BA Course ICT Management /05 Part 10

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1 (slide 1) BA Course ICT Management /05 Part 10 Ulrich Ultes-Nitsche Research Group Department of Computer Science, University of Fribourg Chemin du Musée 3, CH-1700 Fribourg Switzerland

2 (slide 2) A Layered Communications Model (hybrid model [A. Tanenbaum]) application application layer transport layer network layer data link layer physical layer physical communications medium

3 (slide 3) Signal Ein Signal ist die physikalische Repräsentation von Daten durch charakteristische räumlich- zeitliche Veränderung von physikalischen Grössen Informationen Konventionen Die Darstellung ist durch Konventionen geregelt (wie werden die Daten repräsentiert?) abstrakte Welt Daten als formalisierte Darstellung Konventionen Signale sind somit die physikalische Welt reale physikalische Repräsentation abstrakter Grössen: der Daten Signale als reale Darstellung von Daten

4 (slide 4) Signalklassen Zeit kontinuierlich diskret Analoges Telefon Signalwert diskret kontinuierlich Unregelmässige Messungen mit diskreten Werten Prozesssteuerung mit periodischen Messungen Digitale Übertragung mit isochronem Takt

5 (slide 5) Störungen der Signalübertragung Dämpfung Energieverlust während der Ausbreitung des Signals (abhängig von der Frequenz; Amplitudenreduktion) Laufzeitverzerrung S(t) Unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen je nach Frequenz t Rauschen Thermisches (weisses) Rauschen (thermal noise) durch Zufallsbewegungen der Elektronen Nebensprechen (cross talk) durch induktive Kopplung Impulsförmiges Rauschen (impulse noise) durch elektrische/elektronische Geräte

6 (slide 6) Fourier-Analyse I Jede periodische Funktion der Periode T kann durch eine Summe von Sinus- und Kosinusfunktionen dargestellt werden (die sogenannte Fourier-Reihe): g( t) = 1 2 c + n= 1 a n sin(2πnft) + n= 1 b n cos(2πnft) mit Grundfrequenz f = 1/T, Amplituden a n und b n der Sinus- und Kosinus der n-ten Harmonischen (Oberwelle).

7 (slide 7) Fourier-Analyse II g( t) = 1 2 c + n= 1 a n sin(2πnft) + n= 1 b n cos(2πnft) Jedes Signal setzt sich in Wirklichkeit aus der Überlagerung (Summe) verschiedener Frequenzen zusammen: 1 0 t ideales digitales Signal reale Zusammensetzung t

8 (slide 8) Fourier-Analyse III g( t) = 1 2 worin gilt: c + n= 1 a n sin(2πnft) + n= 1 b n cos(2πnft) f = 1/T, wobei T die Signalperiode ist c = 2/T 0 T g(t) dt a n = 2/T 0 T g(t) sin(2πnft) dt b n = 2/T 0 T g(t) cos(2πnft) dt

9 (slide 9) Bandbreite Kapazität ( Frequenzbreite ) eines Übertragungsmediums Frequenz wird in Hertz (Hz; Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) gemessen Idealisiert lässt ein Übertragungsmedium alle Frequenzen bis zu einer maximalen Frequenz passieren und blockiert alle höheren Frequenzen In anderen Worten: Es werden nur einige Harmonische der Fourier-Entwicklung eines Signals durchgelassen Das Signal wird durch das Medium verzerrt

10 (slide 10) Fourier-Analyse IV Max. Frequenz 500 Hz 900 Hz Harmonische nur Hz Hz 2500 Hz 4000 Hz Signalrate: 2000 Sig/s

11 (slide 11) Nochmals Bandbreite Nyquist-Theorem Maximale Datenrate R [bit/s] für einen rauschfreien Kanal mit eingeschränkter Bandweite B [Hz] R = 2B log2 n n = Anzahl diskrete Signalstufen Shannon scher Kanalkapazitätssatz Maximal erzielbare Datenrate C [bit/s] ist abhängig vom Signal/Rausch- Abstand S/N (signal-noise-ratio) B S,N Bandbreite des Kanals Energie des Signals bzw. der Störquelle (Rauschen, Noise) S/N meist in Dezibel [db] angegeben S C = B log N S N [ ] = 10 log db 10

12 (slide 12) Übertragungsmedien I Doppeladern Kupfer zwei isolierte, ineinander verdrillte Kupferadern Varianten: UTP - Unshielded, STP - Shielded Twisted Pair Bandbreite: 4 khz über mehrere Km mit Verstärker (Repeater) alle 2 km bis 16 Mbit/s bei 100 MHz Fehlerwahrscheinlichkeit: ca (analog 10-3 ) Beispiel: Anschlussnetz Telefon UTP STP

13 (slide 13) Übertragungsmedien II Koaxialkabel dicke Kupferader (Innenleiter) wird von Isolation, Aussenleiter (Metallgeflecht) und Schutzhülle umgeben Bandbreite: bis 500 MHz, für kurze Distanzen auch 750 MHz und mehr (Kabelfernsehen) bis zu 500 Mbit/s (mit Repeater alle 1-10 km) Fehlerwahrscheinlichkeit: ca Beispiele: Kabelfernsehen, ältere LANs Isolation und Schutzhülle Abschirmung (Aussenleiter) Isolation Kupferader (Innenleiter)

14 (slide 14) Übertragungsmedien III Glasfaser dünne Glasfaser (2-100 µm) Varianten: Monomode / Multimode über 2 Gbit/s mit Repeater alle km Beispiel: schnelle WANs, Backbones Kernmantel Glasfaserkern Schutzhülle elektr. Signal Lichtsensor Lichtquelle optisches Signal elektr. Signal

15 (slide 15) Typen von Glasfasern Multimode Stufenindex Multimode Gradientenindex Monomode

16 (slide 16) Vergleich Kupferdraht / Glasfaser Kupferdraht + einfache Technologie + grosse Verbreitung (Anschlussbereich) - geringe Bandbreite, Repeater häufig nötig - potentielle Störungseinflüsse grösser Glasfaser - neue, aufwendigere Technologie für Schnittstellen - Ersetzen der Kupferkabel teuer (Tiefbauarbeiten) + höhere Bandbreiten weniger Platzbedarf + weniger häufig Repeater nötig + kleineres Leitungsgewicht geringere Installationskosten + guter natürlicher Schutz gegen Abhören

17 (slide 17) Mehrfachnutzung von Übertragungswegen Übertragungsweg physikalisch-technisches Transportsystem für Signale (z.b. Kabel, Glasfaser) Übertragungskanal Abstraktion eines Übertragungsweges für einen Signalstrom meistens können mehrere Übertragungskanäle auf einem Übertragungsweg betrieben werden Zusammenfassung von Übertragungskanälen auf einem Übertragungsweg nennt man Multiplex (Bündelung)

18 (slide 18) Zeitmultiplexen I Die gesamte Übertragungskapazität (Bandbreite) wird kurzzeitig (Zeitschlitz, time slot) einem Übertragungskanal zur Verfügung gestellt. Nach der Einhaltung einer Schutzzeit zur sicheren Trennung ist der nächste Übertragungskanal an der Reihe. Beim starren Zeitmultiplex (TDM, Time Division Multiplex) kann der Emfänger aus der zeitlichen Lage der Zeitscheibe identifiziert werden. Frequenz Schutzzeiten Übertragungskanäle Eignet sich nur für zeitdiskrete Signale und wird vorwiegend für digitale (zeit- und wertdiskrete) Signale eingesetzt. Zeit

19 (slide 19) Zeitmultiplexen II Beim anforderungsgesteuerten Zeitmultiplex werden die Zeitscheiben nur bei Bedarf zugeteilt, somit ist eine Kennung (Adressierung) erforderlich Diese Variante wird auch statistisches (STDM, Statistical TDM) oder asynchrones Zeitmultiplex genannt. Frequenz Schutzzeiten Übertragungsrichtung Übertragungskanäle Zeit Daten Adresse Flexibler als statisches Zeitmultiplex, aber mit zusätzlichen Aufwand (overhead) behaftet.

20 (slide 20) Frequenzmultiplexen Das Frequenzmultiplex (FDM, frequency division multiplexing) ermöglicht die gleichzeitige Nutzung der Übertragungskapazität durch mehre Übertragungskanäle in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Die Frequenzbereiche können unterschiedlich gross sein, aber immer genau ein Übertragungskanal pro definiertes Frequenzband. Das Frequenzmultiplex ist für analoge und digitale Daten geeignet. Digitale Daten werden dazu einer Trägerfrequenz aufmoduliert. Frequenz Übertragungskanal 1 Übertragungskanal 2 Übertragungskanal 3 Übertragungskanal 4 Schutzbänder Zeit

21 (slide 21) Weitere Multiplexverfahren Raummultiplex auch als Kupfermultiplex bezeichnet Bündelung mehrerer Adern (evtl. auch Doppeladern), die je einen Übertragungskanal darstellen, in einem Kabel WDM (wavelength division multiplex) für Lichtwellenleiter Verwendung mehrerer Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen Verfahren mit Prismen ist passiv und damit zuverlässig Codemultiplex (CDMA, code division multiple access) Alle Übertragungskanäle verwenden gleichzeitig das gleiche Frequenzband Der Wertebereich (Coderaum) des Bitcodes wird orthogonal aufgeteilt Vorteil: Coderaum im Vergleich grösser als Frequenzraum, Vorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar Nachteil: Komplexität der Implementierung

22 (slide 22) Codierung digitaler Signale Taktrückgewinnung ist zur Synchronisation erwünscht Gleichstromanteil sollte möglichst niedrig sein Einfach-/Doppelstromverfahren Erkennung von Signalfehlern mit geeigneter Codierung realisierbar Resynchronisation wird durch Rahmenbildung ermöglicht Schrittgeschwindigkeit Anzahl der Signal-Zustandswechsel, Einheit Baud [1/s] ist nicht zwingend gleich der Übertragungsrate (Bitrate) Baudrate gleich Bitrate, wenn bei jedem Schritt genau 1 Bit (binäres Signal) dargestellt wird

23 (slide 23) Codierungsverfahren I Varianten NRZ (Non-Return-to-Zero): intuitivste Form RZ (Return-to-Zero): Rückkehr in low -Pegel in 2.Takthälfte, Gleichstromanteil, Baudrate > Bitrate, Motiv: Taktrückgewinnung NRZ-I: differentielle Codierung, d.h. Pegelwechsel bei binärer 1, Motiv: Signalwechsel leichter zu erkennen als Signalpegel NRZ-S: wie NRZ-I, jedoch Pegelwechsel bei binärer 0 (Space) NRZ RZ NRZ-I NRZ-S

24 (slide 24) Codierungsverfahren II Manchester (z.b. Ethernet) Pegelwechsel abwärts bei binärer 1, aufwärts bei 0. Motiv: Mindestens ein Signalwechsel pro Bitintervall (Intervallmitte) Vorteile: Keine Gleichstromkomponente, leichte Taktrückgewinnung, Fehlererkennung auf Signalebene (Pegelwechsel) Nachteil: Verdoppelung der Baudrate (= 2 * Bitrate) Differentielles Manchester (z.b. Token-Ring) Pegelwechsel in der Mitte des Bitintervalls Wechsel zu Beginn nur bei binärer 0. Ausgabesignal von Startpegel abhängig Bipolar NRZ Manchester Diff. Manch. Bipolar RZ mit abwechselnd positivem und negativem Pegel

25 (slide 25) Analoge Übertragung digitaler Daten Modem Datenübertragung über analoges Telefonnetz Telefonnetz mit Frequenzband von 300 bis 3400 Hz Modulator/Demodulator: Umwandlung der Signale Signalumwandlung durch Modulation Trägersignal wird gemäss eingehendem Datenstrom (Modulationssignal) moduliert Modulationssignal Modulator Trägerfrequenz

26 (slide 26) Modulationsverfahren (I) Amplitudenmodulation (AM) Die Höhe der Amplitude bestimmt den Bitwert Verwendungsbeispiel: Rundfunk Frequenzmodulation (FM) Die Frequenz bestimmt den Bitwert Verwendungsbeispiele: Rundfunk (UKW), einfache Modems Phasenmodulation Codierung der Bitwerte durch Phasensprünge der übertragenen Sinusschwingung PSK-Modulation (phase shift key) Phasensprung bei Veränderung des Signals (Referenzsignal nötig) Differentielles PSK (D-PSK) abhängig vom Signalwert Phasensprung von 90 bzw. 270 ermöglicht Taktrückgewinnung

27 (slide 27) Modulationsverfahren II NRZ AM FM PSK D-PSK

28 (slide 28) Modems I Beschränkung der Bandbreite (Telefonnetz) erlaubt theoretisch höchstens 3000 Baud Ansatz: Codierung mehrerer Bits pro Baud möglich durch mehrere Pegelwerte (Amplitudenhöhe) mehrere Frequenzen bei Frequenzmodulation unterschiedliche Phasenverschiebungen Kombinationen von AM, FM und PSK-Verfahren Beispiel: QAM (Quadratur Amplitude Modulation) Codierung von 4 Bits mit Amplituden- und Phasenmodulation Amplitudenhöhe = Entfernung vom Zentrum

29 (slide 29) Modems II V.15 / V.21: Urahnen der Modems (1988) V.32 / V.32bis (1991) Bitraten max. bis zu bit/s bzw bit/s bei 2400 Baud. Einigung auf höchste Bitrate, die von Sender und Empfänger unterstützt werden. V.34 / V.34bis (1994/96) Einsatz höherer Baudraten ergeben Bitraten bis zu bit/s Kein (klassischer) Signalton mehr, zu Beginn wird die Leitung getestet und das optimale Verfahren bestimmt. Limite Nach Shannon-Theorem ist die maximale Bitrate bei ca. 35 khz (Annahme: Bandbreite 3000 Hz, 35 db Signal/Rausch-Abstand) Datenkompression / Fehlerbehandlung V.42bis: Kompressionsraten bis zu 4:1 mit Fehlerkorrektur. MNP5: weit verbreitet in den USA, Kompressionsraten bis zu 2:1.

30 (slide 30) Modems III aktuellste Modemgeneration mit Norm V.90 (56k-Modems) Bitrate asymmetrisch download zum Benutzer: bis zu bit/s upload zum ISP (Internet Service Provider: bis bit/s (V.34bis) Bedingungen digital vermitteltes Telefonnetz ISP-Host mit digitalem Anschluss gute Leitungsqualität im local loop (Anschlussbereich Benutzer) D/A D/A V.34 Modem V.90 Modem A/D D/A A/D PSTN PSTN A/D V.90 Modem V.34 Modem PSTN: Public Switched Telephone Network

31 (slide 31) Umwandlung Daten Signale Übertragungs-Signale digital analog analog Konventionelles Telefon (POTS: plain old telephone system) Konventioneller Rundfunk Digitale Telefonie (z.b. PCM-System) Datenquelle digital Übertragung digitaler Daten über POTS (via Modems) Drahtlose Übertragung digitaler Daten Codierung digitaler Daten

32 (slide 32) Basisband / Breitband Basisband-Übertragung ein einzelner Übertragungskanal mit hoher Bitrate benutzt die gesamte verfügbare Bandbreite ( Zeitmultiplex möglich) digitale Signale (zeit- und wertdiskret) Ausnahme: Benutzung des Begriffs für den Bandbereich eines analogen Signals (z.b. Sprache) in seiner ursprünglichen Frequenzlage im Vergleich: einfach und billig, aber räumliche Ausdehnung und Kanalkapazität beschränkter Breitband-Übertragung die Bandbreite des Übertragungsweges wird auf mehrere Übertragungskanäle aufgeteilt ( Frequenzmultiplex) Modulation des Datenstromes auf eine Trägerfrequenz im Vergleich: kompliziert und aufwendig, aber Ausdehnung und Kanalkapazität grösser

33 (slide 33) That s all for today. I wish you a Merry Christmas and a very Happy, Healthy, and Successful New Year!