Blätter zur Vorlesung. Rechnernetze II. Sommer Prof. Dr. Peter Schulthess Fakultät für Informatik Universität Ulm

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1 Blätter zur Vorlesung Rechnernetze II Sommer 2003 Prof. Dr. Peter Schulthess Fakultät für Informatik Universität Ulm

2 14. Vorschau 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 : - - Dienstag, 12-14h, H21 (wöchentlich), - - Donnerstag, 10-12h, H21 (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: - - Moritz Wende, Andreas Schorr. Anrechnung der kombinierten Übungsnote im Rahmen der Diplomprüfung möglich (>50%). 1 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

3 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; Lane M.: 1987 Decker (Heidelberg) 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) 2 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

4 14.3. Rechnernetze II - Inhalt 14. Vorschau Einordnung & Organisation Literatur Rechnernetze II - Inhalt Hochgeschwindigkeitsnetze Standardisierung nach IEEE Fast Ethernet Breitband CATV Netze Distributed Q. Dual Bus (DQDB) FDDI Asynchron. Time MPX (ATM) Frame Relay Übertragungsmedien Lichtwellenleiter Koaxialkabel Telefonkabel Funkkanäle Leitungseigenschaften Fourierzerlegung eines Signals Signaldimensionierung Übersprechen Modulation Modemstrecke: Amplitude Shift Keying (ASK) Frequency Shift Keying (FSK) 69 3 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

5 17.4. Phase Shift Keying (PSK) Telefon Modems Quadratur Amplituden Modulat Trellis Coded Modulation Faltungskodierer mit r= 0, Trellis-Diagramm: Teilnehmeranschlusstechniken Digitalisierung des Fernmeldenetzes: Schmalband-ISDN Modems für "die letze Meile" xdsl Schnelle Zugangstechniken VDSL - Very high data rate DSL Kabelverteilnetze (CATV) Mobile Kommunikation Drahtlose Übertragungssysteme Mobilfunk nach GSM-E Qualitätsverbessernde Techniken GSM-Netzorganisation Dienste am GSM-Netz Fehler! Textmarke nicht definiert DECT CDMA Satellitensysteme Umlaufbahnen Technik Beispielsysteme Global Positioning System 32 4 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

6 22.1 GPS Navigation Message Modulation: Genauigkeit der Messung Differentielles GPS Migration zu UMTS UMTS Zielsetzung Datenübertragung in GSM Netzen General Packet Radio Service UTRAN TD-CDMA WCDMA Bluetooth Piconetz Zielsetzung Anwendungsbeispiele Geräteklassen/Profile Protokoll-Stack Luftschnittstelle Anmeldeverfahren Verschlüsselung: 58 5 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

7 21. Satelittensysteme 21.1 Umlaufbahnen 21.2 Technik 21.3 Beispielsysteme 21.4 Global-Positioning-Systems 22.1 GPS-Navigation Message 22.2 Modulation 22.3 Genauigkeit der Messung 22.4 Differentielles GPS 23. Migration zu UMTS 23.1 UMTS-Zielsetzung 23.2 Datenübertragung in GSM-Netze 23.3 General Packet Radio Service 23.4 UTRAN 23.5 TD-CDMA 23.6 WCDMA 24. Bluetooth Piconetz 24.1 Zielsetzung 24.2 Anwendungsbeispiele 24.3 Geräteklassen/Profile 24.4 Protokoll-Stack 24.5 Luftschnittstelle 24.6 Anmeldeverfahren 24.7 Verschlüsselung 6 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

8 15. Hochgeschwindigkeitsnetze Standardisierung nach IEEE Bridging, Management, Architektur etc LLC Ethernet Token bus Token ring Metropolitan Area Networks DQDB 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 7 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

9 15.7. Fast Ethernet 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,((([ 1000 Base-X 1000 Base-T 1000 Base-SX 1000 Base-LX 1000 Base-CX 1000 Base-LH 10 Gigabit (802.3ae) 8 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

10 Betriebsart: halb/voll-duplex,autonegotiate. Medium: Koax, Kupferpaare, Glasfaser. Zugriff: CSMA/CD, Demand Priority. Hubs: Umcodierung, Switching, Store & Forward. 9 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

11 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 - 10 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

12 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. 11 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

13 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. 12 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

14 Gigabit Ethernet: Fernnetz über Glasfaser. Mischung von Sprache & Daten. Noch in früher Spezifikationsphase. Vorl. Projektautorisierung durch IEEE. Konkurrenz zum europäischen ATM- Konzept. Schwedisches Pilotprojekt Wireless Ethernet: IEEE Empfehlung. Bitrate ca. 2 Mbit über 1.5 km. Frequenzbereich 2.4 GHz (USA). Peer-to-peer oder über Basisstation Lizenzfreie Spreizspektrum-Technik. z.b. WaveLAN von Lucent Techn. Alternativen bei 930 MHz (USA). IEEE b für 10 Mbit/sec bei 5,5 GHz. 13 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15 Breitband CATV Netze Split-Spectrum Breitbandnetz: Auf existierenden Kabelfernsehnetzen: - neben den vorhandenen Fernsehkanälen, - alteanativer Telefonteilnehmeranschluss, - für schnelleren Internet-Zugang. Richtungstrennung durch Frequenzumsetzung in der Kopfstation (nur ein Kabel): Headend Rückkanal Verteilen Viele Kanäle auf einem Kabel im Frequenzmultiplexverfahren: - Schnelle & langsame LANs, - Modemfestverbindungen, - Frequenzagile Modems, - Videokanäle. 14 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16 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. 15 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

17 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% 99% 1% 1% Umrüstung auf bidirektionale Ubertragung: - Transponder in der Kopfstation, - Verstärker, - Filter. Abzweigdosen (Taps), Splitter. Frequenzkompensation Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

18 Aufteilung des Frequenzbandes: Subsplit Schema: MHz zur Kopfstation ("upstream"), MHz von Kopfstation ("downstream"), - 24 MHz Schutzband dazwischen. Midsplit Schema: MHz zur Kopfstation, MHz von der Kopfstation, - evtl. höhere Frequenzen für TV. Highsplit Schema: / MHz. Supersplit Schema: bis 800 MHz. Kabelmodems: - USA: 5-42 / MHz - Europa: 5-65 / MHz Aufteilung auf zwei Kabel möglich. 17 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

19 Kabelmodem Sp Hochpass V TAP K Kabelmo Pro: - Telephondienst möglich, - Dauerverbindung, - hohe Datenrate, Contra: - asymmetrische Datenrate, - Verschlüsselung zwingend, - 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: MBit/s, - Strom von Zeitschlitzen, - MPEG-Frames von Kopfstation. 18 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20 15.2.5b Anordnung im TV-Raster: 2 MHz Raster 6 oder 8 MHz Raster upstream downstream TV-Kanäle z.b. 65 MHz f 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 als Kabelmodem-Empfehlung. Ausführungsformen für das Endgerät: - externes Modem (Ethernet, USB,...) - interner Adapter (PCI...) - Set-Top Box (TV, evtl. POTS-Rückkanal). 19 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21 Richtungsgetrennte Verkabelung: Nicht für existierende Fernsehverteilnetze. Installation von zwei parallelen Kabeln. Volle Ausnutzung des Frequenzbandes. Keine Filter erforderlich. Doppelte Kabelkosten. Passive Kopfstation. 20 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

22 15.3. Distributed Q. Dual Bus (DQDB) 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). 21 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

23 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. 22 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

24 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 52 Oktette Busy Bit Typ Bit 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. 23 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

25 15.4. FDDI Fiber Distributed Device Interface. Glasfasernetz mit Ringtopologie. Doppelring als Ausfallsicherung Ringtopologie Multimode Glasfaser, LEDs. 2 gegenläufige Ringe. Nutzdatenrate 100 MBit/s (@125Mhz) 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). 24 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

26 "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 A Token C B B 25 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

27 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 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, 26 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

28 15.5. Asynchron. Time MPX (ATM) Mischen von Datenströmen mit unterschiedlicher Datenrate. Diensteintegration: - LAN-WAN Interconnection, - Multi-Media Endgeräte, - PC-Kommunikation, - Telephonie, ISDN, - Videokonferenzen, - TV-Verteilung... Standard für Breitband-ISDN (B-ISDN): - Pakete mit fester Länge (53 Bytes), - Forward or Drop Verfahren, - wenig Protokollaufwand, - kurze Latenzzeiten, - CCITT I.150. Dienstequalität (QoS) anfordern: - 2 Prioritäten, - garantierter Durchsatz, - mittlerer Durchsatz, - maximaler Durchsatz, - Laufzeitgarantie, - Laufzeitvarianz, - Broadcast und Multicast möglich. 27 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

29 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. 28 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

30 ATM Protokollstack Convergence Sublayer Adaptierungsebene Verb.- aufbau Anwendungsprogramm ~ LAPD Null Segmentierung Null ATM-Ebene Header, Payload, Flusskontr. Phys. Ebene: Fasertyp, Scrambling Je nach Bedarf kann Anwendungsprogramm Dienste der Adaptierungsebene beanspruchen. Nur ausnahmsweise wird Programm direkt 48 Byte Pakete verarbeiten. Für Verbindungsaufbau und Signalisierung sind Bibliotheksprozeduren erforderlich. ATM-Features, die nicht in Bibliothek verankert sind, können vom Programm etwa unter Umgehung der LAPD-Prozeduren gerufen werden. 29 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

31 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. 30 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

32 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: - Call Control & höhere Protok. in Sparc CPU. - Message assembly & disassembly auf Karte, - Adapterkarte mit FDDI Anschlusstechnik, - Adaptation Layers auf der Karte, - Framing und CRCs auf Karte, 31 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

33 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 32 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

34 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 & Prüfsumme pro 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. 33 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

35 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. 34 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

36 Faserbündel: 16. Übertragungsmedien Lichtwellenleiter 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 elektrisches Signal 35 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

37 Brechungsgesetz nach Snellius: D $ % Br-Index A * sin α =Br-Index B * sin β Kern & Hülle aus Glas oder Kunststoff. Hülle mit niedrigem Brechungsindex. Totalreflexion beim Übergang Kern/Hülle falls sin E =1, z.b.: - Brechungsindex A = Brechungsindex B = sin α = sin β = 1.0 E 36 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

38 Multimode Faser mit Stufenindex Hülle Kern 0DQWHO Kern µ, Hülle µ. Unterschiedliche Pfadlänge (Modi). Pulsverbreiterung durch die Übertragung. Pulsverbreiterung bestimmt die Datenrate. 37 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

39 Single Mode Glasfaser Hülle Kern 0DQWHO 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. 38 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

40 16.2. Koaxialkabel Für mittlere Datenraten und Entfernungen. Bevorzugt für lokale Datennetze (LANs). Wellenwiderstand 50 Ω oder 75 Ω. Sicherheit gegen Störung und Abstrahlung durch metallische Ummantelung. Praktisch kein Feld ausserhalb: Stanniol oder Drahtgeflecht Kunststoff- Ummantelung Kunststoff- Isolation Kupfer evtl. hohl Widerstandsverluste wachsen mit Wurzel der Frequenz => 2 bis 10 GHz. Signalausbreitung im Dielektrikum zwischen den Leitern. 39 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

41 Hohlleiter (Waveguide) vgl. Gartenschlauch-Telefon. Metallischer Hohlkörper: - gefüllt mit Luft oder Stickstoff, - rund, elliptisch oder rechteckig Geführte Ausbreitung: - sehr hohe Frequenzen (Mikrowellen) - elektromagnetische Wellen - fortlaufende Reflektion - hohe Energien Heute noch als Zuleitung für Richtfunkanlagen. 2GHz GHz. 40 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

42 16.3. Telefonkabel Preisgünstig für kurze Entfernungen oder kleine Datenraten. Relativ hoher Wellenwiderstand: - Angenehm für den Leitungstreiber, - Twisted Pair - FM Bandkabel 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 R 2 41 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

43 16.4. Funkkanäle Satelliten als Relaisstationen (Iridium ). Mikrowellenrichtfunk im Fernmeldenetz. Öffentliche Mobilfunknetze (D-Netze ). Paketfunknetze (Modacom). (IR-Strecken). Betriebsfunk. Reduzierte Zuverlässigkeit: - Behinderung durch Schnee & Regen - Atmosphärische Störungen, - Mehrwegausbreitung (Fading), - Abschattungen: 42 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

44 16.5. Leitungseigenschaften Wellenwiderstand & Reflexionen Eine unendlich lange Leitung bietet am Eingang den Wellenwiderstand Zw. Leitungseigenschaft Z W = U in / I in : U in, I in Leitung aufschneiden und abgeschnittenen Teilersetzen durch einen Widerstand Z T ("Termination", Abschluss): Z T U in, I in Z W Falls Z T =Z W keine Änderung der Verhältnisse am Eingang. Sonst Rückwirkungen auf den Eingang, sogenannte Reflexionen. Der Abschlußwiderstand Z T kann nur die gesamte Energie absorbieren, wenn Z T =Z W. 43 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

45 Laufzeit Lichtgeschwindigkeit setzt eine obere Grenze von km/sec. Signalverzögerung beim Telefonieren über Satelliten: Km 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. 44 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

46 Wellengleichung: Signalamplitude a zur Zeit t am Ort d: a(t,d) = A cos 2š( f t - G λ ) = A cos(ϕ) Amplitude a Distanz d π 4π Phase ϕ für ein bestimmtes t und d auf einer Übertragungsleitung: ϕ = Phase = 2š ( f t - G λ ) = ϕ (f,t,d) c = Ausbreitungsgeschwindigkeit λ = Wellenlänge f = Frequenz = c λ 45 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

47 Linearität des Phasenganges: Der Phasengang ist linear, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit c und die Wellenlänge λ von der Frequenz f unabhängig ist. Linear in f: ϕ( f ) f Sonst nicht linear in f: ϕ( f ) f Wenn nicht alle Frequenzkomponenten gleichzeitig ankommen, ergeben sich Verformungen & Schwierigkeiten bei der Signalerkennung und Taktgewinnung im Empfänger. 46 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

48 16.6. Fourierzerlegung eines Signals Joseph Fourier, 1822: Jedes periodische Signal kann als Summe von Sinus und Cosinusdargestellt werden: v(t) = a 0 D n sin nωw E n cos nωt n=1 n=1 a 0, a n, b n sind die Fourierkoeffizienten a 0 ist der Gleichstromanteil. Berechnung mittels Fourieranalyse. 47 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

49 Signal & Frequenzspektren: periodische Sinusschwingung: - diskretes Spektrum, - eine Frequenzkomponente: a t A f 0 f periodisches Rechtecksignal: - diskretes Spektrum, - mehrere Frequenzkomponenten: a aperiodisches Signal: - kontinuierliches Spektrum, t A - unendlich viele Frequenzkomponenten: a t A f 0 3f 0 5f 0 7f 0 f f 48 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

50 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 π/4: sin(x) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x) => sin(x+p/4) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x) t -2 Unterschiedliche Laufzeit verschiedener Frequenzanteile wird als Dispersion bezeichnet. 49 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

51 Effekte bei der Übertragung: Originalsignal Dämpfung Bandbreitenbeschränkung Verzögerung Rauschen Übertragungs - fehler! Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

52 Dämpfung Abschwächung des Signals. Abstrahlungsverluste. Ohmscher Verluste. Reflexionen. Skin Effekt: - höhere Frequenz => Selbstinduktion, - höhere Impedanz im Drahtzentrum, - Strom fließt auf der Oberfläche, - erhöhte Abstrahlung. Dielektrische Verluste: - isolierte Drähte bilden 'Kondensator' - Energieverlust durch den Isolator, - Umpolarisation. 51 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

53 Masseinheit für Dämpfung Dämpfung U in,p in U, out P out Abschwächung des Signals wegen: - Ohmscher Verluste, Skin Effekt, - Dielektrischer Verluste, - Abstrahlungsverlusten, - Reflexionen. Dezibel als Maßeinheit der Dämpfung G: G = 10 log( P in / P out ) = 20 log( U in / U out ) [db] Die Dämpfung (in db) ist eine additive Eigenschaft einzelner Leitungsabschnitte. Dezibel-Millivolt (dbmv) ist eine Pegelangabe, bezogen auf den Referenzpegel von 1mV. 52 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

54 Bandbreite Intervall zwischen unterer und oberer Grenzfrequenz. Dazwischen einigermaßen gleichmäßige Dämpfung und linearer Phasengang gewünscht. Zum Beispiel Telephonfernleitung: 20 Dämpfung [db] Bandbreite eines Signals. Übertragungsfunktion eines Kanals: Frequenz [Hz] A(ω) = A(ω) e jϕ(ω) 53 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

55 Einschränkung der Bandbreite 54 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

56 Signal mit 2000 bit/s: Bandbreite 500 Hz Bandbreite 900 Hz Bandbreite 1300 Hz Bandbreite 1700 Hz Bandbreite 2500 Hz Bandbreite 4000 Hz 55 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

57 Verzerrungen Lineare Verzerrungen: - Frequenzabhängige Dämpfung. - Frequenzabhängige Laufzeiten. - Nichtlinearer Phasengang. Nichtlineare Verzerrungen: - Leitungsverstärker übersteuert. - Mischprodukte Störspannungen "Elektrische Umweltverschmutzung". Einschaltspitzen. Übersprechen. Thermisches Rauschen (--> kühlen). Halbleiterrauschen. Reflexionen. Störpegel in dbmv. 56 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

58 16.7. Signaldimensionierung Problemstellung Auf einem vorgegebenen Kanal wollen wir möglichst viele Datenbits übertragen. Ein Übertragungskanal hat nur eine beschränkte Bandbreite: - Hi-Fi Stereo Anlage 2 * Hz. - Telefonleitung z.b Hz, - Fernsehkanal 7 MHz, 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. 57 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

59 Unmodulierte Sinusschwingung: Dauerton: - einfachster Fall, - eine diskrete Spektrallinie, - z.b. Navigation, Frequenznormal, - plazieren, wo minimale Dämpfung: Ρ(ω) Dauerton ω opt Übertragungsfunktion des Kanales Leider überträgt ein unmodulierter Dauerton aber keine Information ( 0 Bit/sec). Frequenzumtastung: - suboptimale Plazierung der F.-Anteile, - Verbreiterung der einzelnen Linien: Ρ(ω) ω1 ω Übertragungsfunktion des Kanales ω Das Leistungsspektrum Ρ(ω) ergibt sich aus der Fourierzerlegung des Signales. ω2 58 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

60 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 *f max Abtastwerte pro Sekunde (fmax ist die obere Frequenzgrenze) Plausible Begründung: - Betrachte Signal mit Periode 1 sec, - Spektrallinien im Abstand 1 Hz, - f max Sinus- und f max Cosinus-Koeffizienten genügen zur Rekonstruktion des Signales, - N-fache Periode verlangt N mal mehr Abtastwerte im N-fachen Zeitraum 59 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

61 16.7.3a Inverse Frage beim 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 f max 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*f max Symbole pro Sekunde übertragen (wenn sie auch in der Lage ist, alle Fourierspektren zu f max erzeugen). 60 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

62 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 * f max *log 2 ( 1 + S/R ) z.b. f max =1: - S/R = 0 : keine Information - S/R = 1 : ~1 Bit/sec - Faktor 2 ist unscharf. 61 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

63 Bandbegrenzte Pulsformen Für jedes Symbol einen Impuls schicken. Welche Impulsform füllt das Übertragungsband (ω max = ω o ) des Kanales gleichmässig? Spektrum des gesuchten Impulses: 1 ω o Amplitude(ω) F = 1 ω o Frequenz ω Integration über alle spektralen Anteile: s(t) = = 1 ω o ωo [ 0 ω o cos( ω t) d ω = 0 sin(ω t) ωo t ] = sin(ωο t) ωo t - 0 Kurvendiskussion: s(t)=1: sin(ε) / ε = 1 ( ε > 0 ) s(t)=0: für ωo t ={ π, 2π, 3π, 4π...} bzw. t = { π/ωo, 2π/ω o, 3π/ω o...} bzw. t = n T/2 = n / 2 fo bzw. t = Abtastzeitpunkte 62 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

64 Impulsform (sin x) / x : Viele Impulse bzw. Symbole überlagern. Keine Symbolinterferenz: - In einem bestimmten Abtastzeitpunkt liefert immer nur ein Impuls einen Beitrag. t=0 T/2 t 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. 63 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

65 Impulsform mit Cosinusspektrum: Konvergiert auch bei ungenauen Abtastzeiten. "Raised cosine spectrum": 1 ω o Amplitude(ω) F = 1 2ωo Frequenz ω Spektrale Verteilung A(ω): 1 A(ω) = ( cos(πω / 2ωο) + 1) 2ωo Impulsform (ähnlich oben): 1 2ω o 2ω o { cos( πω / 2ω ο ) + 1 } cos( ω t) d ω = 0 sin(2ω 0 t) 2ω t (1- t 2 0 / T 2 bzw. sin(2πτ) ) 2πτ (1- τ 2) T = 1/ 2f o ; τ = t/t (normiert) Doppelte Bandbreite für gleiche Symbolrate! 64 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

66 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): N E X T 65 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

67 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 50 Kbit pro Sekunde möglich: - Absenken der Datenrate bei schlechter Leitung, - Aufwendige Signalverarbeitung (DSPs), - Trelliscoding. Merke: 1 Bit/sec. 1 Hz Bandbreite 66 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

68 17.1. Modemstrecke: Modem moduliert 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. 67 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

69 17.2. Amplitude Shift Keying (ASK) Amplitudenmodulation. keying bedeutet: - Trägerschwingung ein/ausschalten, - Trägerschwingung umschalten, - umtasten, - tasten. Umschaltrate = Symbolrate t Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

70 17.3. Frequency Shift Keying (FSK) t V.21-Modem: Space (0) and Mark (1) / 1180 für Originate-Seite (Bell 103: 1070/1270), / 1850 für Answer-Seite (Bell 103: 2025/2225), - Echo-Unterdrückung abschalten, bps vollduplex. 69 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

71 17.4. Phase Shift Keying (PSK) Phasenmodulation: = Space (0), 0 = Mark (1), - erfordert Referenzsignal t Phasendiagramm (Länge = Amplitude) Q ( Quadratur) 0 = 180Þ 1 = 0Þ I (In phase) Differentielles PSK: - 'Taktgewinn'aus häufigem Phasenshift. 70 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

72 17.5. Telefon Modems V.21 / Bell 103 für 300 bps, siehe oben. DiBit PSK (DPSK, V.22, auch: QPSK) baud, 1200 bit/s - Bell 212A: 600 bit/s - Fallback nach FSK - V.22bis mit 2400 bit/s: DiBit Phasen-Shift = 90 Q 10 = = 0 I 11 = 270 Asynchroner Betrieb - Kennzeichnung der Bytes wie V.24 - Startbit + Stopbit(s) Mark Space 71 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

73 MNP: MicroCom Networking Protocol - Paketisierung: Fehlererkennung und Korrektur - Kompression mit LZ77 - V.42: CRC, LAP/B, LZW Synchrone Modems - Protokoll unterscheidet Idle & Nutzdaten - ohne Rahmung mit Start/Stop Bits - z.b. HDLC. Funktionen der Senderseite: - Takt erzeugen - Trägerschwingung modulieren, - 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. 72 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

74 17.6. Quadratur Amplituden Modulat. Phasen- & Amplitudenmodulation (QAM): Amplitude und Phase ergeben Code-Vektor - Anzahl der Konstellationen - Enscheidungsregionen - Fehlervektor minimieren Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

75 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 bit/s Baud, 4 bit pro Symbol Hz, 1800 Hz Trägerfrequenzen - Echounterdrückung für Vollduplexbetrieb - 16-Konstellation ohne Trellis-Codierung. => Hz Bandbreite V.32 mit Trellis-codierter Modulation (TCM) - arbeiten mit unsicheren Signalniveaus, - 32 Konstellationspunkte... V.34 (V.fast): bzw bit/s Baud, 9 bit, 2048 Konstellationspunkte - dreidimensionale Trellis-Codierung - Trägerfrequenz 1959 Hz. 74 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

76 56 kbit/s Modems nach V.90 Empfehlung - US Robotics: x2, - Rockwell: K56flex, SoftK56, - spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN), - 56 kbit/s downstream, max upstream. Leitung aus analoger Sicht des 56k Modems: DSP client-modem linear ADC Filter analoge Teilnehmeranschlußleitung Vermittlung Filter G.711 dec. ISDN server-modem DSP UART Puls-Amplituden-Modulation PAM - vorgegeben durch Mitnutzung des G.711-DAC, bit/s, 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 75 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

77 17.7. Trellis Coded Modulation Gottfried Ungerböck, IBM Rüschlikon: - 3 db Verlust durch 1 Bit mehr pro Symbol, - 6 db Gewinn durch Kodierung, - trellis = dt. Spalier: Der Empfänger sucht sich den Pfad in der Codierungsebene, der dem empfangenen Signal am nächsten kommt. Zustandsautomat: - mehr Konstellationspunkte als gültige Symbole, - Zustand -> Untermenge der Folgesymbole. Hinzufügen der nötigen Redundanz z.b. mit Faltungscodierer: - Codierer als endlicher Automat/Zustandsmaschine, 76 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

78 - x Redundanzbits hinzugefügt, - k Nutzbits am Eingang. N(LQJDEHELWV &RGLHUHU [N$XVJDEHELWV Umkehrung der Codierung im Empfänger: - entweder Fehlerkorrektur pro Symbol, - oder pro Symbolgruppe. 77 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

79 17.8. Faltungskodierer mit r= 0,5 Codierungs-Rate r: = uncodierte Bits / codierte Bits z.b mit 2 Bit Gedächtnis Codierungsrate 0,5: 0 0 S1 S2 S3 «Ablauf der Beispiel- Codierung: 001 -> > > > > > 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 = Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

80 17.9. Trellis-Diagramm: A B C D Codierte Nachricht: Störung: Empfänger entscheidet rückwärts: - Viterbi: suche Pfad mit minimalem Gewicht, - d.h. mit minimaler Anzahl Bitfehler, - verzögerte Entscheidung A B C D Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

81 18. Teilnehmeranschlusstechniken Digitalisierung des Fernmeldenetzes: Telefonleitungen werden besser - noch viele analoge Teilnehmeranschlussleitungen, - digitale Vermittlungen, - digitale Fernleitungen. Telefonnetz klassisch: - analoge und digitale Fernleitungen, - analoge und digitale Vermittlungen, - G.711 Quantisierungsrauschen, - Rauschen im analogen Netz: analog analog G.711 digital G.711 analog 80 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

82 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 digital digital 81 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

83 "Halbdigitale Anschlusstechnik": Übertragungsweg fast vollständig digital: - einer der zwei G.711-Quantisierer entfällt, - PCM von der 1. Vermittlung bis zum ISP, - nur Teilnehmeranschlußleitung analog. Telefonnetzwerk für Internet Service Prov.: - G.711 D/A ohne Quantisierungsrauschen möglich, - G.711 A/D zum Teilnehmer entfällt. V.90 Modem ISP G.711 analog digital digital digital G.711 D/A an der Teilnehmerleitung: - Codec-Eigenheiten, Filter vor der Leitung, - analoge Pulsform im ISP vorhersagbar, - Vorschriften (BAPT, FCC, ), - 'Teil'des 56k-Modems. 82 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

84 56 kbit/s Modems nach V.90 Empfehlung: - US Robotics: x2, - Rockwell: K56flex, SoftK56, - spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN), - 56 kbit/s downstream, max upstream. Leitung aus 'analoger'sicht des 56k Modems: DSP client-modem linear ADC Filter analoge Teilnehmeranschlußleitung Vermittlung Filter G.711 dec. ISDN server-modem DSP UART Puls-Amplituden-Modulation PAM - vorgegeben durch Mitnutzung des G.711-DAC, kbit/s, 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 83 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

85 Einfluß des Filters in der Vermittlungsstelle: -t 0 t Zeit -2t -t 0 t 2t SNR auf Teilnehmerleitung und -modem - 14 bit ADC: 86 db - Shannon(56 kbit/s, 3800 Hz) = 45 db Zeit 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 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 84 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

86 18.2. Schmalband-ISDN = Integrated Services Digital Network. Separater Steuerkanal. "Alle Dienste" über ein Netz - Komforttelephon, - Internet, - PC-Dateisystem, - Telefax (?), - Bildschirmtext, - Datex-P, - Terminalbetrieb, - Dateiübertragung, - LAN Zugang, - Bildtelephon... Telephongespräche werden digitalisiert: - 8-Bit PCM Codierung, 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. 85 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

87 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 kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s 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 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. 86 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

88 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, Kbps unrestricted - 8-kHz structured - Simultanverbindung - phasengleiche Schaltung von 2, 6, 24 bzw. 30 B-Kanälen, - H-Kanäle. 87 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

89 ISDN Schnittstellen/ Referenzmodell TE1 NT2 NT1 LT ET S T U V TE2 TA R Vermittlung Benutzerbereich Netz TE1: Terminal Equipment 1, (ISDNterminal) TE2: Term. Eq.Type 2 (non-isdnterminal) TA: Terminal Adapter NT1: Network Termination 1 NT2: Network Termination 2 LT: Line Termination ET: Exchange Termination 88 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

90 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. 89 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

91 Separater NT: mit zugänglicher T-Schnittstelle: S-Schnittstellen Lokale Teilnehmer Nebenstellenanlage NT2 NT1 Fernmeldenetz U-Schnittstellen T-Schnittstelle Western Stecker RJ-45: polig (mindestens belegt): - Stift 1,2 - Speisung von Endgerät, - Stift 3,6 - Senden zum Netzabschluss, - Stift 4,5 - Empfang von Netzabschluss, - Stift 7,8 - Speisung vom Netzabschluss. Kompatibel mit 4- und 6 poligen Steckern. 1,2 & 7,8 sind fakultativ. 90 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

92 Teilnehmerschnittstelle: S 0 -Bus 4-adriger hausinterner Bus. für kurze Anschlussdistanzen. bis zu 8 Endgeräte am So-Bus. eingeschränkte Stromversorgung. 6%XV R NT U K0 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. 91 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

93 So Bus-Reichweite: Mit beliebiger Geräteverteilung bis 200 m: Š 200 m TE TE TE NT 500 Meter, wenn Geräte am Ende gruppiert: Š 50 m Š 500 m TE TE 1000 Meter für Einzelanschluss: Š 1000 m NT TE NT 92 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

94 Bitfolge im So-Rahmen: 48 bits in 250 µs zu den TE's??? 2 bits offset B1-Kanal D-Kanal DC-Ausgleich Aktivierungsbit? zur NT B2-Kanal D-Kanal-Echo Rahmenkennung Reserviert für zukünfigen Gebrauch 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 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

95 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: TEI 82: D-Kanal: TEI 82 macht Backoff ' 94 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

96 U ko Teilnehmeranschlußleitung: Standard Anschlußverfahren in Europa Überbrückung der Distanz zum Ortsamt: - maximal 8 km Leitungslänge, - 98% aller Teilnehmeranschlussleitungen, - 2 Drähte mit Echokompensation: Ausgangssignal Empfangsnachricht Reflektion erwartetes Echo Empfangssignal - + Empfangsnachricht 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). 95 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

97 Bitratenadaptierung Synchrone und asynchrone Datenströme mit einer Bitrate von < 64 kbps an das ISDN-Netz anpassen. Asynchrones Oversampling: asynchrone Raten: , 9600, bps. z.b bps Strom mit 64 khz abtasten: Original 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 bps mit 48 kbps. Evtl. Steuersignale im Strom mitführen. 96 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

98 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. TE2 n 5$ 2 * 600 bps, synchron 5$ 5$ 80 Bit Rahmen, 8,16,32... kbps ISDN Adaptierungsstufe RA0: - Nur für asynchrone Adaptierungen nötig, - Start- und Stopbits entfernen, - 8 Bit Zeichen herstellen, - mit Synchrontakt alignieren, - Bitrate auf 2 n * 600 bps erhöhen, - zusätzliche Stopbits einfügen. 97 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

99 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# Bit# D1 D2 D3 D4 D5 D6 S1 1 D7 D8 D9 D10 D11 D12 X D13 D14 D15 D16 D17 D18 S3-3 1 D19 D20 D21 D22 D23 D24 S4-4 1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7-5 1 D25 D26 D27 D28 D29 D30 S6-6 1 D31 D32 D33 D34 D35 D36 X D37 D38 D39 D40 D41 D42 S8-8 1 D43 D44 D45 D46 D47 D48 S Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

100 Beispiel für 600 bps: - Bitwiederholung falls <4800 bps, - Bruttodatenrate von 8 kbit/sec: Oktett# Bit# D1 D1 D1 D1 D1 D1 S1 1 D1 D1 D2 D2 D2 D2 X D2 D2 D2 D2 D3 D3 S3-3 1 D3 D3 D3 D3 D3 D3 S4-4 1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7-5 1 D4 D4 D4 D4 D4 D4 S6-6 1 D4 D4 D5 D5 D5 D5 X D5 D5 D5 D5 D6 D6 S8-8 1 D6 D6 D6 D6 D6 D6 S9-9 Rahmenerkennung: xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx Status- & Flusskontrolle: - Ein- und Ausstieg der Übertragungsphase, - Sychronisationsverlust, - Geschwindigkeitsanpassung. 99 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

101 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 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

102 Rahmenformat: V.120: Verpacken in HDLC-artiges Protokoll Flag A C Info FCS Flag Hdr Cntl TE2-Info Data Ready (Betriebsbereit) Send Ready (Daten bereit) Receive Ready (Puffer bereit) Break/HDLC idle Error Bits Segment Start/End 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. 101 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

103 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 HDLC- Protokoll im B-Kanal: TE2 async. ISDN HDLC sync. transparent TA V.120 HDLC TE1, TA-TE2 echtes HDLC TE2 adaptieren: weiterer HDLC-Umschlag. Interface-Status in H&C sammeln. Lange Meldungen segmentieren. Nur mit äusserer Prüfsumme senden. 102 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

104 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! 103 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

105 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. 104 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

106 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, * 4 khz Sub-Kanäle, - in jedem Kanal QAM, - FEC Fehlerkorrektur. Frequenz- Getrenntlage: oder Echo- Unterdrückung: P O T S P O T S upstream downstream upstream downstream khz khz T-DSL in Deutschland: kbps downstream, kbps upstream. 105 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

107 19.2. VDSL - Very high data rate DSL Zielsetzung: HDTV & Videokonferenz auf vorhandenen Kupferleitungen. Leistungsmerkmale: - downstr.: Bruchteil von MBit/s (ATM), - upstream: 1.6, 2.3, 19.2 MBit/s - symmetrische Variante mit echo-cancellation, - Platz für Telefon und ISDN, m: MBit/s, m: MBit/s, m: MBit/s P O T S I S D N upstream downstream 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 106 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

108 19.3. Kabelverteilnetze (CATV) Umbau zum bidirektionalen Netz: Durch Einbau von Verstärkern und Frequenzweichen: Kabel-Modems Downstream in einem TV-Kanal: 6 MHz Upstream 2 MHz Band im zw MHz Alternativ Daten-Kanäle außerhalb des TV- Spektrums: MHz 107 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

109 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, 79.$%(/ 2V]LOODWRU 0RGXODWRU '$&QY 7XQHU 'HPRGX ODWRU $'&QY 5$0 6LJQDOSUR]HVVRU (WKHUQHW 3&%XV Gemeinsames Medium - mit anderen Teilnehmern geteilt - downstream durch Router verteilt - mehrere TV-Kanäle verwendbar - Sequentialisierung im upstream-kanal: S-CDMA - 10% Protokolloverhead - Verschlüsselung. 108 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

110 Optische Verteilstrukturen FTT{ C, B, N, H } = Fiber to the {Curb, Building, Neighborhood, Home} Teiln. an einer Trunk-Glasfaser. ATM-Pakete mit z.b. 155 Mbit/s. TV, telephone, Internet ONT ONT = Optical Network termination: - letztes Teilstück evtl. ADSL oder HDSL 109 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

111 20. Drahtlose Kommunikation Überblick Historisch: - Betriebsfunk, - Dezentrale Paketfunknetze, - Modacom Dienst bei 433 MHz. Satelliten: - Rundfunk, Navigation, Telephon, Daten. Mobile Telefonnetze: - feste Basisstationen, - C-Netz für analoge Telefongespräche, - D1/D2/E+ Netze digital & zellulär (GSM), - DECT für Schnurlostelephone & -daten, - verschiedene Systeme in USA. Lokale Funknetze / WLANs: - Dezentrale oder zentrale Zugangssteuerung, - IEEE x als amerikanische Initiative, - HiperLAN2 als ETSI Standardisierung, - 1,2-32 Mbit/sec (Nettodatenrate), - Zugangspunkte zum Festnetz, - Zellengrösse m, - 2,4 GHz bzw. 5 GHz. Infrarotübertragung als Alternative. 110 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

112 20.2 Vergleich IEEE versus Hiperlan2 Standard Recommend b a HiperLAN2 Radio Spectrum 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz 5 GHz ~Max physical rate 2 Mb/s 11 Mbit/s 54 Mb/s 54 Mb/s ~Max data rate, layer Mb/s 5 Mb/s 32 Mb/s 32 Mb/s Medium access Carrier sense CSMA/CA CSMA/CA TDMA/TDD Connectivity Conn.-less Conn.-less Conn.-less Connection-oriented Multicast Ja Ja Ja Yes QoS support (PCF) *2 (PCF) *2 (PCF) *2 RSVP/DiffServ Authentication Keine Keine Keine NAI/IEEE address/x.509 Encryption 40-bit RC4 40-bit RC4 40-bit RC4 DES, 3DES (56/112) Handover support spezial spezial spezial Standard for Ethernet Fixed network support Ethernet Ethernet Ethernet Ethernet, IP, ATM, UMTS Frequency selection DSSS or Frequenz-H. DSSS Single Carrier Single Carrier, dynamic sel. ( 1 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

113 20.2. Mobilfunk nach GSM-Empfehlung = Global System for Mobile Communication Zelluläre Organisation Wieso zellulär? - Asymmetrische Leistung von Basisstation & Mobile, - Gerätedichte bestimmt Zellgröße (0,5..35 km), - Frequency reuse in übernächster Zelle, - Adaptive Steuerung der Sendeleistung. Zelltopologie, - Simulation & Messungen in gegebener Landschaft, - Evtl. Antennen mit Richtcharakteristik, - hexagonale Struktur nur theoretisch. Handover zur nächsten Zelle: - mobile Einheit wählt welche Zelle, - auch während eines Gesprächs, - pro Zelle eine Basisstation. 1 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

114 GSM-Organisation PSTN /ISDN BTS BSC MSC BTS BTS BSC MSC BTS BTS BSC MSC BSC BTS BTS Kürzelinflation - MS - Mobile Station - BSS - Base Station Subsystem - BTS - Base Transceiver Station, - BSC - Base Station Controller - MSC - Mobile Switching Center - IWF - InterWorking Function 2 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

115 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 Teledienste (Teleservices): - Sprache inkl. Notrufe, - Datenruf mit 9600 bit/sec, - Short Message Services / SMS, - Multimedia Messages / MMS, - Wireless Web Access Protocol / WAP Übertragungsdienste (Bearer service): 13 KBit/sec Sprache Bps Daten: - synchron IWF mit ISDN & CSPDN, - asynchron IWF mit ISDN & CSPDN, - PAD Zugang zu X.25 (PSPDN), - Paketzugang zu X.25 (PSPDN), 3 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

116 Funkkanalorganisation Frequenzbereich: - MS-BS: MHz - BS-MS: MHz In jede Richtung 124 Trägerfrequenzen: - jeweils pro Basisstation (-Überlappung), - Frequenzabstand 200 KHz, - um die Mehrwegeausbreitung zu kompensieren 217 Frequenzwechsel pro Sec. TDMA-Rahmen: 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 Komplikation. 4 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

117 GSM Frequenzaufteilung: Hierarchie von FDMA, TDMA, Interleaving. Überrahmen. downstream MHz upstream MHz 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 5 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

118 20.3. Qualitätsverbessernde Techniken Funkkanäle sind besonders unzuverlässig: - Gleichkanalstörungen aus Nachbarzellen, - Mehrwegausbreitung, - Dopplereffekte, - Abschattung, - Dispersion. Frequenzhüpfen als Abhilfe: 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. 6 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

119 Redundante Sprachcodierung PCM Abtastung 8 Bit mit 8000 mal pro Sekunde Sprachcodec (LPC) 13 KBit /s 50 Bits (1a) 132 Bits (1b) 78 Bit (2) Blocksicherung Faltungscode (r=0,5 ; K=5 ) Interleaving (z.b. 8 fach: 5,13,21,29 453) 57 Training 57 nachfolgender Block 7 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

120 20.4. GSM-Netzorganisation TE MT Mensch-Maschine Schnittstelle Mobilstation Telematikdienst Übertragungsdienst (bearer ) Basisstation Mobilfunk- Verm. IWF Festes Netz, z.b.isdn Basisstation Mobilfunk- Verm. "GSM"-"PLMN" NT TE Mensch-Maschine Schnittstelle Interworking Funktion zum festen Netz: - Anpassung der Sprachcodierung, - Bitratenadaptierung 8 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

121 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 9 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

122 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. 10 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

123 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. externe Weitergabe BSS Verm. Vertraulichkeit: - für Gesprächsinhalt, - für den Aufenthaltsort der Teilnehmer 11 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

124 20.6. DECT DECT= Digital Enhanced Cordless Telephone. url: Drahtlose Kommunikation in lokalem Bereich: - maximal 120 Kanäle, m innerhalb von Gebäuden, 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 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. 12 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

125 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. 13 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

126 FDMA/TDMA-Konzept: 10 Trägerfrequenzen. 100 Rahmen pro Sekunde & Frequenz. 2 * 12 Zeitschlitze pro Rahmen. 320 Nutzbits pro Zeitschlitz. 14 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

127 Technische Kenngrössen: Charakteristiken: - Datenrate: 32 KBit/sec - Kanäle: 120 Duplexkanäle - Frequenz: MHz (Europa) - Träger: maximal 10 Frequenzen - Rahmen: 100 / sec je Trägerfrequenz - Zeitschlitze: 24 pro Rahmen - Leistung: 10 mw (max. 250 mw) - Reichweite: m "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. Einfache Basisstationen unterstützen jeweils nur eine Trägerfrequenz gleichzeitig. 15 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

128 Architekturmodell: Vergleichbar und angelehnt an ISDN Protokollstack. Netzwerkebene für Signalisierung, Autorisierung und Handover zwischen Zellen. Dezentrale Mediumszugangssteuerung: - Beacon Funktion der Basisstation Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

129 20.7. CDMA 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 SDMA FDMA TDMA Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

130 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). 18 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

131 Allgemeines Prinzip der Spektrumsspreizung: Nutzsignal f Gespreiztes Signal Störung f f Empfangenes Sig. f Decodiertes Signal f 19 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

132 Direct Seq. Spread Spectrum Jeder Teilnehmer erhält eine separate Zufallszahl als Code (z.b. 64 Bit). Nutzsignal wird mit dem Code "zerhackt": 64 Bit Code 19,2 kbps Nutzsignal [RU 1,2288 Mbps Spreizsignal 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). 20 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

133 Übertragung des gespreizten Signales: - nach entsprechender Filterung, - Bandbreite ca. 1.3 MHz: XSVWUHDP GRZQVWUHDP 1,3 MHz MHz 45 Mhz 10 khz f USA Frequenzbereiche: Für öffentlichen Telephondienst: MHz, - 45 MHz Trägerseparation, - 1,3 MHz Bandbreite. Für schnurlose Telephone: - Personal Communication Systems (PCS), MHz, - 80 MHz Trägerseparation, - 1,3 MHz Bandbreite. Keine Frequenzen in Europa. 21 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

134 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. 22 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

135 Vorteile von CDMA Systemen Quelle: 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. 23 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

136 Schlussbild CDMA Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor GIF benötigt. 24 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

137 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: Intersatelliten- Link Downlink Uplink terrestrisch Inklination: Winkel(Bahnebene & Äquator). Elevation: Winkelhöhe über dem Horizont. 25 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

138 21.1. Umlaufbahnen Kreisförmig für Kommunikationssatelliten. Umlaufszeit: t 2 =konst * r 3 = ~12*10-12 * r 3 Van Allen Gürtel LEO MEO GEO Van Allen Gürtel Vom Erdmagnetfeld eingefangene ionisierte Teilchen: - bilden zwei Gürtel um die Erde, - Höhe zwischen 2000 km und 6000 km, - kein Satellitenbetrieb möglich. 26 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

139 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 Mittlere Umlaufbahnen MEO = Medium Earth Orbit. Höhe km. Telekommunikation, aber nicht zellulär. Gute Lebensdauer, keine Luftreibung. Flächendeckende Ausleuchtung. Navigation. 27 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

140 Erdnahe Satelliten Höhe km (Störende Luftreibung). Telekommunikation mit kleiner Leistung. Zellenbildung (evtl. "Spotbeams"). Ein Satellit bleibt etwa 10 Minuten sichtbar: - > Handover erforderlich, - wenn möglich über Intersatellite-Links Elliptische Umlaufbahnen HEO = Highly Elliptic Orbits. Zum Erreichen großerer Erdabstände. Hubble Teleskop? 28 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

141 21.2. Technik 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. 29 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

142 Geschichtliches Beispielsysteme 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. 30 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

143 Geplante Fernmeldesatelliten Iridium und Teledesic mit GSM-ähnlicher Technik. Dies erleichtert die Konstruktion von Dual-Mode Handgeräten. Iridium Globalstar ICO Odyssey Teledesi c Höhe (km) Anzahl S min. Elev Zugriffs- FDMA/ CDMA FDMA/ CDMA FDMA/ Technik TDMA TDMA TDMA i.sat.-lnk F (GHz) 1, ,6..6, ,6..2, Kan./Sat max. Bps 4,8k 9,6k 4,8k 4,8k 2M Beginn? Kosten 4,4 G$ 2,6 G$ 4,5 G$ 1,8G$ 9,0 G$ Finanzlage pleite? pleite?? 31 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

144 21.4. Global Positioning System abgekürzt GPS. Amerikanisches Satellitennavigationssystem GPS Konstellation 32 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

145 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. 33 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

146 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 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. 34 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

147 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. 35 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

148 Reserve-Satelliten 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. 36 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

149 22.1 GPS Navigation Message Fehler! Textmarke nicht definiert. 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. 37 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

150 22.2 Modulation: L1 Träger C/A-PRN ~1 MHz 1.57 GHz C/A Data P-Data P-PRN L2 Träger ~10 MHz 1.22 GHz C/A Datenrate ist 50 Bit/sec. C/A-PRN (Coarse Acquisition): Bit Pseudorandom-Code: - Wiederholung 1000 mal / sec, - Ergibt 1023 KHz Bandbreite, - Spreizfaktor P-PRN (Precision Code): MHz Chiprate, - Periode 267 Tage. Erzeugung: - Unterschiedlicher Code für jeden Satelliten, - Z.B. mit rekursivem 10 Bit Schieberegister, - 32 Satelliten & 51 Pseudoliten. 38 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

151 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/A-Message, - Verschlüsselung der Korrektur im P-Code, - überlisten durch Chip-Synchronisierung. Ergänzung durch Differentielles GPS. 39 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

152 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 40 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

153 23. Migration zu UMTS 23.1 UMTS Zielsetzung Universal Mobile Telecomm. System: - Infrastruktur 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 Wireless LANs? Solution in search of a problem? 41 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

154 23.2 Datenübertragung in GSM Netzen GSM Phase 1: Fehler! Textmarke nicht definiert. 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) Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

155 Höhere Datenraten via GSM Bündelung mehrerer Zeitschlitze: - f t 4,6 ms 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. 43 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

156 23.3 General Packet Radio Service GSM Phase 2+: Erweiterung des Core-Netzes durch Paketvermittlungskomponenten:Fehler! Textmarke nicht definiert. 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. 44 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

157 GPRS Protokollarchitektur Mobility Management Radio Resource Management GSM-Ctnrl Mgmt //& RLC/MAC PDCH General Packet Radio Service 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). 45 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

158 PDCH Packet Data Channel: Kapselt mehrere logische Subkanäle. Pakete in Temporary Block Flows (TBF). PDCH Subkanäle: - PBCCH: Packet Broadcast Control Channel - Zelleninfo - PPCH: 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 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 version Release 1999). 46 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

159 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, - inrichtungsverzögerung 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 47 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

160 Nachrichten im RLC Protokoll: Packet System Information Type 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 48 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

161 23.4 UTRAN = UMTS Terrestrial Radio Access Network. Funkkomponente für neue Link-Technik: - TD-CDMA, - WCDMA, Wide-Band CDMA, - MC-CDMA, Multi-Carrier CDMA... Fehler! Textmarke nicht definiert. RAN = Radio Access Network. Node B ersetzt BSS (Base Station Subsyst.). RNC (Radio Netw. Controller) ersetzt BSC. Leider keine Einigung auf eine Link-Technik. 49 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

162 23.5 TD-CDMA Rahmenstruktur: Fehler! Textmarke nicht definiert. 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 Midamble: - Orthogonaler Spreizcode pro Station, - Identifizierung von Mehrwegsignalen, - Unterscheidung überlagerter Stationen. 50 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

163 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). Fehler! Textmarke nicht definiert. Separater Code für den Pilotkanal. Datenkanal: - Multiplexen verschiedener Ströme über Code, - Multiplexen von Ströme durch Paketisierung, - Variable Datenrate über Spreizfaktor. Sendeleistung auf Zeitschlitzbasis steuern. 51 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

164 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, Bursts pro Sekunde., - Reichweite ~10 Meter, - Stromsparmodi. Verschiedene Topologien: - Punkt zu Punkt, - Piconetze, - Scatternet, - Basisstationen, - Mobile Stationen Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

165 24.2 Anwendungsbeispiele Bluetoth Modul Luftdruckwarner im Reifen Kopfhörer zum Mobiltelefon Festplatte, Kamera 53 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess