23, 24. Távközlő Hálózatok előadások 2006. máj. 10-11.

Az előadások a következő témára: "23, 24. Távközlő Hálózatok előadások 2006. máj. 10-11."— Előadás másolata:

1 23, 24. Távközlő Hálózatok előadások 2006. máj. 10-11.

2 2 0.2 A tárgy felépítése 0. Bevezetés 1. Távközlő hálózati architektúrák Hívószámkiosztás, analóg és digitális telefonhálózati architektúra 2. Kapcsolástechnika 3. Jelzésrendszerek Előfizető és központ közötti, központok közötti, VoIP 4. IP szélessávú hozzáférési technikák Analóg vonali modem, ADSL, xDSL, kábel-TV, stb. 5. Gerinchálózati technikák PDH, ATM, MPLS, SDH, stb. 6. Mobil távközlő rendszerek GSM, UMTS, műholdas rendszerek, mobil számítógép hálózatok 7. Jelátviteli és forgalmi követelmények. Kodekek 8. Az információközlő hálózatok felépítésének elvei (kimarad!) 9. Távközlési protokollok Csopaki Gy. Németh K. Cinkler T. Németh K. Csopaki Gy. Németh K.

3 3 Jelátviteli és forgalmi követelmények  Információtípusok, jelek és hálózatok  Beszédátviteli követelmények  Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése  Beszédkódolók  Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Jelátviteli és forgalmi követelmények

4 4 Henk-Németh jegyzetben! Átviendő jelek bemutatása, specifikálása  Jel: átvitt információ reprezentálása  Minőségi paraméterek megadása Sok jel együtt: forgalom  Forgalom: jelek összességének hálózaton való megjelenése  Forgalmi követelmények megadása Ezek hálózatonként mások-mások Cél: tudjuk, mire kell a hálózatot tervezni/méretezni Jelátviteli és forgalmi követelmények

5 5  Információtípusok, jelek és hálózatok  Beszédátviteli követelmények  Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése  Beszédkódolók  Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Információtípusok, jelek és hálózatok

6 6 Információforrás: ember vagy gép Információtípus például:  beszéd, párbeszéd  zene (beszédhez hasonló, magasabb minőségi követelmények)  állókép  mozgókép  szöveges üzenet (pl. távirat, SMS, e-mail)  mérési adatok  bináris adat (pl. fájl, weblap, stb.) Információtípusok, jelek és hálózatok

7 7 Jel: információ reprezentálása Jeltípus például:  Analóg jelek: analóg beszédjel analóg zenei jel analóg mozgókép digitális jel analóg csatornán FDM nyalábolt analóg jelek tápáram  Digitális jelek: digitalizált beszédjel digitalizált zenei jel digitalizált mozgókép bináris adatok (bitsorozat) TDM nyalábolt digitális jelek hálózati jelzések Információtípusok, jelek és hálózatok

8 8 Kétféle hálózat: Egyetlen jeltípus átvitelére tervezték  pl. távbeszélő-hálózat, kábeltévé-hálózat  Ezeken lehetséges: elsődleges v. másodlagos adatátvitel  Elsődleges: erre tervezték pl.: beszéd, TV műsor  Másodlagos: nem erre tervezték pl.: adatátvitel Integrált (multiservice, többszolgáltatásos): több jeltípus átvitelére tervezték  pl.: ISDN, GSM Információtípusok, jelek és hálózatok

9 9 Jelátviteli és forgalmi követelmények  Információtípusok, jelek és hálózatok  Beszédátviteli követelmények  Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése  Beszédkódolók  Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Beszédátviteli követelmények

10 10 Többségében ITU szabvány  De itt csak a lényeg 1. Érthetőség  Elsődleges követelmény: mondatérthetőség: 95-97%  Azaz kb. 60-70% szótagérthetőség  Ez nem elég könnyen mérhető: „műszakibb” követelményekre fordítjuk ezt le  Megj.: „nincs magasan a léc” Beszédátviteli követelmények

11 11 2. Sávszélesség  Emberi fül: max. 20 Hz -- 20 kHz  300 Hz -- 3400 Hz: 99,9% mondatérthetőség ha minden más paraméter tökéletes 3. Csillapítás  miért...  30-40 dB  Szerencsére: a 2/4 huzalos átalakításnál egyébként is fellép csillapítás Beszédátviteli követelmények

12 12 bemeneti teljesítmény: P 1 ki meneti teljesítmény: P 2 csillapítás (a): erősítés (A): megj.: elektronikában: P=U 2 /R (U: effektív érték) ekkor ha R 1 =R 2 : dB: dimenzió nélküli szám, csak jelölés (mint a rad) Kitérő: decibel

13 13 4. Csillapításingadozás  csillapítás változása a frekvencia fv-ében  referencia fr.: 1020 Hz Beszédátviteli követelmények

14 14 5. Jel/zaj viszony  hasznos jel teljesítménye / zaj teljesítménye  nem érthető zaj: min. 10-20 dB  érthető zaj: min 25-30 dB áthallás visszhang Beszédátviteli követelmények

15 15 6. Késleltetés  szájtól fülig / egyirányú késleltetés  összetevők: terjedési idő eszközök késleltetése  limit: 250 ms GEO műholdaknál csak a terjedési idő 240-280 ms! lehet azért ilyenkor beszélni, csak lassan, megvárva a másik felet  de: visszhang! visszhang keletkezik a vevőnél ez adott késleltetés felett zavaró a határ: 12,5 ms felette: visszhangelnyomás (lásd korábban) visszhangos kapcsolaton nagyon kellemetlen beszélni Beszédátviteli követelmények

16 16 7. Késleltetés ingadozása  (jitter, delay variation)  frekvencia szerint: magasabb hangok késleltetése kisebb régen volt tipikus sáv közepén +-30 ms, sáv szélén +-60 ms  idő szerint (egy adott frekvencián): +-30 ms Beszédátviteli követelmények

17 17 8. Fázistolás  Kis „Jelek és rendszerek” ismétlés: lineáris, invariáns, stabilis átviteli rendszerek h(t): válasz a Dirac-impulzusra H(jω): átviteli karakterisztika  ω: körfrekvencia, ν: frekvencia; ω=2πν S gerjesztésre válasz: Y(jω)= H(jω) S(jω) Amplitúdókarakterisztika: Fáziskarakterisztika:  Megj.: Periodikus jelekre: a ki és bemeneti fázisok különbsége a frekv. fv-ében  -1-szeres: így egyszerűbb Tehát: Def. csoportfutási idő: Megj.: 3. 4.: csillapítás, csill. ingadozás: amplitúdókarakterisztika (reciprokának) jellemzői Beszédátviteli követelmények

18 18 8. Fázistolás  Nézzük most a fáziskarakterisztikát!  Alakhű átvitel: ki és bemeneti jelalak azonos T késleltetés, és A-szoros erősítés megengedett és (időeltolási tétel): ekkor: Beszédátviteli követelmények

19 19 8. Fázistolás  Alakhű átvitel: ekkor: azaz a fáziskarakterisztika lineáris a csoportfutási idő konstans, és =T  Hasonló karakterisztika megvalósítása a cél de: az emberi fül a fázistolásra nem, csak annak körfrekvencia szerinti a deriváltjára, azaz a csoportfutási időre érzékeny Beszédátviteli követelmények fázistolás alakhű átvitelnél

20 20 8. Fázistolás  Az emberi fül a fázistolásra nem, csak annak körfrekvencia szerinti a deriváltjára, azaz a csoportfutási időre érzékeny Eltolhatjuk az ún. nullfrekvenciás fázistolással (φ 0 ) a görbét Csak az átvitt sávban kell lineáris karakterisztika Beszédátviteli követelmények Fázistolás távbeszélő-hálózatokban (a szemléletesség kedvéért a vízszintes tengelyen most a frekvenciát, és nem a körfrekvenciát ábrázoltuk)

21 21 8. Fázistolás  Bár nem alakhű átvitel, a görbe meredeksége (csoportfutási idő) megadja a beszédinformáció késleltetését (6. pont)  Ennek ingadozása a frekvenciafüggő késleltetésingadozás (7. pont) Beszédátvitel: csoportfutási időt specifikálják Adatátvitel: a fázistolás változását specifikálják Beszédátviteli követelmények

22 22 9. Frekvenciaeltolási hiba  = additív frekvenciahiba  a jel spektrumának eltolódása  beszédátvitel: +-20 Hz  adatátvitel (külön specifikálva!): +-7 Hz  Főleg FDM rendszerekben Beszédátviteli követelmények

23 23 10. Multiplikatív frekvenciahiba  megfelelő, ha: Beszédátviteli követelmények

24 24 11. Nemlineáris torzítás  kimeneti és bemeneti jel erőssége nem konstansszoros (nem alakhű átvitel)  tipikusan:  Mérőszáma: teljes harmonikus torzítás (THD, Total Harmonic Distortion) Beszédátviteli követelmények

25 25 11. Nemlineáris torzítás teljes harmonikus torzítás def:  bemenetre: max. amplitúdójú szinuszos jel  kimenet torzított, összetevőire bontjuk (Fourier sor) Alapharmonikus: A 0 Felharmonikusok: A 1, A 2,...  Ekkor:  Távbeszélő hálózatokban: THD max. 10% (régen: 30%) Megj: Hi-Fi: ugyanez, ott 0,5-1% a jó függ az erősítéstől is: pl. 100 W-os erősítő 10W-on kevésbé torzít, mint egy 10-15 W-os Beszédátviteli követelmények

26 26 Jelátviteli és forgalmi követelmények  Információtípusok, jelek és hálózatok  Beszédátviteli követelmények  Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése  Beszédkódolók  Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése

27 27 Cél: hálózat méretezése Pl. 10 000 előfizető  10 000 ák. kapacitású központ Cél pontosabban: legkevesebb hány ák. kell, hogy a blokkolás adott érték alatt maradjon? Ehhez kell: forgalmi statisztikák  pl. az előfizetők mikor, milyen gyakran, milyen hosszan beszélnek Ld. Tömegkiszolgálás c. tárgy  Itt most csak egy kis áttekintés, a paraméterek megadása, végeredmény megcsillantása

28 28 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Ehhez két leíró:  X(t) -- [0,t] intervallumban beérkezett hívások száma  Y(t) -- hívások tartásideje feltételek:  független az előző kimenetelektől (OK),  és a felhasználótól (!).  Az időtől függhet. Ekkor elvileg végtelen kapacitású rendszer esetén kiszámíthatóak minden időben a forgalom (fennálló hívások száma) leírói.  (végtelen kapacitás: gyakorlatban a felhasználók száma felső korlát) De ez túl nehéz, és nincs is rá szükség!

29 29 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Ugyanis a tapasztalat a forgalomról:  X(t) növekménye napjában kétszer stacionárius Bár egy „két púpú” görbe valószínű jobb modell lenne az ebédszünet figyelembe vételével  Ráadásul az egyik a max. forgalmú időszak -- amúgy is erre méretezünk  Erre az időszakra mondhatjuk, hogy a tartásidő eloszlása is független az időtől (azonos)

30 30 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Ekkor jelentősen egyszerűsödik a modell:  X(t) -- Poisson folyamat. Várható érték=param.= λ λ -- hívásgyakoriság [1/óra]  Y(t) = Y -- exp. eloszlás. Várható érték=1/param.= h h -- átlagos tartásidő [perc] (!)  A -- forgalomintenzitás A [1], de szokás Erl -lel (Erlang) jelölni Pl: egyéni előfizető  λ = 3 [1/óra]  h = 3 [perc]  A = 3 [1/óra]* 0.05 [óra] = 0,15 [Erl] Pl: 10 000 vonalas központ  λ = 20 000 [1/óra]  h = 3 [perc]  A = 20 000 [1/óra]* 0.05 [óra] = 1000 [Erl]

31 31 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Innen: „legkevesebb hány ák. kell, hogy a blokkolás adott érték alatt maradjon?” Erlang B képlete  P(n) -- mind az n vonal foglalt lesz:  ez veszteséges rendszerre jó. Sorbanállásosra Erlang C -- bonyolultabb. Agner Krarup Erlang 1878 - 1929 dán matematikus, a forgalomelmélet megalapozója (A képlet egy 1917-es publikációjában jelent meg.)

32 32 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Pl.: 3 alkalmazott egy irodában, mindegyik óránként átlagosan 3-szor 3 percet beszél. Kérdés: hány vonal kell a max. 5%-os blokkoláshoz? (1? 2? 3??) A válasz: λ = 3*3 [1/óra] h = 3 [perc] A = 3*3 [1/óra]* 0.05 [óra] = 0,45 [Erl] P(1)=31% P(2)=6,5% (sok!) ( P(3)=1%, ez modellezési hiba, hiszen: P(3)=0) azaz három vonal kell (!!) Pl. 1000 előfizető n vonalon: λ = 1000*3 [1/óra] h = 3 [perc] A = 1000*3 [1/óra]* 0.05 [óra] = 150 [Erl] Ekkor: Nagy előfiz. számra az elfogadható n A-hoz konvergál

33 33 Jelátviteli és forgalmi követelmények  Információtípusok, jelek és hálózatok  Beszédátviteli követelmények  Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése  Beszédkódolók  Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Beszédkódolók

34 34 Beszéd digitalizálása: kodek (KÓdoló, DEKódoló), codec (COder, DECoder)  Megj.: általában a kodek A/D -D/A átalakító, lehet pl. filmhez is  Mi most csak beszédkódolókkal foglalkozunk Kodek: főleg fekete doboz (black box) szemlélet most  Bővebb pl. Beszédinformációs rendszerek c. tárgy Beszédkódolók

35 35 Négyhuzalos rendszer:  két érpár  egy érpáron egyirányú jeláramlás Kéthuzalos rendszer  ugyanazon az érpáron kétirányú jeláramlás Kodek mindig négyhuzalos (előző ábra) Kézibeszélő négyhuzalos (értelemszerű) Előfizetői hurok kéthuzalos (így olcsóbb) Központon belüli feldolgozás négyhuzalos (így egyszerűbb) 2/4 huzalos rendszerek

36 36 Kodek jellemzők bitsebesség  2,4 -- 64 kb/s beszédhangminőség  nehéz objektíven mérni  MOS (Mean Opinion Score, átlagolt véleménypontok): 15-40 ember pontoz több mintát, az egészet átlagolják 1: elfogadhatatlan, 2: gyenge, 3: közepes, 4: jó, 5: tökéletes 4 felett: nagyon jónak számít kódolási késleltetés  minél nagyobb időszeletet dolgozunk fel egyszerre, annál jobban tömöríthetünk -- nagyobb késleltetés árán  0,125 – 80 ms komplexitás  főleg mozgó eszközök esetében fontos  mértékegység: MIPS (Million Instructions Per Second, millió utasítás másodpercenként)

37 37 Kodek jellemzők robosztusság  hiba esetén nincs idő újraadásra  rádiós átvitel hibaaránya kb. 10 -3  hibajavító kódolás, FEC (Forward Error Correction, előremenő hibajavítás tandemezhetőség és átkódolhatóság  önmagával vagy más kodekkel egymás után csatolása:  hogy tűri? átlátszóság  DTMF (Dual Tone MultiFrequency, kéthangú többfrekvenciás jelzésátviteli rendszer), adatátvitel lehetséges? adaptivitás  terhelés esetén kisebb jelsebesség  de: hálózat nehezebben tervezhető

38 38 Kódoló típusok Hullámforma kódoló  analóg jel alakjának a megőrzése  jó minőség  nagy sebesség  átlátszóság Vokóder  adó oldalon: beszédből jellemző paraméterek kiszűrése  vevő oldalon: ezek alapján beszéd szintetizálás  kis sebesség  eredetire nem nagyon hasonlító hang Hibrid kódoló  előbbiek keveréke

39 39 Kódoló típusok log!

40 40 Kódoló típusok ADPCM: adaptív differenciális PCM (Adaptive Differential PCM) egymás utáni minták különbségének a kódolása FR: Full Rate, teljes sebességű HR: Half Rate, félsebességű EFR: Enhanced Full Rate, javított teljes sebességű AMR: Adaptive Multirate, adaptív töbsebességű

41 41 Beszéddetektor  (angolul: Voice Activity Detector, VAD) Ha az adott fél épp nem beszél, akkor nem küldünk jelet  csökkenthető a kodek teljesítményfelvétele (mozgó készüléknél jó)  sávszélesség spórolható (ha van statisztikus nyalábolás) Vevő oldalon komfortzaj, hogy ne legyen zavaró a csend Alkalmazás, pl.:  mozgó távbeszélő rendszerek  műholdas rendszerek  VoIP rendszerek  telefon kihangosítók

42 42 Jelátviteli és forgalmi követelmények  Információtípusok, jelek és hálózatok  Beszédátviteli követelmények  Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése  Beszédkódolók  Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

43 43 Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény Alkalmazások, pl.:  e-mail  telefonálás  videotelefonálás  film megnézése valós időben Minőségi paraméterek:  csomagkésleltetés  csomagkésleltetés ingadozása (angolul packet delay variation, vagy packet jitter)  csomagvesztési arány  téves csomagkézbesítési arány  (adatsebesség mennyiségi és nem minőségi paraméter) Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

44 44 Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény  nagyon sok kombináció  legtöbbször nincs is megadva (pl. szabványban) Pár példa:  VoIP csomagkésleltetés: mint PSTN-nél: 250 ms, visszhangtörlés szükséges 12,5 ms felett  VoIP csomagvesztés: kodektől függ, kb. 5-30% a határ  igény szerinti videózás (Video-on-Demand, VoD): késleltetés: akár 5-10 sec. késleltetésingadozás legyen alacsony (puffertől függ) Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

45 45 Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése (továbbiakban TCP/IP-ről beszélünk) Cél: hálózatméretezés tudományos megalapozása Távbeszélő hálózatokénál lényegesen nehezebb, mert:  alkalmazások: sokféle, különféle hálózati igényekkel időben, térben változó összetételű alkalmazás-mix évről évre jelentős változások lehetnek a tipikusan használt alkalmazásokban (nehéz középtávra tervezni) alkalmazások erőforrásigénye is nehezen meghatározható (pl. e- mail hossza bájtban)  elasztikus folyamok pl. FTP, HTTP, e-mail továbbítás a rendelkezésre álló teljes sávszélességet elfoglalják nehezen definiálható az erőforrásigény

46 46 Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése Távbeszélő hálózatokénál lényegesen nehezebb, mert:  nem független források: elasztikus folyamok és a TCP garantálja a teljes sávszélesség kihasználást emiatt blokkolás, különböző források csomagjai versengenek a továbbításért követk.: nem független források Következmények:  Hosszú távú összefüggés (időben távoli értékek is korreláltak)  Önhasonlóság: különböző időskálákon nézve is hasonló forgalmi jelleg (forgalom: bit/s, csomag/s)  Nagy börsztösség, csomósodás  PSTN: n-szeres felhasználó, forgalom átlaga is n-szeres, de szórása -szeres: a forgalom „kisimul”  TCP/IP: a forgalom sokkal lassabban „simul ki”

47 47 Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése Ezek miatt a TCP/IP forgalommodellezés még gyerekcipőben jár  bár vannak bíztató eredmények Akkor hogyan lehet TCP/IP hálózatot méretezni?  tapasztalatok alapján  mérések alapján  túlméretezés (overprovisioning) másik ok a túlméretezés mellett: olcsó a kapacitás, de jelentős a bevétel: nem szabad egy vevőt sem elszalasztani kapacitáshiány miatt