ein HDLCProtokoll im B-Kanal:
TE2
async.
HDLC
ISDN
TA
V.120 HDLC
sync.
transparent
TE1,
TA-TE2
echtes HDLC TE2 adaptieren:
• weiterer HDLC-Umschlag.
• Interface-Status in H&C sammeln.
• Lange Meldungen segmentieren.
• Nur mit äusserer Prüfsumme senden.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
19. Modems für "die letze Meile"
• Kupferkabel Vermittlung -> Teilnehmer:
- meist keine aktiven Komponenten, evtl. Spule,
- 75% < 2 km; 98% < 8 km.
• Annahme: Digitale Übertragung im Netz.
• Uko Schnittstelle für ISDN Teilnehmer
(ISDN=DSL=Digital Subscriber Line).
• HDSL - High Speed Digital Subscriber Line
-
gegenüber PCM30 verbesserte Modemtechnik,
symmetrisch, upstream = downstream Rate,
2 MBit/s (high: > ISDN), 3 Leitungspaare,
1,5 MBit/s (high: > ISDN), 2 Leitungspaare,
SDSL: 1 Paar, 2 Mbit/s, 3 km,
ETSI TM3
• ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line!
• VDSL - Very high rate Digital Subscr. Line!
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
19.1
xDSL – Schnelle Zugangstechniken
• Zielsetzung:
-
Hohe Datenrate vor allem downstream,
Koexistenz mit Telephon,
Multimedia-Ströme,
günstige Kosten.
• Leistungsmerkmale:
- 5,5 km / 0,5 mm Kabel / 1,5 Mbit/s / 16 kbit/s
- 2,7 km / 0,4 mm Kabel / 6,1 Mbit/s / 576 kbit/s
PSTN
ATM
Splitter
Teilnehmeranschlussleitung
Splitter
• RADSL = Rate Adaptive Digital Subscr. Line.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Standard-Datenraten für ADSL:
- downstream (zum Teilnehmer):
n * (1536 bzw. 2048) kbit/s
- upstream (vom Teilnehmer):
16, 64, 160, 384, 544, 576 kbit/s
• Twisted-Pair Teilnehmerleitung [Bellcore]:
- typische Telefonleitung mit 22 Spleiss-Stellen,
- 90 dB bei 1 MHz und 5 km.
• Modulation & Codierung:
-
DMT: Discrete Multitone Transmission,
255 * 4 kHz Sub-Kanäle,
in jedem Kanal QAM,
FEC Fehlerkorrektur.
• Entweder Frequenzmultiplex:
• Oder
EchoUnterdrückung:
• Pilotprojekte auch in Deutschland:
-
Telekom Feldversuch,
ADSL-Forum, UAWG-Group
Standardisierung in ANSI T1E1.4: T1.413
Hersteller z.B. Orckit, TuT, Amati, NetSpeed…
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
19.2. VDSL - Very high data rate DSL
• Zielsetzung: HDTV & Videokonferenz auf
vorhandenen Kupferleitungen.
• Leistungsmerkmale:
P
O
T
S
downstr.: Bruchteil von 155.52 MBit/s (ATM),
upstream: 1.6, 2.3, 19.2 MBit/s
symmetrische Variante mit echo-cancellation,
Platz für Telefon und ISDN,
1500 m: 12.96 MBit/s,
1000 m: 25.92 MBit/s,
300 m: 51.84 MBit/s
I
S
D
N
4
upstream
80
300
700
downstream
1000
10.000
kHz
• Diskutierte Übertragungscodes für VDSL:
-
CAP Carrierless AM/PM (QAM, QPSK upstr.)
DMT Discrete Multitone basiert auf DFT,
DWMT Discrete Wavelet Multitone
SLC Simple Line Code: Basisband gefiltert
FEC: Reed Solomon
• Mehrgerätekonfigurationen
- NT aktiv: Ethernet-Hub,
- NT passiv: FDM
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
19.3. Kabelverteilnetze (CATV)
19.3.1.
Umbau zum bidirektionalen Netz:
• Durch Einbau von Verstärkern und
Frequenzweichen:
19.3.2.
Kabel-Modems
• Downstream in einem TV-Kanal: 6 MHz
• Upstream 2 MHz Band im zw. 10 - 32 MHz
• Alternativ Daten-Kanäle außerhalb des TVSpektrums:
47
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Schulthess,
300
446 470
606
MHz
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Ähnlich wie konventionelle Modems
-
höhere Symbolrate,
downstream QAM mit 43 MBit/s,
upstream QPSK 600 kbit/s - 10 MBit/s,
Teilnehmer-Schnittstelle PC-Bus, Ethernet,
TV-KABEL
RAM
Oszillator
Tuner
Modulator
Demodulator
D/A Cnv.
A/D Cnv.
Signalprozessor
Ethernet,
PC-Bus ...
• Gemeinsames Medium
- mit anderen Teilnehmern geteilt
- downstream durch Router verteilt
- mehrere TV-Kanäle verwendbar
- Sequentialisierung im upstream-Kanal: S-CDMA
- 10% Protokolloverhead
- Verschlüsselung.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
19.3.3. Optische Verteilstrukturen
• FTT{ C, B, N, H }
= Fiber to the {
Curb, Building, Neighborhood, Home
}
• 500 - 3000 Teiln. an einer Trunk-Glasfaser.
• ATM-Pakete mit z.B. 155 Mbit/s.
• ONT = Optical Network termination:
- letztes Teilstück evtl. ADSL oder HDSL
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20.
Mobile Kommunikation
20.1. Drahtlose Übertragungssysteme
• Infrarotübertragung
• Lokale Funknetze:
-
100 - 300m,
0,2 .. 1 Mbit/sec
2,5 GHz, 5 GHz
Multiple Access Verfahren.
• Dezentrale Paketfunknetze:
- gleichberechtigte mobile Stationen,
- dynamische Weglenkung,
- primär für militärischen Einsatz.
• Modacom-System:
-
Datenfunk mit X.25 Protokoll (Datex-P),
feste Basisstationen,
brutto 9600 Bit/sec,
~ 440 MHz.
• Mobile Telefonnetze:
-
feste Basisstationen,
C-Netz für Analoge Telefongespräche,
D1/D2/E+ Netze digital & zellulär (GSM),
verschiedene Systeme in USA.
• Drahtloses ATM.
• Hiperlan.
• Satelitten.
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20.2.
Mobilfunk nach GSM-E.
= Global System for Mobile Communication.
20.2.1.
Zelluläre Organisation
• Zellaufteilung zur besseren Frequenznutzung
-
Gerätedichte bestimmt Zellgröße (0,5..35 km),
versch. Frequenzen in Nachbarzellen,
Simulationssysteme und Messungen,
Landschaft bestimmt Zelltopologie,
Antennen mit Richtcharakteristik,
hexagonale Struktur theoretisch:
• Pro Zelle eine Basisstation.
• Handover zur nächsten Zelle möglich.
• Adaptive Steuerung der Sendeleistung.
• Mobile Einheit wählt Zelle.
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20.2.2.
GSM-Organisation
• Kürzelinflation
-
MS - Mobile Station
BSS - Base Station Subsystem
BTS - Base Transceiver Station,
BSC - Base Station Controller
MSC - Mobile Switching Center
IWF - InterWorking Function
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.2.3.
Nutz-Kanäle:
• Sprachkanal brutto 22,8 Kbit/sec,
• Datenkanal mit netto 9600 Bit/sec,
• evtl. Sprache oder Daten mit halber Rate,
• Signalisierung & Messages mit ~750 B/s.
=> 1*Bm + 1*Dm
oder
=> 2*Lm + 1*Dm
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20.2.4.
Funkkanalorganisation
• Frequenzbereich:
- MS-BS:
- BS-MS:
890-915 MHz
935-960 MHz
• In jede Richtung 124 Trägerfrequenzen:
- jeweils pro Basisstation (-Überlappung),
- Frequenzabstand 200 KHz,
- um die Mehrwegeausbreitung zu kompensieren
217 Frequenzwechsel pro Sec.
• TDMA-Rahmen:
- 217 pro Sekunde (4,615 msec),
- auf 25 normale folgt ein Kontrollrahmen,
- 270,833 kbit/sec pro Trägerfrequenz,
- 8 Zeitschlitze pro Rahmen (je 577 µsec),
- 1 normaler Zeitschlitz pro Gespräch:
-- brutto ~150 Bits * 217 sec-1,
-- netto ~13 kbit/sec für Sprache.
• 4 Typen von Zeitschlitzen:
-
„normal burst“ für Nutzinformation,
„synchronisation burst“ f. Rahmensync,
„frequ. corr.“ zur Feinabstimmung,
verkürzter „access burst“.
• Und noch kein Ende der „Komplifizierung“.
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20.2.5.
GSM Frequenzaufteilung:
• Hierarchie von FDMA, TDMA, Interleaving.
• Überrahmen.
downstream
935-960 MHz
890-915 MHz
upstream
270,833 kBit/s
•••
200 kHz
TDMA-Rahmen
(217 pro Sec.)
8 Zeitschl. pro
TDMA-Rahmen
57 Bit Daten 26 Bit Training 57 Bit Daten
1 normaler
Zeitschlitz
1 Überrahmen
à 26 Rahmen
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20.3. Qualitätsverbessernde Techniken
• Funkkanäle sind besonders unzuverlässig:
-
Gleichkanalstörungen aus Nachbarzellen,
Mehrwegausbreitung,
Dopplereffekte,
Abschattung,
Dispersion.
• Frequenzhüpfen als Abhilfe:
- 217 mal pro Sekunde,
- destruktive Interferenz ist selten,
- Konflikte mit Nachbarzellen nicht auf jeder
Frequenz.
• Verschachtelung der Gesprächskanäle:
-
“Interleaving”,
Verteilen stossartiger Störungen,
Spreizung z.B. über 8 TDMA-Slots,
Verzögerungen unvermeidlich.
• Datenkanäle m. gleichmässiger Redundanz:
- Prüfsumme (40 Bits von 224),
- Faltungscode mit (51% Redundanz),
- Radio Link Protokoll (RLP).
• Redundante Sprachcodierung:
- anschliessend an optimales Codec,
- unterschiedlich relevante Bitklassen.
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Schulthess,
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20.3.1.
Redundante Sprachcodierung
PCM Abtastung 8 Bit mit 8000 mal pro Sekunde
Sprachcodec (LPC)
50 Bits (1a)
13 KBit /s
78 Bit (2)
132 Bits (1b)
Blocksicherung
50
3
132
4
Faltungscode (r=0,5 ; K=5 )
378
78
Interleaving (z.B. 8 fach: 5,13,21,29…453)
57
Training
57
nachfolgender Block
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.4. GSM-Netzorganisation
Mensch-Maschine
Schnittstelle
TE
Mobilstation
MT
Übertragungsdienst (bearer …)
Telematikdienst
Basisstation
Basisstation
MobilfunkVerm.
MobilfunkVerm.
IWF
"GSM"-"PLMN"
Festes Netz,
z.B.ISDN
NT
TE
Mensch-Maschine
Schnittstelle
• Interworking Funktion zum festen Netz:
- Anpassung der Sprachcodierung,
- Bitratenadaptierung …
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Schulthess,
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20.4.1.
Roaming:
• „herumstreunende“ Teilnehmer,
• Anmeldung im fremden Netz,
• erlaubt Entgegennehmen von Anrufen,
• Entgelt für Nutzung ausländischer Netze?
• Visitor Location Register für Besucher,
• Home Location Register in jeder
Mobilfunkvermittlung:
BSS
Verm.
VLR
Verm.
BSS
HLR
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20.4.2.
Teilnehmeradressierung:
• Mobile Teiln. ISDN Nummer (MSISDN):
-
Country Code / Heimat-Netz Nummer,
Vorwahl / Ortsnetzkennung (-> HLR ),
HLR index,
Teilnehmer-Nummer lokal,
verankert in einer Einsteckkarte.
• Internationale Mobilstationsnummer:
-
Country Code / Heimat-Netz Nummer,
Vorwahl / Ortsnetzkennung (-> HLR ),
HLR index,
Teilnehmer-Identität,
auch als Diebstahlsicherung.
• Mobile Station roaming number:
-
Country Code, fremdes Netz,
Vorwahl / Ortsnetzkennung (-> VLR ),
VLR index,
temporäre Teilnehmer-Nummer aus der Sicht
des Netzes.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.4.3.
-
Handover:
impliziert durch zelluläre Organisation,
nicht zu verwechseln mit “Roaming”,
extern unter Einbezug der Vermittlung
intern: unter Verantwortung der Basisstation:
BSS
interne
Weitergabe
BSS
Verm.
BSS
Verm.
externe
Weitergabe
• Vertraulichkeit:
- für Gesprächsinhalt,
- für den Aufenthaltsort der Teilnehmer …
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.5. Dienste am GSM-Netz
20.5.1. Übertragungsdienste (Bearer
service):
• 13 KBit/sec Sprache.
• 300…9600 Bps Daten:
-
synchron IWF mit ISDN & CSPDN,
asynchron IWF mit ISDN & CSPDN,
PAD Zugang zu X.25 (PSPDN),
Paketzugang zu X.25 (PSPDN),
20.5.2.
Teledienste (Teleservices):
• Telephonie inkl. Notrufe.
• Unidirektionaler Meldungsdienst (SMS).
(• Videotex.)
(• Teletex.)
(• Telefax Gruppe 3.)
• Cell Broadcast.
• WAP.
• Daten mit 9600 bps.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.6. DECT
• DECT = Digital Enhanced Cordless Telephone.
• url: www.dms.it/tecnical/dect/dect.htm
• Drahtlose Kommunikation in einem lokalen
Bereich:
- maximal 120 Kanäle,
- 100 m innerhalb von Gebäuden,
- 500 m im Freien.
• Verbindung zum Festnetz und zu anderen Mobilteilen
über eine Basisstation.
• Zelluläre Netzstruktur für höhere Teilnehmerzahlen
möglich.
• Primär für Telephonbetrieb:
- "Air Interface": ETS 300.175-x,
- Gute Sprachqualität (digitales Verfahren),
- Sprachcodierung: ADPCM, G.721 (ITU).
• Datenkommunikation:
-
n * 32 KBit/sec,
ad-hoc Rechnernetze,
Zugang zum ISDN mit 64 KBit/sec,
über Basisstation oder Peer-to-Peer.
• Kleinere Datenrate pro Kanal als W-LAN.
• Gutes Real-Time Verhalten.
• Synergien mit Telephon.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.6.1.
Szenarien:
• Private Haushalte:
• Schnurlose Ergänzung für PBX:
• "Letzte Meile" zum Teilnehmer:
• Öffentliche Telephonversorgung in
Ballungsräumen:
• Legende:
RFP: Radio Fixed Part,
CCFP: PBX, Common Control Fixed part
WRS:
Drahtlose Relais Station,
CTA: Customer Telephone Adapter.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.6.2.
FDMA/TDMA-Konzept:
• 10 Trägerfrequenzen.
• 100 Rahmen pro Sekunde & Frequenz.
• 2 * 12 Zeitschlitze pro Rahmen.
• 320 Nutzbits pro Zeitschlitz.
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Schulthess,
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20.6.3.
Technische Kenngrössen:
• Datenrate: 32 KBit/sec
• Kanäle:
120 Duplexkanäle
• Frequenz:
1880-1900 MHz (Europa)
• Träger:
maximal 10 Frequenzen
• Rahmen: 100 / sec je Trägerfrequenz
• Zeitschlitze: 24 pro Rahmen
• Leistung:
10 mW (max. 250 mW)
• Reichweite: 50-500 m
• Einfache Basisstationen unterstützen jeweils
nur eine Trägerfrequenz gleichzeitig.
• "DECT Application Profiles":
gap: minimale Anforderungen für Sprache
gip:GSM interworking Profile
iip:
ISDN Anbindung (Telephon)
mmap: Multimedia Access Profile
rap:Öffentlicher Telefondienst
ctm: Benutzermobilität im Intelligenten Netz.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.6.4.
Architekturmodell:
• Vergleichbar und angelehnt an ISDN
Protokollstack.
• Netzwerkebene für Signalisierung,
Autorisierung und Handover zwischen Zellen.
• Dezentrale Mediumszugangssteuerung:
- Beacon Funktion der Basisstation ...
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.7. CDMA
20.7.1.
Zugriffsdimensionen
= Code Division Multiple Access.
• Zugriffsverfahren für Mobilfunknetze.
• Standardisiert als IS-95A.
• In USA in Konkurrenz zu GSM.
• Zugriffsdimensionen allgemein:
Zellen: SDMA (Space Division Multiple Acc.),
Träger: FDMA (Freq. Division Multiple Acc.),
Slots: TDMA (Time Division Multiple Acc.).
• Nutzung mehrerer Dimensionen:
Technik
GSM
DECT
CDMA
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Schulthess,
SDMA FDMA TDMA
+
+
+
+
+
+
+
-
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20.7.2. Spreizspektrumtechnik:
• Anwendungsbereiche:
-
Mobilfunksysteme der 3. Generation,
global positioning System (GPS),
militärische Funkgeräte,
drahtlose LANs.
• Adressiertes Problem:
- Auf Funkkanälen ergibt sich oft auf einzelnen
Frequenzen eine Auslöschung des Signales
(Fading) infolge Mehrwegausbreitung.
• Lösungsansatz:
-
Aufweiten des Übertragungsspektrums,
gemeinsame Nutzung des Spektrums,
spezifische Frequenzfolge pro Nutzer,
synchrone Decodierung.
• Varianten zur Spektrumsspreizung:
- "Slow Frequency Hopping" (GSM: 217 Hz),
- "Fast Frequency Hopping" (1 Symbol/Hop),
- "Direct Sequence F... " (<<1 Symbol/Hop).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.7.3. Allgemeines Prinzip der
Spektrumsspreizung:
Nutzsignal
f
Gespreiztes Signal
Störung
f
f
Empfangenes Sig.
f
Decodiertes Signal
f
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.7.4.
Direct Seq. Spread Spectrum
• Jeder Teilnehmer erhält eine separate
Zufallszahl als Code (z.B. 64 Bit).
• Das Nutzsignal wird mit dem Code
"zerhackt":
64 Bit Code
19,2 kbps Nutzsignal
1,2288 Mbps Spreizsignal
xor
=
• Chiprate:
- Bitrate mit welcher der Code getaktet wird,
- hier zum Beispiel 1,2288 MBit/Sekunde,
- ein Chip ist ein Bit der Codesequenz.
• Faltungscodierer als Vorstufe:
- erhöht die Sprachbitrate von 9,6 auf 19,2 kbps,
- Verschränkt die einzelnen Bits (Interleaving).
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Übertragung des gespreizten Signales:
- nach entsprechender Filterung,
- Bandbreite ca. 1.3 MHz:
upstream
downstream
10 kHz
1,3 MHz
806-890 MHz
20.7.5.
45 Mhz
f
USA Frequenzbereiche:
• Für öffentlichen Telephondienst:
- 806-890 MHz,
- 45 MHz Trägerseparation,
- 1,3 MHz Bandbreite.
• Für schnurlose Telephone:
-
Personal Communication Systems (PCS),
1850-1990 MHz,
80 MHz Trägerseparation,
1,3 MHz Bandbreite.
• Keine Frequenzen in Europa.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.7.6.
Empfang von CDMA Kanälen:
• Auch die Sendeleistung wird aufgeweitet:
- niedriges S/N Verhältnis,
- aufwendige Verarbeitung im Empfänger.
• Synchrone Decodierung:
-
Empfänger muss auf die Folge synchronisieren,
ev. mehrere Mobilstationen simultan decodieren,
ergibt verbesserte Detektion in der BS,
verlangt grosse Rechenleistung.
• "Joint Detection":
-
Basisstation bedient viele Teilnehmer,
BS kennt alle Teilnehmercodes,
in jedem Kanal fremde Beiträge subtrahieren,
ergibt verbesserte Detektion in der BS,
verlangt grosse Rechenleistung.
• Ein DSSS Signal ist nur zu erkennen, wenn
die Frequenzcodierung bekannt ist.
• Die Frequenzcodierung:
-
"CODE Division Multiple Access",
dient der Adressierung des Teilnehmers,
ist Grundlage für das Multiplexprinzip,
dient der Verschlüsselung.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.7.7.
Vorteile von CDMA Systemen
• Quelle: www.qualcomm.com.
• 3-fache Kapazität im Vergleich zu GSM ??
• Frequenzkoordination zwischen BS entfällt.
• Unempfindlich bei Mehrwegausbreitung.
• Reduzierter Stromverbrauch ( 20 mal).
• Potentiell hohe Datenraten.
• Patentierter Soft Handover.
• "Graceful Degradation".
• Keine Sicherheitsabstände erforderlich:
- weder im Frequenzbereich,
- noch im Zeitbereich.
• Aber:
- Eine genauere Kontrolle der Sendeleistung ist
nötig, damit der Rauschpegel insgesamt klein
gehalten wird.
- Feldversuche haben die Prognosen von
Qualcomm nicht bestätigt.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
20.7.8.
Schlussbild CDMA
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21. Satellitensysteme
• Als Quelle im WWW empfohlen:
- Institut für Telematik, Univ. Karlsruhe,
- Vorlesung Telematik (Prof. Krüger),
- Vorlesung Mobilkommunik. (Prof. Krüger & al)
• Zusammenwirken von Bodenstationen und
Satellit:
IntersatellitenLink
Downlink
Uplink
terrestrisch
• Inklination: Winkel(Bahnebene & Äquator).
• Elevation: Winkelhöhe über dem Horizont.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.1. Umlaufbahnen
• Kreisförmig für Kommunikationssatelliten.
• Umlaufszeit: t 2 =konst * r 3 = ~12*10 -12 * r 3
Van Allen
Gürtel
LEO
0 700
21.1.1.
GEO
35800
MEO
10000
Van Allen Gürtel
• Vom Erdmagnetfeld eingefangene ionisierte
Teilchen:
- bilden zwei Gürtel um die Erde,
- Höhe zwischen 2000 km und 6000 km,
- kein Satellitenbetrieb möglich.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.1.2. Geostationäre (GEO)
• In 35800km Höhe über dem Äquator.
• Umlaufzeit ~24 Std. ("Synchronsatelliten").
• Feste Position ( ± 0,1° / 73 km ).
• Aktive Stabilisierung der Position.
• Vorwiegend Rundfunk & Fernsehen:
- feste Empfangsantennen möglich.
• Ungünstig für Datenverkehr:
- große Verzögerung & Fensteröffnung,
- flächendeckend anstelle von Zellen,
- ungeeignet für Mobiltelefone.
21.1.3. Mittlere Umlaufbahnen
• MEO = Medium Earth Orbit.
• Höhe 6000 - 11000 km.
• Telekommunikation, aber nicht zellulär.
• Gute Lebensdauer, keine Luftreibung.
• Flächendeckende Ausleuchtung.
• Navigation.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.1.4. Erdnahe Satelliten
• Höhe 700 - 2000 km (Störende Luftreibung).
• Telekommunikation mit kleiner Leistung.
• Zellenbildung (evtl. "Spotbeams").
• Ein Satellit bleibt etwa 10 Minuten sichtbar:
-> Handover erforderlich,
- wenn möglich über Intersatellite-Links.
21.1.5.
Elliptische Umlaufbahnen
• HEO = Highly Elliptic Orbits.
• Zum Erreichen großerer Erdabstände.
• Hubble Teleskop ?
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21.2. Technik
21.2.1. Aufbau eines Satelliten
• Stromversorgung über Solarzellen.
• Nachts Energieversorgung über Akku.
• Temperaturstabilisierung im Satelliten drin.
• Positionsstabilisierung mit Rückstossdüsen.
• Lagestabilisierung mit Kreisel.
• Ausrichtung der Solarzellen.
• Zugriffsverfahren:
- Aloha, FDMA, TDMA, CDMA.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.3. Beispielsysteme
21.3.1.
Geschichtliches
1945: "Extra Terrestrial Relays", A. C. Clark.
1957: Sputnik Satellit.
1960: ECHO Satellit, reflektierender Ballon.
1963: SYNCOM, geostationär.
1965: INTELSAT 1, 68 kg, 1*TV oder 240 Ph.
1969: INTELSAT 3, 1200 Ph. (Telefonkanäle).
1976: MARISAT, 3 Satelliten, maritim, 40W.
1982: INMARSAT A, mobiles Telefonsyst.
1993: INMARSAT M, digitales Sat. Telefon.
ab 1999: Verschiedene kommerzielle
Systeme.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.3.2.
Geplante Fernmeldesatelliten
• Iridium und Teledesic mit GSM-ähnlicher
Technik. Dies erleichtert die Konstruktion von
Dual-Mode Handgeräten.
Höhe (km)
Anzahl S.
min. Elev.
ZugriffsTechnik
i.Sat.-Lnk.
F (GHz)
Kan./Sat.
max. Bps
Beginn?
Kosten
Finanzlage
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Schulthess,
Iridium Globalstar
780
1414
66+6
48+8
8°
20°
FDMA/ CDMA
TDMA
+
1,6..30 1,6..6,9
4000
2700
4,8k
9,6k
1999
1999
4,4 G$ 2,6 G$
pleite
?
ICO
Odysse
y
10354 10534
10+2
12+3
20°
30°
FDMA/ CDMA
TDMA
2..7
1,6..2,4
5300
2800
4,8k
4,8k
2000
2001
4,5 G$ 1,8G$
pleite
?
Teledesi
c
700
840+84
40°
FDMA/
TDMA
+
19..29
2500
2M
2001
9,0 G$
?
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.4. Global Positioning System
• abgekürzt GPS.
• Amerikanisches Satellitennavigationssystem.
21.4.1.
GPS Konstellation
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.4.2.
Grundprinzip
x, y, z
t
• Jeder Satellit sendet Position und Uhrzeit.
• Empfänger bestimmt seine Position durch
Triangulation.
• Eigentlich genügen 3 Satelliten für eine
Position auf der Erdoberfläche.
• Ausgleichsrechnung bei mehr Satelliten.
• Bodenstationen senden Korrekturpolynome.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.4.3. Einsatzbereiche
• Militärische Positionsbestimmung:
- passives System !
- Marschflugkörper,
- Orientierung im unwegsamen Gelände.
• Zivile Positionsbestimmung:
- Fahrerassistenzsysteme,
- Routenkontrolle.
• Seismische Messungen:
- Landvermessung,
- Unregelmässigkeiten der Erdkugel,
- dyn. Verformungen der Erdkugel.
• "Selective Availability":
- Maximale Genauigkeit nur für Militär,
- Unverschlüsselte Nachricht künstlich ungenau,
- Abgeschaltet seit 1.4.2000.
• Differential GPS:
- Referenzstation im lokalen Bereich,
- lokale Korrektur der Positionsdaten,
- typischerweise über Langwelle.
• Nutzung als Zeitnormal:
- alternative zum DCF77 Signal,
- Für verteilte Computeranwendungen,
- Zugriffsprotokolle für LANs/WANs.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.4.4.
Realisierung
• Zeitnormal im Satelliten:
- mehrere Uhren,
- neuerdings Rubidium Uhren,
- Cäsium Uhren eher wartungsintensiv.
• Spreizspektrum:
-
direct sequence spread spectrum,
ziviler Code: Chiprate 1 MHz,
militärischer Code (P): Chiprate 10 MHz,
Einstieg in P-Code über zivilen Code.
• Genauigkeit
-
zivile Anwendungen (ca. 50 m),
künstlich vergröbert für zivile Anwendungen,
Selective Availability (S/A) nur für Militär,
unterschiedliche Kartographierungssysteme,
Messung der Dispersion in der Ionosphäre.
• Paketformat:
- eigene Position,
- Satellitenzeit,
- Position der anderen Satelliten.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
21.4.5.
Reserve-Satelliten
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benötigt.
• Reservesatelliten werden auf die 6
Umlaufbahnen verteilt.
• Satelliten müssen gelegentlich zu Wartungszwecken abgeschaltet werden.
• Umsteuerung zwischen Bahnen wird wegen
des zu grossen Treibstoffverbrauchs nicht
vorgenommen.
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Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
22.1 GPS Navigation Message
System Info
(Almanach)
Master
Frame
. . .
Subframe
Subframe
Subframe
Subframe
Subframe
Basic Message
• Masterframe (12,5 min, 750 sec) :
- 25 Basic Messages.
• Basic Message bzw. Frame ( alle 30 sec):
- 5 Subframes (à 6 sec) :
- 10 Wörter à je 30 Bits
• Subframe [1..3]:
- Zeitkorrektur,
- Zeit & Umlaufbahn dieses Satelliten.
• Almanach:
-
Systemdaten (Integrity, Kalender, ...),
Umlaufkalender für alle Satelliten
wird alle 750 sec wiederholt,
besteht aus 50 Seiten.
• Subframe [4..5] :
- 2 Seiten aus dem Almanach für alle Satelliten.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
22.2 Modulation:
L1 Träger
1.57 GHz
C/A-PRN
~1 MHz
C/A Data
P-Data
P-PRN
~10 MHz
1.22 GHz
L2 Träger
• C/A Datenrate ist 50 Bit/sec.
• C/A-PRN (Coarse Acquisition):
-
1023 Bit Pseudorandom-Code:
Wiederholung 1000 mal / sec,
Ergibt 1023 KHz Bandbreite,
Spreizfaktor 20000.
• P-PRN (Precision Code):
- 10.23 MHz Chiprate,
- Periode 267 Tage.
• Erzeugung:
- Unterschiedlicher Code für jeden Satelliten,
- Z.B. mit rekursivem 10 Bit Schieberegister,
- 32 Satelliten & 51 „Pseudoliten“.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
22.3 Genauigkeit der Messung
• einzelner C/A Chip:
- ungefähr 1 µsec bzw. 290 m,
- Genauigkeit ca. 10 m ...
• Einzelner P-Code Chip:
- für militärische Anwendungen,
- ca. 0.1 µsec bzw. 29 m,
- ca. 1 m genau.
• Synchronisieren auf Trägerphase:
-
Periodendauer ca. 0.6 nsec bzw. 20 cm,
Synchronität unterwegs beibehalten,
z.B. für Vermessungen,
ca. 1 cm genau ...
• Überlagerte Fehlerquellen:
- Mehrwegeausbreitung,
- ionosphärische Dispersion,
- Wolken in der Troposhäre,
• Selective Availability:
- Degradation des Zeitstempels in der C/AMessage,
- Verschlüsselung der Korrektur im P-Code,
- überlisten durch Chip-Synchronisierung.
• Ergänzung durch Differentielles GPS.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
22.4 Differentielles GPS
1.50 MHz
• Genau vermessene Referenzstationen.
• Feste Station berechnet Differenzsignal:
- für alle sichtbaren Satelliten,
- relativ zur eigenen Position,
- in Echtzeit ...
• Korrektursignal über Radio Modem und
serielle Schnittstelle am Empfänger.
• Kurze Distanzen zw. fester Station & Mobile.
• Wide Area Augmentation System:
-
Flächendeckendes Korrektursystem geplant.
Lokale Ausbreitungsbedingungen,
Verteilung über Satelliten,
Satellitenzustand
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23. Migration zu UMTS
23.1 UMTS Zielsetzung
• Universal Mobile Telecomm. System:
-
Infrastruktur 500-1000 Mia DM,
Lizenzen für 100 Mia DM,
In Deutschland ab 2002,
„Think Big“ ?
• Datenraten:
- bis zu 2 Mbit/sec in Ballungszentren (asymm.),
- Mindestens 384 Kbit/sec ausserhalb,
- Paketorientierte Zugangsverfahren.
• Weltweite Roaming Möglichkeiten:
-
Erreichbarkeit,
Abrechnungsmodi,
Gerätekompatibilität,
Firmeneigene Netzsegmente,
Virtual Home Environment (VHE).
• Integration bisheriger Ansätze:
GSM – europ. Dig. Mobiltelphone,
PCS – Personal Comm. Systems (USA),
IS-95 – Interim Standard (USA, CDMA),
DECT – Digital E. Cordless Telphones,
Bluetooth – ad-hoc Picozellen LANs,
IEEE 802.11 – Wireless LANs ? …
“Solution in search of a problem ? “
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.2 Datenübertragung in GSM Netzen
23.2.1
GSM Phase 1:
• Wählverbindung über einen Telephonkanal:
- Maximale Datenrate 9600 Bps,
- Fest zugeordneter Übertragungskanal,
- Gebühren nach Verbindungsdauer.
• Core-Netzwerk:
-
Kanäle mit n*16 Kbit/sec,
Message Switching Centers,
Home- & Visitor Location Register,
Interworking Units (Formatkonvertierungen),
Authorisierung, Abrechnung & EIR.
• Radio-Netzwerk:
- Zellenorganisation,
- Frequenz- & Zeitmultiplex,
- Kanaltrennung (xxxCHs) ...
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.2.2
Höhere Datenraten via GSM
• Bündelung mehrerer Zeitschlitze:
• Direkter Anschluss an ein Paketnetz:
- Datenraten >16 Kbit/sec möglich,
- Aufbau der IP-Pakete im Core-Netz.
• HSCSD – High-Speed Circuit-Switched D.:
-
Wählverbindung (CS),
Maximal 115 Kbit/sec,
Minimale Verzögerung,
Tarifierung mit Zeittakt.
• GPRS – General Packet Radio Service:
- Daueranschluss für Paketdaten,
- Tarifierung nach Datenvolumen,
- Maximal 171 Kbit/sec, asymmetrisch.
• EDGE – Enhanced Data Rate for GSM Evol.:
- Verbessertes Modulationsverfahren ( >= GPRS),
- Incrementelle Redundanz,
- Maximal 553 Kbit/sec.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.3 General Packet Radio Service
23.3.1
GSM Phase 2+:
• Erweiterung des Core-Netzes durch Paketvermittlungskomponenten:
• GGSN - Gateway GPRS Support Node:
- Zwischen Radio Link Protokoll und ATM Zellen.
• SGSN - Serving GPRS Support Node:
- Zwischen ATM Backbone und IP- oder X.25 Netz,
- Mobility Management für IP-Adressen.
• Switching Netzwerk:
- Aktuell auf ATM Basis, langfristig als IP-Netz,
- Sowohl Paket- als auch Leitungsvermittlung.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.3.2
GPRS Protokollarchitektur
General Packet Radio Service
Mobility Management
LLC
Radio
Resource
Management
GSM-Ctnrl
RLC/MAC
Mgmt
PDCH
Physical Link
• Neue Protokolle für den Pakettransport:
- Media Access Control für Kanalzugang,
- Radio Link Control zur Fehlerkontrolle,
- LLC entsprechend IEEE 802.x.
• Alte Kanäle zur GSM-Kontrolle/Mgmt:
BCCH Broadcast Control Channel: Rundsenden von
Zelleninformation, nur downlink.
PCH
Paging Channel: Verbindungsaufbau zur
Mobilstation, nur downlink.
RACH Random Access Channel: Verbindungsaufbau zum
Netz, GPRS Kanäle anfordern (nur uplink).
AGCH - Access Grant Channel: Bestätigung für angeforderte Kanäle & Resourcen (nur downlink).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.3.3
PDCH – Packet Data Channel:
• Kapselt mehrere logische “Subkanäle”.
• Pakete in Temporary Block Flows (TBF).
• PDCH Subkanäle:
PBCCH:
PPCH:
Packet Broadcast Control Channel - Zelleninfo
Packet Paging Channel – Verbindungsanfrage zu
den mobilen Stationen (Packetmode ...).
PRACH: Packet Random Access Channel (uplink) –
Anfordern von TBFs und Zeitschlitzen.
PAGCH: Packet Access Grant Channel (downlink) Bestätigung der Allozierung von TBFs.
PACCH: Packet Associated Control Channel – Steuerung
von Temporary Block Flows (TBF);
PTCCH/U: Packet Timing advance control channel (uplink),
für Timing-Testnachrichten von MS.
PTCCH/D: Packet Timing advance control ch. (downlink),
Neue Verzögerungsparameter für MSs.
• Referenz: ETSI EN 301 349 V8.4.1:
- Digital cellular telecommunications system (Phase 2+),
- General Packet Radio Service (GPRS),
- Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS)
interface,
- Radio Link Control/Medium Access Control (RLC/MAC)
Protocol (GSM 04.60 version 8.4.1 Release 1999).
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.3.4
MAC-Control für GPRS
• GPRS-Pakete fliessen in sogenannten Temporary Block Flows (TBF).
-
Evtl. längere Wartezeiten bis zur TBF-Allozierung,
Slots werden einzelnen TBFs zugeordnet,
Dynamische Zuordnung über Uplink-State-Flag,
Evtl. feste Zuordnung beim Aufbau eines TBF.
• GPRS Zugriffsverfahren
- Für Paketverkehr freigegebene Zeitschlitze werden
wechselweise an mehrere Stationen vergeben,
- Basis kann Slots/TBF kurzfristig beanspruchen,
- MS beantragt TBF über einen Random Access Ch.
- Slotvergabe geschieht dann über MAC-Instanz,
- Zähler bis zum nächsten freien Slot an MS,
- TBFs werden kurzfristig wieder freigegeben,
- Einrichtungsverzögerung Uplink ~0.5 sec.
• Nachrichten zum Einrichten von TBFs:
Packet Downlink Assignment
Packet Queuing Notification
Packet Uplink Assignment
Packet Resource Request
Packet Channel Request
Packet Paging Request
Packet Access Reject
Packet TBF Release
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
• Nachrichten im RLC Protokoll:
Packet System Information Type 1 .. 13
Packet Downlink Ack/Nack
Packet Uplink Ack/Nack
• Verschiedene Steuernachrichten:
Packet Power Control/Timing Advance
Packet Enhanced Measurement Report
Packet Measurement Order/Report
Packet Control Acknowledgement
Packet Cell Change Order/Failure
Packet Timeslot Reconfigure
Packet PRACH Parameters
Packet Mobile TBF Status
Packet Polling Request
Packet PDCH Release
Packet PSI Status
Packet Pause
Spare
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.4 UTRAN
= UMTS Terrestrial Radio Access Network.
• Funkkomponente für neue Link-Technik:
- TD-CDMA,
- WCDMA, Wide-Band CDMA,
- MC-CDMA, Multi-Carrier CDMA ...
•
•
•
•
RAN = Radio Access Network.
Node B ersetzt BSS (Base Station Subsyst.).
RNC (Radio Netw. Controller) ersetzt BSC.
Leider keine Einigung auf eine Link-Technik.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.5 TD-CDMA
• Rahmenstruktur:
• Kombiniertes Zugriffsverfahren.
- Rahmen mit 10 msec Dauer,
- 16 Zeitschlitze à 625 Mikrosekunden,
- CDMA in den einzelnen Zeitschlitzen.
• Wählbare Datenrate:
- evtl. mehrere Zeitschlitze,
- asymmetrische Datenrate,
- Spreizfaktor 1..16 .
• Midamble:
- Orthogonaler Spreizcode pro Station,
- Identifizierung von Mehrwegsignalen,
- Unterscheidung überlagerter Stationen.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
23.6 WCDMA
= Wide Band Code Division Multiple Access.
• Synchronisierung der Stationen untereinander
entfällt (Timing Advance etc.).
• Logische Kanäle ähnlich TD-CDMA.
• Physikalische Kanäle:
- Kontinuierlicher Pilotkanal (Pro Station, pro Basis),
- Datenkanal mit „Discontinuous Transmission“,
- Gemeinsamer Random Access Ch (PRACH).
• Separater Code für den Pilotkanal.
• Datenkanal:
- Multiplexen verschiedener Ströme über Code,
- Multiplexen von Ströme durch Paketisierung,
- Variable Datenrate über Spreizfaktor.
• Sendeleistung auf Zeitschlitzbasis steuern.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
24. Bluetooth Piconetz
24.1
Zielsetzung
• Ersatz kabelgebundener Peripheriegeräte.
• Unempfindlich gegenüber HF-Störungen.
• Selbstkonfigurierende „ad hoc“ Netze:
-
Automatisches Service Discovery Protokoll,
Maximal 7 aktive Stationen,
N inaktive Statuionen,
Peer-to-peer.
• Technische Daten:
-
Mittlere Geschwindigkeitsklasse (1 Mbit/s),
Slow Frequency Hopping mit 80 Trägern.,
Lizenzfreier ISM Betrieb bei 2.44 GHz,
1600 Bursts pro Sekunde.,
Reichweite ~10 Meter,
Stromsparmodi.
• Verschiedene Topologien:
-
Punkt zu Punkt,
Piconetze,
Scatternet,
Basisstationen,
Mobile Stationen ...
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
24.2
Anwendungsbeispiele
• Bluetoth Modul
• Luftdruckwarner im Reifen
• Kopfhörer zum Mobiltelefon
• Festplatte, Kamera
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
24.3
Geräteklassen/Profile
Generic Access Profile
Service
Discovery
Applic´n
Telephone ...
Cordless T.
Push
Intercom
Push
Serial Port Profile
Dial-Up
Generic Object Exchange
Telefax
Headset
LAN Access
Object Push
Synchronization
File Transfer
• Generic Access Profil:
- Synchronisierungs- und Anmeldemethoden.
• Service Discovery Application Profil:
- Eigenschaften für Server & Klienten.
• Serial Port Profile / Netzzugangsprofile:
- traditionelle COM-Ports und Streams nachbilden,
- Modem, LAN Adapter, Telefax, Kopfhörer.
• Datenaustauschobjekte:
- Services als Abstraktion von Geräten.
• Telephonprofile:
- CS – Telephone Control Specification
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
24.4
Protokoll-Stack
• Link Level Control and Adaptation (L2CAP):
-
Anwendungsnachrichten bis zu 64 Kbyte,
Basisbandpakete maximal 2745 Bits,
Anwenderströme multiplexen,
Dienstequalität (QoS).
• Die Basisbandpakete müssen eventuell über
ein Hostinterface transportiert werden:
- Falls keine Bluetooth-Hardware auf dem Board,
- Evtl. per DMA bei synchronen Strömen.
• Device Schnittstelle bleibt gegenüber der
Applikation möglichst unverändert.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
Luftschnittstelle
80 MHz
24.5
f
t
0.625 ms
• Fast Frequency Hopping im ISM-Band:
-
79 Trägerfrequenzen zwischen 2402 & 2483.5 MHz,
1600 Frequenzwechsel pro Sekunde,
kurze Latenzzeiten,
1 Mbit/sec.
• Koexistierende Piconets:
- Jeweils eigene FFH-Sequenz/Code,
- Kein synchroner Zeitraster,
- Master Station...
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
24.6
Anmeldeverfahren
• Inquiry-Prozedur:
-
Sucht eine verfügbare Master Station,
Vordefinierte Inquiry Access Codes,
Abwechselnd senden und dann hören,
16 Frequenzen pro Sequenz.
• Latenzverhalten:
-
maximal 10,24 Sekunden für die Anmeldung.
2 vordefinierte General Inquiry Access Codes,
2 vordefinierte Dedicated Inquiry Access Codes,
Ganze Sequenz mehrmals wiederholen.
• Inquiry-Scan Prozedur:
- Master Station nimmt Anmeldungen entgegen,
- Hört auf einer Frequenz für 16 Zeitschlitze,
- Evtl. periodisch auf Anmeldungen hören.
• Antwort auf Inquiry:
- mit zufälliger Zeitverzögerung,
- Device Adresse, Master-Clock, Scan-Again,
- Vermeidet damit Kollisionen mit anderen
Stationen.
• Sodann „Paging“ für „Connection State“.
• Anschliessend wird ein Link aufgebaut und
Datagramme oder Streams können fliessen.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.
24.7
Verschlüsselung:
• Konfigurierbar 8 bis 128 Bit Schlüssel.
• Schlüssel verdeckt erzeugen aus:
- PIN Nummer,
- Device Adresse,
- Zufallszahl (Challenge).
• PIN Nummer pro User.
• Challenge-Response Verfahren.
• Zunehmende Zeitschranke bei falscher PIN.
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Schulthess,
Rechnernetze, Winter 1999/2000 © P.