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

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

14. Vorschau 14.1. Einordnung & Organisation Fortsetzung zur Vorlsg "Rechnernetze I". Grundlage für: - - Mobile Systeme - - Computertelephonie & ISDN, - - Verteilte Betriebssysteme... Praktika & Diplomarbeiten: - - Web-Video, Multimedia, - - Verteilte Betriebssysteme, - - Telemedizin, Funknetze, - - Java Anwendungen im Netz, - - Spiele im Netz... Veranstaltung 3+1, ab 29.04.2003: - - 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

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

14.3. Rechnernetze II - Inhalt 14. Vorschau 1 14.1. Einordnung & Organisation 1 14.2. Literatur 2 14.3. Rechnernetze II - Inhalt 3 15. Hochgeschwindigkeitsnetze 7 15.1. Standardisierung nach IEEE 802 7 15.7. Fast Ethernet 8 15.2. Breitband CATV Netze 14 15.3. Distributed Q. Dual Bus (DQDB) 21 15.4. FDDI 24 15.5. Asynchron. Time MPX (ATM) 27 15.6. Frame Relay 34 16. Übertragungsmedien 35 16.1. Lichtwellenleiter 35 16.2. Koaxialkabel 39 16.3. Telefonkabel 41 16.4. Funkkanäle 42 16.5. Leitungseigenschaften 43 16.6. Fourierzerlegung eines Signals 47 16.7. Signaldimensionierung 57 16.8. Übersprechen 65 17. Modulation 66 17.1. Modemstrecke: 67 17.2. Amplitude Shift Keying (ASK) 68 17.3. Frequency Shift Keying (FSK) 69 3 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

17.4. Phase Shift Keying (PSK) 70 17.5. Telefon Modems 71 17.6. Quadratur Amplituden Modulat. 73 17.7. Trellis Coded Modulation 76 17.8. Faltungskodierer mit r= 0,5 78 17.9. Trellis-Diagramm: 79 18. Teilnehmeranschlusstechniken 80 18.1. Digitalisierung des Fernmeldenetzes: 80 18.2. Schmalband-ISDN 85 19. Modems für "die letze Meile" 103 19.1 xdsl Schnelle Zugangstechniken 104 19.2. VDSL - Very high data rate DSL 106 19.3. Kabelverteilnetze (CATV) 107 20. Mobile Kommunikation 110 20.1. Drahtlose Übertragungssysteme 110 20.2. Mobilfunk nach GSM-E. 1 20.3. Qualitätsverbessernde Techniken 6 20.4. GSM-Netzorganisation 8 20.5. Dienste am GSM-Netz Fehler! Textmarke nicht definiert. 20.6. DECT 12 20.7. CDMA 17 21. Satellitensysteme 25 21.1. Umlaufbahnen 26 21.2. Technik 29 21.3. Beispielsysteme 30 21.4. Global Positioning System 32 4 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

22.1 GPS Navigation Message 37 22.2 Modulation: 38 22.3 Genauigkeit der Messung 39 22.4 Differentielles GPS 40 23. Migration zu UMTS 41 23.1 UMTS Zielsetzung 41 23.2 Datenübertragung in GSM Netzen 42 23.3 General Packet Radio Service 44 23.4 UTRAN 49 23.5 TD-CDMA 50 23.6 WCDMA 51 24. Bluetooth Piconetz 52 24.1 Zielsetzung 52 24.2 Anwendungsbeispiele 53 24.3 Geräteklassen/Profile 54 24.4 Protokoll-Stack 55 24.5 Luftschnittstelle 56 24.6 Anmeldeverfahren 57 24.7 Verschlüsselung: 58 5 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

15. Hochgeschwindigkeitsnetze 15.1. Standardisierung nach IEEE 802 802.1 802.3 802.4 802.5 802.6 802.2 802.1 802.9 802.10 802.11 802.12 802.14 802.15 802.16 802.7 802.8 802.1 Bridging, Management, Architektur etc. 802.2 LLC 802.3 Ethernet 802.4 Token bus 802.5 Token ring 802.6 Metropolitan Area Networks DQDB 802.7 Breitband LANs (BBTAG) 802.8 Lichtleiternetze / FDDI (FTAG) 802.9 Harmonisierung Ethernet/ISDN 802.10 Verschluesselung & Authentisierung 802.11 Drahtlose LANs 802.12 Fast Ethernet (100 VG - AnyLAN) 802.14 Bidirektionale CATV Netze 802.15 Drahtlose mobile Picozellen-Netze 802.16 Drahtlose breitbandige Festnetze 7 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.7. Fast Ethernet 15.7.1. Ethernet Stammbaum: 10 Base 5 10 Base-2 10 Base-T 10 Base-FL Wireless Ethernet (802.11) 100 VG AnyLAN (802.12) 100 Base-T 100 Base-TX 100 Base-T4 100 Base-FX,((([ 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

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

15.7.2. 100 Mbit Fast Ethernet: Sterntopologie und nicht mehr Busnetz: - Leitungslänge 100 m (150m VG AnyLan), - Ethernet Rahmenstruktur wird beibehalten. Nutzung vorhandener Telefonverkabelung: - bis zu 4 verdrillte Adernpaare (Typ 3/4/5). 100 Base-TX: - Fullduplex Option (keine Kollisionen), - 2 verdrillte Adernpaare aus RJ45: Senden + Senden - Empfangen + unbenutzt unbenutzt Empfangen - unbenutzt unbenutzt 100 Base-T4: - keine Fullduplex Option, - 4 verdrillte Adernpaare aus RJ45, - reduzierte Baudrate für Typ 3 Kabel, - Kollisionsmeldung auf Adernpaar "Empfang": Senden + Senden - Empfangen + bidirektional + bidirektional - Empfangen - bidirektional + bidirektional - 10 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

15.7.3. Gigabit Ethernet: Sternförmige Verkabelung: - hochwertige Glasfaser (LX), - einfache Glasfaser (SX), - geschirmtes Kupferkabel (CX), - ungeschirmtes Typ 5 Kupferkabel (T), - Weitverkehrsvarianten (LH, long-haul). Distanz =100 m pro Anschluss: - Kollisionserkennung, - Pausensignalisierung & Flusskontrolle. Übertragungstechnik für Kupfer: - 4 Doppeladern (Typ 5), - fullduplex Option, - 5 Signalstufen pro Paar, - Symbolrate 125 Mbit/sec. Netzarchitektur: - nur noch switching Hubs, - 1 Repeater pro Kollisionsbereich (200m), - Weitverkehrsnetze möglich. Autonegotiation: - 10/100/1000 Mbit, - Duplex, halbduplex. 12 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.7.4. 10 Gigabit Ethernet: Fernnetz über Glasfaser. Mischung von Sprache & Daten. Noch in früher Spezifikationsphase. Vorl. Projektautorisierung durch IEEE. Konkurrenz zum europäischen ATM- Konzept. Schwedisches Pilotprojekt. 15.7.5. Wireless Ethernet: IEEE 802.11 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 802.11b für 10 Mbit/sec bei 5,5 GHz. 13 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

- 15.2. Breitband CATV Netze 15.2.1. 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

15.2.2. Wurzelbaum als Topologie Kommunikation über die Kopfstation: - mit Nachbarn im "LAN", - Internetzugang, Umrüstung vorhandener CATV-Netze. - für bidirektionale Übertragung, - richtungsabhängige Verstärkung, - Frequenzfilter zur Richtungstrennung. Hybridnetze: - Teilnehmeranschluss mit Koaxialkabel, - Verteilnetz in Glasfaser ausgeführt, - meist schon bidirektional. 15 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.2.3. CATV-Netzanschluss: Reflexionsarmer Teilnehmeranschluss: - Dämpfung im Prinzip ohne Reflexion, - im Unterschied zu Ethernet. Richtkoppler (englisch "Tap"): - ausgekoppelte Energie abhängig von der Fortpflanzungsrichtung der Welle: 99% 100% 99% 1% 1% Umrüstung auf bidirektionale Ubertragung: - Transponder in der Kopfstation, - Verstärker, - Filter. Abzweigdosen (Taps), Splitter. Frequenzkompensation... 16 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.2.4. Aufteilung des Frequenzbandes: Subsplit Schema: - 5-30 MHz zur Kopfstation ("upstream"), - 54-400 MHz von Kopfstation ("downstream"), - 24 MHz Schutzband dazwischen. Midsplit Schema: - 5-116 MHz zur Kopfstation, - 168-400 MHz von der Kopfstation, - evtl. höhere Frequenzen für TV. Highsplit Schema: - 5-174 / 232-400 MHz. Supersplit Schema: bis 800 MHz. Kabelmodems: - USA: 5-42 / 42-850 MHz - Europa: 5-65 / 65-850 MHz Aufteilung auf zwei Kabel möglich. 17 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.2.5. 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: - 27-56 MBit/s, - Strom von Zeitschlitzen, - MPEG-Frames von Kopfstation. 18 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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 802.14 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

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

15.3. Distributed Q. Dual Bus (DQDB) 15.3.1. Physikalische Realisierung A-Bus B-Bus Unidirektionaler Bus in jeder Richtung. Jede Station liegt an beiden Bussen. Stationen ganz außen erzeugen Zeitschlitze. Folgestationen hören und addieren ihre Bits. Übertragungen nur "stromabwärts". Einsatzbereich unter anderem für Metropolitan Area Networks (MANs). 21 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.3.2. Reservierungsverfahren Leere A-Slots A-Slot Reservierungen Stationen realisieren eine verteilte Warteschlange für jede Richtung. Stationen rechts aussen haben Vorrang. Request-Zähler A zählt unerfüllte Requests von weiter rechts liegenden Stationen: - A-Reservierung erhöht den Zähler, - leerer A-Slot vermindert den Zähler. CountDown-Zähler A hält die Position der Station in der Warteschlange: - Request-Z -> CountDown wenn Ready, - decrementieren für jeden freien Slot, - senden falls CountDown=0. Getrennter Satz von Zählern für beide Übertragungsrichtungen. 22 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.3.3. Slotformat 8000 Frames pro Sekunde. z.b. 45 Slots bei 155 MBit/sec. Frame 125 µsec Header Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot N Padding 53 Oktette 1 Oktett 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

15.4. FDDI Fiber Distributed Device Interface. Glasfasernetz mit Ringtopologie. Doppelring als Ausfallsicherung. 15.4.1. Ringtopologie Multimode Glasfaser, LEDs. 2 gegenläufige Ringe. Nutzdatenrate 100 MBit/s (@125Mhz). 1000 Stationen, 200 km (=66 kbit). 4B/5B-NRZI Code (statt Manchester). dezentraler Takt (125 MHz, 0.005%): - Taktgewinnung durch lange Präambel, - mindestens 10 Bit Puffer pro Station, - jede Station taktet neu, - implizite Speicherung im Ring, - Jitter >max. Paketlänge (4500 Byte). 24 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.4.2 "Early Token Release": Verbessertes Token Ring Zugangsprotokoll. D D Token A C A C B B D D A C A C Token B B D D Token A C A Token C B B 25 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

Token konsumieren. Neues Paket erzeugen, Neues Token sofort nach Paketversand anfügen. Bei grossen Ringen mehrere Pakete auf dem Ring möglich. Zwei Klassen von Stationen: - Typ A ist am Doppelring angeschlossen, - Typ B ist nur an einen Ring und nicht redundant angeschlossen. 15.4.3 Erweiterung als FDDI-II Zur Unterstützung von Kanälen mit starrer Synchronisierung (Telefon, Multimedia). zusätzliche Synchronrahmen alle 125 µsec: - für PCM & ISDN-Daten (64 Kbit/s). - erzeugt durch eine Masterstation, - maximal 16 Synchronrahmen, - 96 Byte leitungsvermittelt, - 16 Byte nicht leitungsvermittelt, 26 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

15.5.1. Paketformat 48 Byte Payload 5 Byte Header Prüfsumme Physical Layer Bits Virtual Circuit # (VCI) Virtual Path # (VPI) Generic Flow Control Für den Transport im ATM-Netz wird im Prinzip nur der VPI verwendet. Erst im Endknoten wird VCI ausgewertet und zum Beispiel auf Sockets abgebildet. Physical Layer Bits für Cell Loss Priority. Generic Flow Control meldet Netzüberlast. Sequenznummern entfallen. 28 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.5.2. 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

15.5.3. Adaptation Layers Convergence Layer: - Modifizierte ISDN Q.931 Signalisierung. - Signalisierung z.b. über (VP=0, VC=15). Segmentation and Reassembly: - LAPD-Meldungen segmentieren, - Prüfsumme für Payload einfügen, - z.b. TCP-Meldungen segmentieren, - und reassemblieren... By-Pass Betrieb: - ohne Convergence Layer, mit SAR, - ohne Convergence L., ohne SAR, - Programm erhält direkt die 48 Byte Pakete. STM im Vergleich zu ATM: - (=synchronous time multiplexing), - STM verwendet Leitungsvermittlung, - Bitsynchron zwischen Endpunkten, - Suboptimale Leitungsauslastung. 30 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

15.5.4. Host Interfaces ATM ist eine Vermittlungstechnik aber keine Schnittstellenspezifikation. Verschiedene Anschlusstechniken: - Glasfaser (Physical FDDI,...), - Twisted Pairs (Ethernet, ISDN,...), - Koaxialkabel (Ethernet,...). Datenraten: - variable Datenraten, - SONET Rate 155,52 Mbps (STC-3c), - SONET Rate 622,8 Mbps (STS-12c)... Realisierung in einer Sun-Workstation: - 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

15.5.5. ATM Adaptation Layers: Verstecken die Zellenstruktur vor dem Programm. Benutzer-SDUs werden in der Convergence Sublayer CS mit einem Umschlag versehen. Segmentation and Reassembly Sublayer erzeugt die ATM-Zellen, bzw. setzt diese wieder zusammen. SDU AAL CS CS Header CS Trailer SAR ATM 32 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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

16.1.1. Faserbündel: 16. Übertragungsmedien 16.1. 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

16.1.2. 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 = 1.5 - Brechungsindex B = 1.2 - sin α = 0.8 - sin β = 1.0 E 36 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16.1.3. Multimode Faser mit Stufenindex Hülle Kern 0DQWHO Kern 50 125 µ, Hülle 125 500 µ. Unterschiedliche Pfadlänge (Modi). Pulsverbreiterung durch die Übertragung. Pulsverbreiterung bestimmt die Datenrate. 37 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16.1.4. 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

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

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 - 110 GHz. 40 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16.3. Telefonkabel Preisgünstig für kurze Entfernungen oder kleine Datenraten. Relativ hoher Wellenwiderstand: - Angenehm für den Leitungstreiber, - Twisted Pair - FM Bandkabel 300 - Telefonfreileitung 600 Vieladrig für grössere Installationen. Wenig oder keine Abschirmung. Verdrillt zur Reduktion der Abstrahlung: - Verdrillungslänge << Wellenlänge, - Feld der Doppelader nimmt ab mit 1/R2: 1 R 2 41 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

16.5. Leitungseigenschaften 16.5.1. 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

16.5.2. Laufzeit Lichtgeschwindigkeit setzt eine obere Grenze von 300.000 km/sec. Signalverzögerung beim Telefonieren über Satelliten: 36000 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

16.5.3. 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

16.5.4. 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

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

16.6.1. 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

16.6.2. Filterung z.b. Übertragungsleitung als Filter - Hochpass, Tiefpass, Bandpass,. - dämpft unterschiedliche Frequenzen verschieden, - Verzögerungswirkung auf Frequenzen, - Reaktion auf Phasen. Lineare Schaltkreise und Sinuswellen - verändern Frequenzen nicht, - können relative Amplituden ändern, - können relative Phase verschieben. Phasenverschiebung um π/4: sin(x) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x) => sin(x+p/4) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x) 2 2 4 6 t -2 Unterschiedliche Laufzeit verschiedener Frequenzanteile wird als Dispersion bezeichnet. 49 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16.6.3. Effekte bei der Übertragung: Originalsignal 0 1 0 0 0 0 1 0 0 Dämpfung Bandbreitenbeschränkung Verzögerung Rauschen Übertragungs - fehler! 0 1 1 0 0 0 1 0 0 50 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16.6.4. 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

16.6.5. 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

16.6.6. Bandbreite Intervall zwischen unterer und oberer Grenzfrequenz. Dazwischen einigermaßen gleichmäßige Dämpfung und linearer Phasengang gewünscht. Zum Beispiel Telephonfernleitung: 20 Dämpfung [db] 10 5 300 3000 Bandbreite eines Signals. Übertragungsfunktion eines Kanals: Frequenz [Hz] A(ω) = A(ω) e jϕ(ω) 53 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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

16.6.8. Verzerrungen Lineare Verzerrungen: - Frequenzabhängige Dämpfung. - Frequenzabhängige Laufzeiten. - Nichtlinearer Phasengang. Nichtlineare Verzerrungen: - Leitungsverstärker übersteuert. - Mischprodukte. 16.6.9. Störspannungen "Elektrische Umweltverschmutzung". Einschaltspitzen. Übersprechen. Thermisches Rauschen (--> kühlen). Halbleiterrauschen. Reflexionen. Störpegel in dbmv. 56 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

16.7. Signaldimensionierung 16.7.1. Problemstellung Auf einem vorgegebenen Kanal wollen wir möglichst viele Datenbits übertragen. Ein Übertragungskanal hat nur eine beschränkte Bandbreite: - Hi-Fi Stereo Anlage 2 * 30.. 20 000 Hz. - Telefonleitung z.b. 300.. 3400 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

16.7.2. 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

16.7.3. Abtasttheorem von Nyquist Problemstellung: - Wie oft muß ich ein frequenzbeschränktes Signal abtasten, um es aus den Abtastwerten eindeutig rekonstruieren zu können? Signal(t) 0 t Antwort: A = 2 *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

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

16.7.4. Shannon Limit Das Abtasttheorem spricht von Symbolen, bzw. Abtastwerten. Diese können mehrwertig sein (1 Byte, 12 Bit ). Eine Abtastrate misst sich in Baud bzw. Symbolen pro Sekunde, nicht Bits/sec. Enthält ein Symbol mehrere Bits, so erhöht sich die Menge der Information. Das Signal/Rauschverhältnis S/R bestimmt die Anzahl der Bits pro Symbol. Verrauschte Bits sind nicht mehr sicher erkennbar. Übertragbare Bits pro Sekunde: Shannon Limit = 2 * 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

16.7.5. 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

16.7.6. Impulsform (sin x) / x : Viele Impulse bzw. Symbole überlagern. Keine Symbolinterferenz: - In einem bestimmten Abtastzeitpunkt liefert immer nur ein Impuls einen Beitrag. t=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

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

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

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

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

17.2. Amplitude Shift Keying (ASK) Amplitudenmodulation. keying bedeutet: - Trägerschwingung ein/ausschalten, - Trägerschwingung umschalten, - umtasten, - tasten. Umschaltrate = Symbolrate 1 0 1 0-1 t 1 0-1 68 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

17.3. Frequency Shift Keying (FSK) 1 0 1 0-1 t 1 0-1 V.21-Modem: Space (0) and Mark (1) - 980 / 1180 für Originate-Seite (Bell 103: 1070/1270), - 1650 / 1850 für Answer-Seite (Bell 103: 2025/2225), - Echo-Unterdrückung abschalten, - 300 bps vollduplex. 69 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

17.4. Phase Shift Keying (PSK) Phasenmodulation: - 180 = Space (0), 0 = Mark (1), - erfordert Referenzsignal. 1 0 1 0-1 t 1 0-1 180 180 0 180 0 180 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

17.5. Telefon Modems V.21 / Bell 103 für 300 bps, siehe oben. DiBit PSK (DPSK, V.22, auch: QPSK) - 600 baud, 1200 bit/s - Bell 212A: 600 bit/s - Fallback nach FSK - V.22bis mit 2400 bit/s: DiBit 00 01 10 11 Phasen-Shift 90 0 180 270 01 = 90 Q 10 = 180 00 = 0 I 11 = 270 Asynchroner Betrieb - Kennzeichnung der Bytes wie V.24 - Startbit + Stopbit(s) Mark Space 71 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

17.6. Quadratur Amplituden Modulat. Phasen- & Amplitudenmodulation (QAM): 90 135 5 45 3 180 1 1 3 5 0 225 315 270 Amplitude und Phase ergeben Code-Vektor - Anzahl der Konstellationen - Enscheidungsregionen - Fehlervektor minimieren 01 00 10 11 73 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

z.b. V.29 (9600 bit/s) hdx, in Fax-Geräten: - 4 Bit pro Symbol, - Bit 1 bestimmt Amplitude, - Bit 2,3,4 wählen die Phase, - Hilfskanal moduliert Fehlervektor. V.32: Daten mit 9.600 bit/s - 2400 Baud, 4 bit pro Symbol - 2400 Hz, 1800 Hz Trägerfrequenzen - Echounterdrückung für Vollduplexbetrieb - 16-Konstellation ohne Trellis-Codierung. => 600-3000 Hz Bandbreite V.32 mit Trellis-codierter Modulation (TCM) - arbeiten mit unsicheren Signalniveaus, - 32 Konstellationspunkte... V.34 (V.fast): 28.800 bzw. 33.600 bit/s - 3429 Baud, 9 bit, 2048 Konstellationspunkte - dreidimensionale Trellis-Codierung - Trägerfrequenz 1959 Hz. 74 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

56 kbit/s Modems nach V.90 Empfehlung - US Robotics: x2, - Rockwell: K56flex, SoftK56, - spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN), - 56 kbit/s downstream, max. 33.600 upstream. Leitung aus analoger Sicht des 56k Modems: 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, - 56.000 bit/s, 8.000 samples/s => 128 Werte, - G.711 erzeugt Treppenfunktion aus PCM, - Filter in Vermittlung glättet Treppenfunktion, - linearer ADC tastet glatte Treppenfunktion ab, - DSP sucht und interpretiert Treppenstufen als diskrete Werte 75 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

- 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

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 -> 11 010 -> 10 101 -> 00 011 -> 01 110 -> 01 101 -> 00 oder V.32 Codierungsrate r = 4/5: - 16 Codeworte (4 Bit), 32 QAM-Punkte (5 Bit), - (Q1,Q2, Q3, Q4) -> (Y0, Y1, Y2, Q3, Q4) Viterbi-Pfadlänge: 5*Länge des Faltungskodierers = 15.. 16 78 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

17.9. Trellis-Diagramm: A 00 00 00 11 11 11 00 11 00 11 00 11 00 11 B C D 0 1 01 10 10 10 11 00 01 01 0 1 2 3 4 5 6 10 10 11 00 01 01 11 01 10 11 10 00 11 6 Codierte Nachricht: 11 01 10 11 10 00 11 Störung: 11 01 00 11 11 00 11 Empfänger entscheidet rückwärts: - Viterbi: suche Pfad mit minimalem Gewicht, - d.h. mit minimaler Anzahl Bitfehler, - verzögerte Entscheidung. 10 10 11 00 01 01 10 10 11 00 01 01 10 10 11 00 01 01 A 2 3 3 0 3 5 3 1 5 3 3 5 5 3 B C 0 2 1 4 1 4 4 5 2 2 5 2 3 2 3 2 2 3 4 3 4 4 5 2 5 4 4 D 2 4 4 2 11 01 00 11 11 00 11 6 0 1 2 3 4 5 6 4 79 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

18. Teilnehmeranschlusstechniken 18.1. 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

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

18.1.1. "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

56 kbit/s Modems nach V.90 Empfehlung: - US Robotics: x2, - Rockwell: K56flex, SoftK56, - spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN), - 56 kbit/s downstream, max. 33.600 upstream. Leitung aus 'analoger'sicht des 56k Modems: 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, - 56.000 kbit/s, 8.000 samples/s => 128 Werte, - G.711 erzeugt Treppenfunktion aus PCM, - Filter in Vermittlung glättet Treppenfunktion, - linearer ADC tastet glatte Treppenfunktion ab, - DSP sucht und interpretiert Treppenstufen als diskrete Werte 83 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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 - 144 Quantisierungspunkte (-> TCM) - evtl Fallback auf 48, 40, 32 kbit/s (x2 auch 52 kbit/s mit 92 Stufen) Weiterentwicklung - Symbole mit n,m Bits, z.b. 7,5 - raffiniertes shell-mapping mit bis zu 224 Symbolen => 62 kbit/s 84 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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, - 8000 Abtastwerte pro Sekunde, - ergibt Kanäle à 64 KBits/sec Basisanschluss: - zur Versorgung der privaten Haushalte, - Nutzung vorhandener Kupferadern, - Zweidrahtige Leitung zum Ortsamt, - vierdrähtiger Bus im Haus. Terminaladapter (Schnittstellenadapter): - a/b Anschluss (POTS, Fax), - X.21 & V.24 asynchron, synchron, - Bitratenadaptierung. Auch für Bündel von B-Kanälen (MUX). Langwierige internationale Normung. 85 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

18.2.1. ISDN-Leitungen und Kanäle 16 kbit/s 64 kbit/s 64 kbit/s Basic User-Network Interface 64 kbit/s 64 kbit/s 64 kbit/s 64 64 64 kbit/s kbit/s 64 64 kbit/s kbit/s kbit/s 64 64 64 kbit/s kbit/s kbit/s 64 64 64 64 kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s 64 64 64 kbit/s kbit/s 64 64 kbit/s kbit/s 64 64 kbit/s kbit/s kbit/s 64 64 kbit/s kbit/s 64 64 kbit/s 64 64 kbit/s kbit/s kbit/s 64 64 64 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 - 8000 Bytes pro Sekunde - transparent, keine Konvertierung. 64-Kbps, 8-kHz structured, für Sprachkanäle: - PCM-Samples - Konvertierung zwischen A-Law und µ-law, - Sprache eventuell auch weiter komprimiert. 86 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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, 1920- 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

18.2.2. 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

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

18.2.3. Separater NT: mit zugänglicher T-Schnittstelle: S-Schnittstellen Lokale Teilnehmer Nebenstellenanlage NT2 NT1 Fernmeldenetz U-Schnittstellen T-Schnittstelle 18.2.4. Western Stecker RJ-45: 1... 8 8-polig (mindestens 3.. 6 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

18.2.5. 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

18.2.6. So Bus-Reichweite: Mit beliebiger Geräteverteilung bis 200 m: Š 200 m TE TE TE 1 2 8 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

18.2.7. 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... 93 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

18.2.8. D-Kanal Mehrfachzugriff: Die B-Kanäle werden fest zugeordnet. Auf den D-Kanal können alle angeschlossenen Geräte versuchen zu schreiben. Zerstörungsfreie Kollisionserkennung: - Kontrolle im Echo-Kanal, - Echo vom NT bitweise prüfen, - Sendestop falls Empfang? Sendesignal - Nullen dominieren (=Pulse am Bus). - Adressfeld des Rahmens unterschiedlich SAPI TEI TEI 77: 00 000000 1 100 1101 TEI 82: 00 000000 1 101 0 0 1 0 D-Kanal: 00 000000 1 100 1101 TEI 82 macht Backoff ' 94 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

18.2.9. 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

18.2.10. Bitratenadaptierung Synchrone und asynchrone Datenströme mit einer Bitrate von < 64 kbps an das ISDN-Netz anpassen. Asynchrones Oversampling: asynchrone Raten:... 1200, 9600, 19200 bps. z.b. 19200 bps Strom mit 64 khz abtasten: Original 19200 bps 52 µsec 64 kbps Raster 125 µsec Abbild beim Empfänger Dauer einer Bitperiode: - Maximum 62,5 µsec, - Minimum 47 µsec, - Original 52 µsec. Machbar bis 19200 bps mit 48 kbps. Evtl. Steuersignale im Strom mitführen. 96 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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# - 1 2 3 4 5 6 7 8-0 0 0 0 0 0 0 0 0-1 1 D1 D2 D3 D4 D5 D6 S1 1 D7 D8 D9 D10 D11 D12 X - 2 1 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 - 7 1 D37 D38 D39 D40 D41 D42 S8-8 1 D43 D44 D45 D46 D47 D48 S9-9 98 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

Beispiel für 600 bps: - Bitwiederholung falls <4800 bps, - Bruttodatenrate von 8 kbit/sec: Oktett# Bit# - 1 2 3 4 5 6 7 8-0 0 0 0 0 0 0 0 0-1 1 D1 D1 D1 D1 D1 D1 S1 1 D1 D1 D2 D2 D2 D2 X - 2 1 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 - 7 1 D5 D5 D5 D5 D6 D6 S8-8 1 D6 D6 D6 D6 D6 D6 S9-9 Rahmenerkennung: - 00000000 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx 1xxxxxxx Status- & Flusskontrolle: - Ein- und Ausstieg der Übertragungsphase, - Sychronisationsverlust, - Geschwindigkeitsanpassung. 99 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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 0 100 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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

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

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

Standard-Datenraten für ADSL: - downstream (zum Teilnehmer): - n * (1536 bzw. 2048) kbit/s - upstream (vom Teilnehmer): - 16, 64, 160, 384, 544, 576 kbit/s Twisted-Pair Teilnehmerleitung [Bellcore]: - typische Telefonleitung mit 22 Spleiss-Stellen, - 90 db bei 1 MHz und 5 km. Modulation & Codierung: - DMT: Discrete Multitone Transmission, - 255 * 4 khz Sub-Kanäle, - in jedem Kanal QAM, - FEC Fehlerkorrektur. Frequenz- Getrenntlage: oder Echo- Unterdrückung: P O T S P O T S upstream downstream 4 1000 upstream downstream 4 1000 khz khz T-DSL in Deutschland: - 768 kbps downstream, - 128 kbps upstream. 105 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

19.2. VDSL - Very high data rate DSL Zielsetzung: HDTV & Videokonferenz auf vorhandenen Kupferleitungen. Leistungsmerkmale: - downstr.: Bruchteil von 155.52 MBit/s (ATM), - upstream: 1.6, 2.3, 19.2 MBit/s - symmetrische Variante mit echo-cancellation, - Platz für Telefon und ISDN, - 1500 m: 12.96 MBit/s, - 1000 m: 25.92 MBit/s, - 300 m: 51.84 MBit/s P O T S I S D N upstream downstream khz 4 80 300 700 1000 10.000 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

19.3. Kabelverteilnetze (CATV) 19.3.1. Umbau zum bidirektionalen Netz: Durch Einbau von Verstärkern und Frequenzweichen: 19.3.2. Kabel-Modems Downstream in einem TV-Kanal: 6 MHz Upstream 2 MHz Band im zw. 10-32 MHz Alternativ Daten-Kanäle außerhalb des TV- Spektrums: 47 300 446 470 606 MHz 107 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

19.3.3. Optische Verteilstrukturen FTT{ C, B, N, H } = Fiber to the {Curb, Building, Neighborhood, Home} 500-3000 Teiln. an einer Trunk-Glasfaser. ATM-Pakete mit z.b. 155 Mbit/s. TV, telephone, Internet ONT ONT = Optical Network termination: - letztes Teilstück evtl. ADSL oder HDSL 109 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20. Drahtlose Kommunikation 20.1. 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 802.11x als amerikanische Initiative, - HiperLAN2 als ETSI Standardisierung, - 1,2-32 Mbit/sec (Nettodatenrate), - Zugangspunkte zum Festnetz, - Zellengrösse 10-300m, - 2,4 GHz bzw. 5 GHz. Infrarotübertragung als Alternative. 110 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.2 Vergleich IEEE802.11 versus Hiperlan2 Standard Recommend. 802.11 802.11b 802.11a 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 3 1.2 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. (http://www.hiperlan2.com) 1 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.2. Mobilfunk nach GSM-Empfehlung = Global System for Mobile Communication. 20.2.1. 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

20.2.2. 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

20.2.3 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 20.2.4. Teledienste (Teleservices): - Sprache inkl. Notrufe, - Datenruf mit 9600 bit/sec, - Short Message Services / SMS, - Multimedia Messages / MMS, - Wireless Web Access Protocol / WAP 20.2.5. Übertragungsdienste (Bearer service): 13 KBit/sec Sprache. 300 9600 Bps Daten: - synchron IWF mit ISDN & CSPDN, - asynchron IWF mit ISDN & CSPDN, - PAD Zugang zu X.25 (PSPDN), - Paketzugang zu X.25 (PSPDN), 3 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.2.4. Funkkanalorganisation Frequenzbereich: - MS-BS: 890-915 MHz - BS-MS: 935-960 MHz In jede Richtung 124 Trägerfrequenzen: - jeweils pro Basisstation (-Überlappung), - Frequenzabstand 200 KHz, - um die Mehrwegeausbreitung zu kompensieren 217 Frequenzwechsel pro Sec. TDMA-Rahmen: - 217 pro Sekunde (4,615 msec), - auf 25 normale folgt ein Kontrollrahmen, - 270,833 kbit/sec pro Trägerfrequenz, - 8 Zeitschlitze pro Rahmen (je 577 µsec), - 1 normaler Zeitschlitz pro Gespräch: -- brutto ~150 Bits * 217 sec -1, -- netto ~13 kbit/sec für Sprache. 4 Typen von Zeitschlitzen: - normal burst für Nutzinformation, - synchronisation burst f. Rahmensync, - frequ. corr. zur Feinabstimmung, - verkürzter access burst. Und noch kein Ende der Komplikation. 4 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.2.5. GSM Frequenzaufteilung: Hierarchie von FDMA, TDMA, Interleaving. Überrahmen. downstream 935-960 MHz upstream 890-915 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

20.3. Qualitätsverbessernde Techniken Funkkanäle sind besonders unzuverlässig: - Gleichkanalstörungen aus Nachbarzellen, - Mehrwegausbreitung, - Dopplereffekte, - Abschattung, - Dispersion. Frequenzhüpfen als Abhilfe: - 217 mal pro Sekunde, - destruktive Interferenz ist selten, - Konflikte mit Nachbarzellen nicht auf jeder Frequenz. Verschachtelung der Gesprächskanäle: - Interleaving, - Verteilen stossartiger Störungen, - Spreizung z.b. über 8 TDMA-Slots, - Verzögerungen unvermeidlich. Datenkanäle m. gleichmässiger Redundanz: - Prüfsumme (40 Bits von 224), - Faltungscode mit (51% Redundanz), - Radio Link Protokoll (RLP). Redundante Sprachcodierung: - anschliessend an optimales Codec, - unterschiedlich relevante Bitklassen. 6 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.3.1. 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 50 3 132 4 Faltungscode (r=0,5 ; K=5 ) 378 78 Interleaving (z.b. 8 fach: 5,13,21,29 453) 57 Training 57 nachfolgender Block 7 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

20.4.1. Roaming: herumstreunende Teilnehmer, Anmeldung im fremden Netz, erlaubt Entgegennehmen von Anrufen, Entgelt für Nutzung ausländischer Netze? Visitor Location Register für Besucher, Home Location Register in jeder Mobilfunkvermittlung: BSS Verm. VLR Verm. BSS HLR 9 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.4.2. Teilnehmeradressierung: Mobile Teiln. ISDN Nummer (MSISDN): - Country Code / Heimat-Netz Nummer, - Vorwahl / Ortsnetzkennung (-> HLR ), - HLR index, - Teilnehmer-Nummer lokal, - verankert in einer Einsteckkarte. Internationale Mobilstationsnummer: - Country Code / Heimat-Netz Nummer, - Vorwahl / Ortsnetzkennung (-> HLR ), - HLR index, - Teilnehmer-Identität, - auch als Diebstahlsicherung. Mobile Station roaming number: - Country Code, fremdes Netz, - Vorwahl / Ortsnetzkennung (-> VLR ), - VLR index, - temporäre Teilnehmer-Nummer aus der Sicht des Netzes. 10 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.4.3. Handover: - impliziert durch zelluläre Organisation, - nicht zu verwechseln mit Roaming, - extern unter Einbezug der Vermittlung - intern: unter Verantwortung der Basisstation: BSS interne Weitergabe BSS Verm. externe Weitergabe BSS Verm. Vertraulichkeit: - für Gesprächsinhalt, - für den Aufenthaltsort der Teilnehmer 11 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.6. DECT DECT= Digital Enhanced Cordless Telephone. url: www.dms.it/tecnical/dect/dect.htm Drahtlose Kommunikation in lokalem Bereich: - maximal 120 Kanäle, - 100 m innerhalb von Gebäuden, - 500 m im Freien. Verbindung zum Festnetz und zu anderen Mobilteilen über eine Basisstation. Zelluläre Netzstruktur für höhere Teilnehmerzahlen möglich. Primär für Telephonbetrieb: - "Air Interface": ETS 300.175-x, - Gute Sprachqualität (digitales Verfahren), - Sprachcodierung: ADPCM, G.721 (ITU). Datenkommunikation: - n * 32 KBit/sec, - ad-hoc Rechnernetze, - Zugang zum ISDN mit 64 KBit/sec, - über Basisstation oder Peer-to-Peer. Kleinere Datenrate pro Kanal als W-LAN. Gutes Real-Time Verhalten. Synergien mit Telephon. 12 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.6.1. Szenarien: Private Haushalte: Schnurlose Ergänzung für PBX: "Letzte Meile" zum Teilnehmer: Öffentliche Telephonversorgung in Ballungsräumen: Legende: - RFP: Radio Fixed Part, - CCFP: PBX, Common Control Fixed part - WRS: Drahtlose Relais Station, - CTA: Customer Telephone Adapter. 13 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.6.2. 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

20.6.3. Technische Kenngrössen: Charakteristiken: - Datenrate: 32 KBit/sec - Kanäle: 120 Duplexkanäle - Frequenz: 1880-1900 MHz (Europa) - Träger: maximal 10 Frequenzen - Rahmen: 100 / sec je Trägerfrequenz - Zeitschlitze: 24 pro Rahmen - Leistung: 10 mw (max. 250 mw) - Reichweite: 50-500 m "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

20.6.4. Architekturmodell: Vergleichbar und angelehnt an ISDN Protokollstack. Netzwerkebene für Signalisierung, Autorisierung und Handover zwischen Zellen. Dezentrale Mediumszugangssteuerung: - Beacon Funktion der Basisstation... 16 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.7. CDMA 20.7.1. Zugriffsdimensionen = Code Division Multiple Access. Zugriffsverfahren für Mobilfunknetze. Standardisiert als IS-95A. In USA in Konkurrenz zu GSM. Zugriffsdimensionen allgemein: - Zellen: SDMA (Space Division Multiple Acc.), - Träger: FDMA (Freq. Division Multiple Acc.), - Slots: TDMA (Time Division Multiple Acc.). Nutzung mehrerer Dimensionen: Technik GSM DECT CDMA SDMA FDMA TDMA + + + + - + + + - 17 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.7.2. Spreizspektrumtechnik: Anwendungsbereiche: - Mobilfunksysteme der 3. Generation, - global positioning System (GPS), - militärische Funkgeräte, - drahtlose LANs. Adressiertes Problem: - Auf Funkkanälen ergibt sich oft auf einzelnen Frequenzen eine Auslöschung des Signales (Fading) infolge Mehrwegausbreitung. Lösungsansatz: - Aufweiten des Übertragungsspektrums, - gemeinsame Nutzung des Spektrums, - spezifische Frequenzfolge pro Nutzer, - synchrone Decodierung. Varianten zur Spektrumsspreizung: - "Slow Frequency Hopping" (GSM: 217 Hz), - "Fast Frequency Hopping" (1 Symbol/Hop), - "Direct Sequence F... " (<<1 Symbol/Hop). 18 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

20.7.4. 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

Übertragung des gespreizten Signales: - nach entsprechender Filterung, - Bandbreite ca. 1.3 MHz: XSVWUHDP GRZQVWUHDP 1,3 MHz 806-890 MHz 45 Mhz 10 khz f 20.7.5. USA Frequenzbereiche: Für öffentlichen Telephondienst: - 806-890 MHz, - 45 MHz Trägerseparation, - 1,3 MHz Bandbreite. Für schnurlose Telephone: - Personal Communication Systems (PCS), - 1850-1990 MHz, - 80 MHz Trägerseparation, - 1,3 MHz Bandbreite. Keine Frequenzen in Europa. 21 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.7.6. Empfang von CDMA Kanälen: Auch die Sendeleistung wird aufgeweitet: - niedriges S/N Verhältnis, - aufwendige Verarbeitung im Empfänger. Synchrone Decodierung: - Empfänger muss auf die Folge synchronisieren, - ev. mehrere Mobilstationen simultan decodieren, - ergibt verbesserte Detektion in der BS, - verlangt grosse Rechenleistung. "Joint Detection": - Basisstation bedient viele Teilnehmer, - BS kennt alle Teilnehmercodes, - in jedem Kanal fremde Beiträge subtrahieren, - ergibt verbesserte Detektion in der BS, - verlangt grosse Rechenleistung. Ein DSSS Signal ist nur zu erkennen, wenn die Frequenzcodierung bekannt ist. Die Frequenzcodierung: - "CODE Division Multiple Access", - dient der Adressierung des Teilnehmers, - ist Grundlage für das Multiplexprinzip, - dient der Verschlüsselung. 22 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

20.7.7. Vorteile von CDMA Systemen Quelle: www.qualcomm.com. 3-fache Kapazität im Vergleich zu GSM?? Frequenzkoordination zwischen BS entfällt. Unempfindlich bei Mehrwegausbreitung. Reduzierter Stromverbrauch ( 20 mal). Potentiell hohe Datenraten. Patentierter Soft Handover. "Graceful Degradation". Keine Sicherheitsabstände erforderlich: - weder im Frequenzbereich, - noch im Zeitbereich. Aber: - Eine genauere Kontrolle der Sendeleistung ist nötig, damit der Rauschpegel insgesamt klein gehalten wird. - Feldversuche haben die Prognosen von Qualcomm nicht bestätigt. 23 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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

21.1. Umlaufbahnen Kreisförmig für Kommunikationssatelliten. Umlaufszeit: t 2 =konst * r 3 = ~12*10-12 * r 3 Van Allen Gürtel LEO MEO GEO 0 700 10000 35800 21.1.1. 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

21.1.2. Geostationäre (GEO) In 35800km Höhe über dem Äquator. Umlaufzeit ~24 Std. ("Synchronsatelliten"). Feste Position ( ± 0,1 / 73 km ). Aktive Stabilisierung der Position. Vorwiegend Rundfunk & Fernsehen: - feste Empfangsantennen möglich. Ungünstig für Datenverkehr: - große Verzögerung & Fensteröffnung, - flächendeckend anstelle von Zellen, - ungeeignet für Mobiltelefone. 21.1.3. Mittlere Umlaufbahnen MEO = Medium Earth Orbit. Höhe 6000-11000 km. Telekommunikation, aber nicht zellulär. Gute Lebensdauer, keine Luftreibung. Flächendeckende Ausleuchtung. Navigation. 27 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.1.4. Erdnahe Satelliten Höhe 700-2000 km (Störende Luftreibung). Telekommunikation mit kleiner Leistung. Zellenbildung (evtl. "Spotbeams"). Ein Satellit bleibt etwa 10 Minuten sichtbar: - > Handover erforderlich, - wenn möglich über Intersatellite-Links. 21.1.5. Elliptische Umlaufbahnen HEO = Highly Elliptic Orbits. Zum Erreichen großerer Erdabstände. Hubble Teleskop? 28 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.2. Technik 21.2.1. Aufbau eines Satelliten Stromversorgung über Solarzellen. Nachts Energieversorgung über Akku. Temperaturstabilisierung im Satelliten drin. Positionsstabilisierung mit Rückstossdüsen. Lagestabilisierung mit Kreisel. Ausrichtung der Solarzellen. Zugriffsverfahren: - Aloha, FDMA, TDMA, CDMA. 29 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.3.1. Geschichtliches 21.3. 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

21.3.2. 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) 780 1414 10354 10534 700 Anzahl S. 66+6 48+8 10+2 12+3 840+84 min. Elev. 8 20 20 30 40 Zugriffs- FDMA/ CDMA FDMA/ CDMA FDMA/ Technik TDMA TDMA TDMA i.sat.-lnk. + - - - + F (GHz) 1,6..30 1,6..6,9 2..7 1,6..2,4 19..29 Kan./Sat. 4000 2700 5300 2800 2500 max. Bps 4,8k 9,6k 4,8k 4,8k 2M Beginn? 1999 1999 2000 2001 2001 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

21.4. Global Positioning System abgekürzt GPS. Amerikanisches Satellitennavigationssystem. 21.4.1. GPS Konstellation 32 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.4.2. Grundprinzip x, y, z t Jeder Satellit sendet Position und Uhrzeit. Empfänger bestimmt seine Position durch Triangulation. Eigentlich genügen 3 Satelliten für eine Position auf der Erdoberfläche. Ausgleichsrechnung bei mehr Satelliten. Bodenstationen senden Korrekturpolynome. 33 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.4.3. Einsatzbereiche Militärische Positionsbestimmung: - passives System! - Marschflugkörper, - Orientierung im unwegsamen Gelände. Zivile Positionsbestimmung: - Fahrerassistenzsysteme, - Routenkontrolle. Seismische Messungen: - Landvermessung, - Unregelmässigkeiten der Erdkugel, - dyn. Verformungen der Erdkugel. Selective Availability": - Maximale Genauigkeit nur für Militär, - Unverschlüsselte Nachricht künstlich ungenau, - Abgeschaltet seit 1.4.2000. Differential GPS: - Referenzstation im lokalen Bereich, - lokale Korrektur der Positionsdaten, - typischerweise über Langwelle. Nutzung als Zeitnormal: - alternative zum DCF77 Signal, - Für verteilte Computeranwendungen, - Zugriffsprotokolle für LANs/WANs. 34 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.4.4. Realisierung Zeitnormal im Satelliten: - mehrere Uhren, - neuerdings Rubidium Uhren, - Cäsium Uhren eher wartungsintensiv. Spreizspektrum: - direct sequence spread spectrum, - ziviler Code: Chiprate 1 MHz, - militärischer Code (P): Chiprate 10 MHz, - Einstieg in P-Code über zivilen Code. Genauigkeit - zivile Anwendungen (ca. 50 m), - künstlich vergröbert für zivile Anwendungen, - Selective Availability (S/A) nur für Militär, - unterschiedliche Kartographierungssysteme, - Messung der Dispersion in der Ionosphäre. Paketformat: - eigene Position, - Satellitenzeit, - Position der anderen Satelliten. 35 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

21.4.5. 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

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

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): - 1023 Bit Pseudorandom-Code: - Wiederholung 1000 mal / sec, - Ergibt 1023 KHz Bandbreite, - Spreizfaktor 20000. P-PRN (Precision Code): - 10.23 MHz Chiprate, - Periode 267 Tage. Erzeugung: - Unterschiedlicher Code für jeden Satelliten, - Z.B. mit rekursivem 10 Bit Schieberegister, - 32 Satelliten & 51 Pseudoliten. 38 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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

23. Migration zu UMTS 23.1 UMTS Zielsetzung Universal Mobile Telecomm. System: - Infrastruktur 500-1000 Mia DM, - Lizenzen für 100 Mia DM, - In Deutschland ab 2002, - Think Big? Datenraten: - bis zu 2 Mbit/sec in Ballungszentren (asymm.), - Mindestens 384 Kbit/sec ausserhalb, - Paketorientierte Zugangsverfahren. Weltweite Roaming Möglichkeiten: - Erreichbarkeit, - Abrechnungsmodi, - Gerätekompatibilität, - Firmeneigene Netzsegmente, - Virtual Home Environment (VHE). Integration bisheriger Ansätze: - GSM europ. Dig. Mobiltelphone, - PCS Personal Comm. Systems (USA), - IS-95 Interim Standard (USA, CDMA), - DECT Digital E. Cordless Telphones, - Bluetooth ad-hoc Picozellen LANs, - IEEE 802.11 Wireless LANs? Solution in search of a problem? 41 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

23.2 Datenübertragung in GSM Netzen 23.2.1 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)... 42 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

23.2.2 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

23.3 General Packet Radio Service 23.3.1 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

23.3.2 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

23.3.3 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 301 349 V8.4.1: - Digital cellular telecommunications system (Phase 2+), - General Packet Radio Service (GPRS), - Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS) interface, - Radio Link Control/Medium Access Control (RLC/MAC) Protocol (GSM 04.60 version 8.4.1 Release 1999). 46 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

23.3.4 MAC-Control für GPRS GPRS-Pakete fliessen in sogenannten Temporary Block Flows (TBF). - Evtl. längere Wartezeiten bis zur TBF-Allozierung, - Slots werden einzelnen TBFs zugeordnet, - Dynamische Zuordnung über Uplink-State-Flag, - Evtl. feste Zuordnung beim Aufbau eines TBF. GPRS Zugriffsverfahren - Für Paketverkehr freigegebene Zeitschlitze werden wechselweise an mehrere Stationen vergeben, - Basis kann Slots/TBF kurzfristig beanspruchen, - MS beantragt TBF über einen Random Access Ch. - Slotvergabe geschieht dann über MAC-Instanz, - Zähler bis zum nächsten freien Slot an MS, - TBFs werden kurzfristig wieder freigegeben, - 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

Nachrichten im RLC Protokoll: Packet System Information Type 1.. 13 Packet Downlink Ack/Nack Packet Uplink Ack/Nack Verschiedene Steuernachrichten: Packet Power Control/Timing Advance Packet Enhanced Measurement Report Packet Measurement Order/Report Packet Control Acknowledgement Packet Cell Change Order/Failure Packet Timeslot Reconfigure Packet PRACH Parameters Packet Mobile TBF Status Packet Polling Request Packet PDCH Release Packet PSI Status Packet Pause Spare 48 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

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 1..16. Midamble: - Orthogonaler Spreizcode pro Station, - Identifizierung von Mehrwegsignalen, - Unterscheidung überlagerter Stationen. 50 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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

24. Bluetooth Piconetz 24.1 Zielsetzung Ersatz kabelgebundener Peripheriegeräte. Unempfindlich gegenüber HF-Störungen. Selbstkonfigurierende ad hoc Netze: - Automatisches Service Discovery Protokoll, - Maximal 7 aktive Stationen, - N inaktive Statuionen, - Peer-to-peer. Technische Daten: - Mittlere Geschwindigkeitsklasse (1 Mbit/s), - Slow Frequency Hopping mit 80 Trägern., - Lizenzfreier ISM Betrieb bei 2.44 GHz, - 1600 Bursts pro Sekunde., - Reichweite ~10 Meter, - Stromsparmodi. Verschiedene Topologien: - Punkt zu Punkt, - Piconetze, - Scatternet, - Basisstationen, - Mobile Stationen... 52 Rechnernetze II, Sommer 2003 P. Schulthess

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