Erste Schritte hin zu digitalen Netzen

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1 Erste Schritte hin zu digitalen Netzen 1) Digitalisierte Kommunikation zwischen zentralen Vermittlungseinheiten mittels digitaler Mikrowellenlinks und Glasfaser 2) Digitale Vermittlungszentren ersetzen zentrale Vermittlungseinheiten 3) Digitalisierte Kommunikation zwischen Hauptaustauschpunkten und digitalen Vermittlungseinheiten mittels digitaler Mikrowellenlinks und Glasfaser 4) Mehr und mehr digitale Vermittlungszentren ersetzen Hauptaustauschpunkte 5) Reduzierte Hierarchie durch Kombination von Hauptaustauschpunkten und regionalen Vermittlungsknoten 6) Ersatz von lokalen Austauschpunkten durch digitale Vermittlungseinheiten X(t) 1 Analoge Sprache t 0 Digitale Signale t Integrated Services Digital Network (ISDN) 1

2 Pulse Code Modulation X(t) t LP Vorfiltern Abtasten (Low Pass Filter) Quantisieren Kodieren 1 0 Serielle Bit-Übertragung t X(t) LP t Abtasten Entscheiden Dekodieren Shaping 2

3 Quellenkodierung Zweck exakte Beschreibung des Signals Transport des Signals durch Übertragungskanal ohne Änderungen Reproduktion durch Empfänger möglichst ohne Verluste Arbeitsmethode Zuordnen von Zeichen eines limitierten Alphabets Signal ist unvollständig Diese Zeichen werden durch band-limitierten Kanal übertragen Empfänger rekonstruiert Signal mittels limitiertem Alphabet auftretende Fehler durch unvollständiges Signal sollten klein sein Redundanzen im Signal werden entfernt X(t) 1 t LP t Vorfiltern (low pass) Abtasten Quantisieren Kodieren 3

4 Abtasttheorem von Nyquist Wenn ein band-limitiertes Signal in regelmäßigen Zeitabständen mit einer Rate gleich oder zweimal größer als die höchste auftretende Frequenz abgetastet wird, dann enthält die Abtastung die Information des Originalsignals. (Shannon et al., 1948) X(t) t nt t Frequenz f g Abtasten mit 2T 1/f g Beispiele TV Kanal (~15kHz Bandbreite) analoger Radarkanal (~56kHz) Sprachkanal (~4kHz Bandbreite) Abtastrate 30,000 pro Sekunde (30kHz) Abtastrate 112,000 pro Sekunde (112kHz) Abtastrate 8,000 pro Sekunde (8kHz) 4

5 Pulse Amplituden Modulation f(t) t nt nt f s 2 fg 1 0 t fs = 1 = 8 T khz T=125 µs in TK-Systemen werden die nominalen 4kHz Kanäle 8000-mal pro Sekunde abgetastet durch einfache Division ergibt sich, daß eine Abtastung alle 125 µs stattfindet 5

6 Quantisierung transformiert analoges Signal in diskrete Werte dividiert Signal in diskrete Schritte mit unterer und oberer Grenze fq(nt) U Abtasten Quantisierung +1V f(nt) nt -1V Quantisierungslinie Abgetastetes Signal 6

7 fq(nt) Quantisierung in n nicht-lineare Quantisierungslinie (komprimiert für niedrige, erweitert für höhere Stufen) feinere/geringere Granularität für Signale niedriger/höherer Stufe reduzierter Quantisierungsfehler aufgrund niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnisses von Signalen niedriger Stufe im Vergleich zu Signalen höherer Stufe Quantisierungslinie hat pseudo-logarithmischen Charakter, resultiert in A-Kurve +1V U f(nt) nt -1V 7

8 Kodierung in n FA(x) FA(x) Quantisierung 1+ ln(a x ) = sgn(x) 1 ln(a) + A x = sgn(x) 1 ln(a) + Kodierung A-Law-Kurve (Europäisches E1-System): for for 1 A x 1 0 x 1 A Segment Code XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX 1000XXXX Kurve mit 13 linearen stückweisen Segmenten mit sieben Gradienten über und sieben unter dem Ursprung (ersten beiden Gradienten in Segment 0 sind gleich) Segmente werden mittels 8-bit PCM kodiert, bestehend aus 16 äquidistanten Spannungsschritten 112 positive und 112 negative Schritte kodieren das quantisierte, diskrete Signal A in Formel gleich 87,6 (Bereich, wo Signal-Störabstand vergleichsweise konstant) 1 3 (V) 4 2 (V) 4 1 (V) 4 1 (V) 4 2 (V) 4 3 (V) 4 1 (V) 8

9 Kodierung von Spannungspegeln Quantisierung Kodierung Segment 4 (positiv) Polarität 1 = +, 0 = - Segment Spannung in Segment (linear) das erste signifikante Bit kodiert die Polarität der Spannung (1=positiv 0=negativ) Bits 2-4 identifizieren Segment, z.b für fünftes Segment Bits 5-8 zeigen exakte Spannung im linearen Segment (13 Schritte), z.b für viertes Segment 9

10 A-Law vs. µ-law µ-law Kurve (Nordamerikanisches DS1 (T1) System): ln(1+ µ x ) Fµ (x) = ln(1 µ) Quantisierung Kodierung Nordamerikanischer Standard, annähernd gleich zum Europäischen bis auf: Approximation durch 15-Segment Kurve (Europäisches System: 13 Segmente) Signal-Rausch-Verhältnis 37,5 db (Europäisches System: 37 db) µ = 100 für ältere Nordamerikanische T1 Systeme µ = 255 für aktuelle Nordamerikanische DS1 Systeme 10

11 Kanalkodierung Zweck Signalbreitenbegrenzte Übertragung über große Distanz durch band-limitierten Kanal kleine Fehlerrate Methodik z.b. Hinzufügen von Redundanz zur Reduktion der Fehlerrate Redundanzen am Empfänger zur Korrektheitsprüfung nutzen im Fehlerfall fordert Empfänger Signal neu an Mehr Aufwand und Kosten p b : Bitfehlerrate E b : Energie pro Informationsbit N 0 : Weisses Gauss-Rauschen p b Kodierungsgewinn Bitfehlerwahrscheinlichkeit mit Kodierung Bitfehlerwahrscheinlichkeit ohne Kodierung (E b /N 0 ) / db 11

12 Gesetz von Shannon Bandbreite analoger (Sprach-)Kanäle : B = 3,4kHz reale Übertragungskanäle haben zusätzlich ein Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) aufgrund von Verlusten und Übersprechen Kanalkapazität nach Shannon (1948) C bit/s 1 3 B Hz 10 log db S N Durchschnittliches Signal-Rausch-Verhältnis von verdrillten Kupferadern (0,4-0,6mm², unshielded): 10 log (S/N) = 40 db Kapazität eines analogen Kanals C = 45,3 kbit/s (Beweis durch Shannon mittels Fourier-Transformation) Feldtests mit analogen Modems (V:34+) erreichen Maximalrate von 33,6 kbit/s 12

13 Empfänger LP Abtasten Entscheiden Dekodieren Shaping Empfänger Beim Empfang des digitalen Signals muss der Empfänger entscheiden, ob das empfangene Signal 0 oder 1 ist dekodieren und umwandeln des Signals in diskrete Werte 1 1 X(t) t 0 t 0 t 13

14 PCM-30 Übertragungssystemen ITU-T Standardisierung für 30 Sprachkanäle Mehrfachnutzung des Übertragungsmediums (z.b. Kupfer Twisted Pair, Koaxialkabel) zwei zusätzliche 64Kbit/s digitale Kanäle: - Synchronisation (Kanal 0) - Signalisierung (Kanal 16) Sprachkanäle mit Inband-Signalisierung (analog) Kanal 1 Kanal 2 64KBit/s digitale Kanäle mit Outband- Signalisierung Kanal 0 Kanal 1 Separate Übertragung von Hin- und Rückkanal 2 Twisted Pair Kabel 2 Koaxialkabel 2 Mikrowellenstrecken Kanal 30 Kanal 30 Kanal 31 Analoge Terminals Digitalisierung und Signalisierung Multiplex Übertragungsmedium 14

15 PCM-30 Rahmen 125 µs / 256 Bit 3.9 µs 3.9 µs Kanal 0 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 16 Kanal 31 8 Bits 30 Sprachkanäle 8 Bit / 3.9 µs 488ns/Bit 2.048MBit/s Synchronisation (Kanal 0) Rahmenmarkierung in ungeraden Rahmen ( ) Fehleranzeige in geraden Rahmen Signalisierung (Kanal 16) z.b. Switchinginformation, Abrechnung Channel Associated Signaling (CAS) 4 Bit pro Sprachkanal Signalisierungsinformation von zwei Kanälen pro Rahmen 15

16 Platzsparend: Digitale Vermittlungsstellen Elektromechanische Vermittlungsstelle 18m 63m 27 Reihen mit jeweils 3300 Relais (Edelmetall Motor Drehwähler, EMD) Digitale Vermittlungsstelle 1 Reihe mit Tausenden von Transistoren Größe max. Verkehr Raumanforderung Einschubzeilen max. Gewicht Strombedarf in Spitzenzeiten Digitale Vermittlungsstelle Verbindungen 4400 Erlang 185m kg/m 2 670A Edelmetall-Motor-Drehwähler Vermittlungsstelle 3 Gruppen mit jew. 200ZIG+FEW 2700 Erlang 1130m kg/m A 16

17 Reduzierte Hierarchie: heutige Netzstruktur Weitverkehrs- Netze z.b. Düsseldorf, München Regionale Netze z.b. Aachen, Ulm Zugangsnetze z.b. Erkelenz, Rosenheim Weitverkehrsnetzwerk: 23 Zentren in Deutschland keine Nutzeranbindung vollständig vermascht Regionale Netzwerke: verbunden mit Zugangsnetz ca. 500 Vermittlungszentren Kundenanbindung möglich Zugangsnetze: Hohe Investitionen, geringe Einnahmen stärkster Verkehr auf dieser Ebene 17

18 Kernnetze (Backbone-Netze, Weitverkehrs- und Regionalnetze) 18

19 Verbindungen zwischen digitalen Vermittlungszentren Weitverkehrs- Netz Regionale Netze Zugangsnetze D A Glasfaser oder Richtfunkstrecken Mbit/s Kupferkabel 64 kbit/s - 2 Mbit/s D A Glasfaser oder Richtfunkstrecken 8-140Mbit/s D A Glasfaser 2-34 Mbit/s A D Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) Glasfaser 64kbit/s - 2Mbit/s 64 kbit/s - 2 Mbit/s Modem 19

20 Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) 2.048Mbit/s Twisted Pair, Koax 8.448Mbit/s Koax, Glasfaser Mbit/s Glasfaser, Richtfunk Mbit/s Glasfaser, Richtfunk Mbit/s Glasfaser, Richtfunk PCM-30 PCM-30 PCM-30 PCM KBit/s + zusätzliche Signalisierung 576KBit/s + zusätzliche Signalisierung 1.792MBit/s + zusätzliche Signalisierung 7.936MBit/s + zusätzliche Signalisierung Secondary Multiplex System 34Mbit/s System 140Mbit/s System 565Mbit/s System 20

21 Von PDH nach SDH Plesiochronous Digital Hierarchy PCM-30 PCM-30 PCM-30 PCM-30 Synchronisation mit Rahmenkennung kein gemeinsamer Trigger bitweises Multiplexing bitweises Stopfen Probleme unterschiedliche Multiplex-Schemata (US, Europa) Signale müssen schrittweise demultiplexed und identifiziert werden über alle Schichten Keine Reserve für z.b. Netzmanagement, Dienstkontrolle und zusätzliche Leitungen weltweit unterschiedliche und nicht-standardisierte Bitraten unflexibel durch gebündelte Kapazitäten (oft ungenutzt in Zeiten geringen Verkehrs) seit 1990 Europa: Synchronous Digital Hierarchy (SDH) USA: Synchronous Optical Network (SONET) 21

22 Synchronous Digital Hierarchy weltweit standardisierte Bitraten byteweises Multiplexen direkter Zugriff auf Signale ohne mehrfaches Demultiplexen zusätzliche Bytes für Netzmanagement, Dienst- und Qualitätskontrolle, zusätzliche Leitungen vereinfachtes Schema synchronisiertes, zentral getriggertes Netzwerk kurze Verzögerungen bei Launching und Decoupling (add/drop) Signalen Vermittlungsstelle 34Mbit/s 2Mbit/s 622Mbit/s 2Mbit/s Vermittlungsstelle 155Mbit/s 622Mbit/s SDH Cross Connect 22

23 Erste Schritte hin zu SDH SDH- Overlay Network 2.5Gbit/s SDH-Cross Connect add / drop Signale Hochgeschwindigkeits-SDH hohe Kapazität PDH 155Mbit/s 155Mbit/s 2Mbit/s FMUX 2Mbit/s SDH - Add/Drop-Multiplex add / drop Signale niedrigere Kapazität SDH - Flexible Multiplex verteilt Bandbreite direkt an Kunden oder Vermittlungsstellen Vermittlungsstellen für regionale und lokale Netze Kunden mit hohen Bandbreitenanforderungen 23

24 SDH vs. SONET SDH SONET Europäische/CCITT Entwicklung Nordamerikanische Entwicklung Grundrate: SDH Level Mbit/s Digitale Basisrate: 2.048, 34 or 139 Mbit/s Grundrate : STS-1/OC Mbit/s Digitale Basisrate : DS1 or DS3 Raten SDH Stufe SDH Bit Rate (kbit/s) SONET Äquivalente Rate , ,080 2,488,320 STS-3/OC-3 STS-12/OC-12 STS-48/OC-48 ( 3 x 51.84Mbit/s) (12 x 51.84Mbit/s) (48 x 51.84Mbit/s) 24

25 SDH Rahmenstruktur Synchronous Transport Modul (STM) Struktur: 9 Zeilen mit jeweils 270 Bytes. Rahmendauer 125 µs (8 khz) Spalten (Bytes) 261 Spalten (Bytes) Regenerator Section Overhead (RSOH) Administrative Unit Pointers Multiplex Section Overhead (MSOH) Payload 9 Zeilen Basisrate Mbit/s. 9 Administrative Unit Pointers erlauben den direkten Zugriff auf Bestandteile vom Payload Payload: Enthält Nutzdaten in Form von Containern (C-n), Tributary Units (TU-n) oder Gruppen von Tributary Units (TUG-n, Transportgruppen). Section Overhead: RSOH: Enthält Informationen bezüglich der Route zwischen zwei Repeatern oder einem Repeater und einem Multiplexer MSOH: Enthält Informationen bezüglich der Route zwischen zwei Multiplexern ohne Berücksichtigung der zwischenliegenden Repeater. 25

26 SDH Hierarchie 155 Mbit/s 622 Mbit/s 2,5 Gbit/s STM-1 STM-4 STM-16 Basistransportmodul für 155Mbit/s, enthält z.b.: einen kontinuierlichen ATM- Zellenstrom (C-4 Container), eine Transportgruppe (TUG-3) für drei 34Mbit/s PCM-Systeme oder eine Transportgruppe (TUG-3) für drei Container, die wiederum TUG enthält Höhere Hierarchiestufen werden durch Zusammenfassen von STM-1 Modulen erreicht. 4 x STM-1 4 x STM-4 4 x STM-1 26

27 SDH Containertypen C-n VC-n TU-n Container n Virtual Container n Tributary Unit n Payload Tributary Unit, TU-n (n=1 bis 3) Anpassung zwischen higher and lower path layern TUG-n Tributary Unit Group n enthält VC-n und Tributary Unit Pointer C-4 VC-4 TUG H4 oder VC-3 1 VC-4 Path Overhead (POH) Container, C-n (n=1 bis 4) definierte Einheit für Payload-Kapazität überträgt alle SDH-Bitraten kann Kapazität bereitstellen für Transport von noch nicht spezifizierten Breitbandsignalen Virtual Container, VC-n (n=1 bis 4) unterstützt Path Layer Connections in SDH besteht aus Payload und POH niedriger VC (n=1,2): einzelner C-n plus Basis Virtual Container Path Overhead (POH) höherer VC (n=3,4): einzelner C-n, Zusammenschluß von TUG-2s /TU-3s, plus Basis Virtual Container POH 27

28 SDH Containertypen VC-3 C-n VC-n Container-n Virtual Container-n TU-n Tributary Unit-n oder 1 TU-3 C-3 34 Mbit/s TUG-n AU-n AUG STM-N Tributary Unit Group-n Administrative Unit-n Administrative Unit Group Synchronous Transport Module-N TUG-2 VC-2 Administrative Unit-n (AU-n) TUG VC-12 C Mbit/s stellt Adaptierung zwischen Higher-order Path Layer und Multiplex Einheit bereit besteht aus Payload und Administrative Unit Pointern Administrative Unit Group (AUG): AUs belegen fixe, definierte Positionen in STM Payload 28

29 SDH Multiplexstruktur x N STM-N AUG AU-4 VC-4 x 3 C kbit/s x 3 TUG-3 TU-3 VC-3 AU-3 VC-3 C kbit/s kbit/s x 7 C-n VC-n Zeigerverarbeitung Multiplexen, Abbilden Container-n Virtual Container-n x 7 TUG-2 TU-2 VC-2 C-2 x 3 TU-12 VC-12 C kbit/s 2048 kbit/s TU-n Tributary Unit-n TUG-n Tributary Unit Group-n x 4 TU-11 VC-11 C kbit/s AU-n Administrative Unit-n AUG Administrative Unit Group STM-N Synchronous Transport Module-N 29

30 SDH Multiplexverfahren Logische Assoziation Container-1 PTR Physikalische Assoziation Zeiger VC-1 POH Container-1 VC-1 TU-1 PTR VC-1 TU-1 TU-1 PTR TU-1 PTR VC-1 VC-1 TUG-2 VC-3 POH TUG-2 TUG-2 VC-3 AU-3 PTR VC-3 AU-3 AU-3 PTR AU-3 PTR VC-3 VC-3 AUG SOH AUG AUG STM-N 30

31 SDH Synchronisation Zeigerwert inkrementiert/dekrementiert Offset AUG AUG AUG VC-n VC-n VC-n Anpassung der Container durch positiven oder negativen Offset zur weltweiten Synchronisation. Aufeinanderfolgende Zeigeroperationen aufgeteilt in wenigstens 3 Rahmen, während Zeigerwerte konstant bleiben AUG AUG AUG AUG VC-n VC-n VC-n VC-n Ausrichtung wird periodisch neu berechnet und eingestellt Zeigerwert wird um 1 dekrementiert Invertiert Bits 7,9,11,13,15 (l-bits) des Zeigerwortes 3 positive Anpassungsoktets mit invertierten l-bits werden an letzten AU-4 Rahmen angehangen Folgende Zeiger enthalten neuen Offset 31

32 SDH Übertragungsnetzwerk Überregionales Switching Regionale Switching Center Lokale Netzwerke Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Sternförmiges Netz Baum-basiertes Netz keine spezielle Topologie nicht-hierarchisches Netz Flexible Bandbreitennutzung hohe Skalierbarkeit hohe Zuverlässigkeit SDH Local Loop Cross Connect Node Add/Drop Multiplex (ADM) Digital Switching Center 32

33 Zugangsnetze Verbindung zwischen Endvermittlungstellen und Endgeräten 33

34 Problem der letzten Meile Ortsvermittlungsstelle Hauptstrecken (Glasfaser, Richtfunk) letzte Meile ( 1-2 km) Kabelverteiler mehr als 70% der Kosten einer kompletten Abdeckung return-on-investment sehr schwer erreichbar hohe Nutzerfluktuation sehr unterschiedliche Nutzeranforderungen sinkende Einführungszeit für neue Dienste sinkende Nutzungszeit für Dienste sinkender Grundpreis Abonnentenleitung 5-50 m, 2-8 Paare dirty mile Hauptkabel 1-8 (Ø 1.7) km Verteilungskabel (Ø 300) m (Ø 400) Paare (Ø 36) Paare Kabelmuffen 34

35 Zugriffstechnologien a/b Interface / ISDN 1 Kupferpaar Line Circuit V5.1 (Multiplex) ~230V 2 Paare / 2 Fasern LC 30 Teilnehmer 1 Kupferpaar V5.2 (Konzentrator) 2 Paare / 2 Fasern LC >30 Teiln. 1 Kupferpaar LC Wireless Local Loop (WLL) 2 Paare / 2 Fasern Vermittlungsstelle SDH V5.2 Bis zu 50m 35

36 Glasfaser im Ortsbereich Glasfaser bis zu 15km ~230V Optical Network Unit (ONU) Kupfer m Fiber to the curb (FTTC) billig nutzt existierende Struktur geringe Bandbreite Fiber to the building (FTTB) Vermittlungsstelle Kabelverteiler (optischer Verteiler) ONU Glasfaser Kabelverteiler ONU Fiber to the home (FTTH) höchste Kosten Neuverkabelung notwendig höchste Bandbreite ONU 36

37 Alternative Anbindungen Nutzung von Funktechnik spart nur 50m Erdarbeiten limitierte Bandbreite Interferenzen Kabelverlegung durch Wasserrohre Gasleitungen Kanalisation um Erdarbeiten zu vermeiden bis zu 50m Nutzung existierender Kabelinfrastruktur z.b. Verkehrsampelleitungen Breitbandkabel (TV) Stromkabel 37

38 Kommunikation über Stromleitungen Umwandler Station Sicherung Frequency Locking Devices 10-20kV~ 230V / 400V~ Stromkabel Parallel angeschlossene Abonnenten große Durchmesser (10 bis 200 mm²) nur 2 bis 4 Kabel für bis zu 200 Abonnenten Störungen durch elektrische Effekte (Stromschwankungen, Spannungsspitzen) Nachbarschaft hoher Stromstärken (<1000A) und Spannungen (230V - 110kV) Modulation Stromkabel Modulator Modulator Modulator bis zu 2000m 38

39 Kommunikation über Stromleitungen Feldtests: RWE (Leichlingen bei Düsseldorf) Siemens BEWAG (Berlin) DÜNE-System (Datenübertragung über Niederspannungs-Energienetze) Nortel Dasa (GB, Sweden) Probleme: Bursthafter Verkehr limitierte Bandbreite (1,3 Mbit/s) Busverbindungen der Abonnenten Existierende Regulierungen (Nutzung des 1-30MHz Band) Vorteile: Heimautomation (Vernetzung von Haushaltsgeräten über die Steckdose ) zentralisierte Fernsteuerung des elektrischen Verbrauchs (Vermeidung von Spitzenlast) Entfernte Verbrauchsablesung ( Wettbewerb von Energieanbietern) 39