23. Távközlő Hálózatok előadás nov. 30. Erlang

2 1 Az információközlő hálózatok alapismeretei 2 Az információközlő hálózati technológiák áttekintése 3 Távközlő hálózati technológiák 4 Szemelvények a fizikai rétegből 5 Jelátviteli és forgalmi követelmények 5.1 Információtípusok, jelek és hálózatok 5.2 Beszédátviteli követelmények 5.3 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése 5.4 Beszédkódolók 5.5 Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Beszédátviteli követelmények

3 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

4 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

5 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

6 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)

7 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

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

9 10. Multiplikatív frekvenciahiba megfelelő, ha: Beszédátviteli követelmények

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

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 W-os Beszédátviteli követelmények

12 1 Az információközlő hálózatok alapismeretei 2 Az információközlő hálózati technológiák áttekintése 3 Távközlő hálózati technológiák 4 Szemelvények a fizikai rétegből 5 Jelátviteli és forgalmi követelmények 5.1 Információtípusok, jelek és hálózatok 5.2 Beszédátviteli követelmények 5.3 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése 5.4 Beszédkódolók 5.5 Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése

13 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése Cél: hálózat méretezése Pl előfizető  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

14 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!

15 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)

16 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: vonalas központ λ = [1/óra] h = 3 [perc] A = [1/óra]* 0.05 [óra] = 1000 [Erl]

17 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 dán matematikus, a forgalomelmélet megalapozója (A képlet egy 1917-es publikációjában jelent meg.)

18 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 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

19 1 Az információközlő hálózatok alapismeretei 2 Az információközlő hálózati technológiák áttekintése 3 Távközlő hálózati technológiák 4 Szemelvények a fizikai rétegből 5 Jelátviteli és forgalmi követelmények 5.1 Információtípusok, jelek és hálózatok 5.2 Beszédátviteli követelmények 5.3 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése 5.4 Beszédkódolók 5.5 Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Beszédkódolók

20 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

21 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 (ismétlés)

22 Kodek jellemzők bitsebesség 2, kb/s beszédhangminőség nehéz objektíven mérni MOS (Mean Opinion Score, átlagolt véleménypontok): 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)

23 Kodek jellemzők robosztusság hiba esetén nincs idő újraadásra rádiós átvitel hibaaránya kb 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

24 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

25 Kódoló típusok log!

26 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

27 Beszéddetektor (angolul: Voice Activity Detector, VAD) (volt már erről is szó) 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

28 1 Az információközlő hálózatok alapismeretei 2 Az információközlő hálózati technológiák áttekintése 3 Távközlő hálózati technológiák 4 Szemelvények a fizikai rétegből 5 Jelátviteli és forgalmi követelmények 5.1 Információtípusok, jelek és hálózatok 5.2 Beszédátviteli követelmények 5.3 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése 5.4 Beszédkódolók 5.5 Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

29 Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény Alkalmazások, pl.: 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

30 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

31 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. hossza bájtban) elasztikus folyamok pl. FTP, HTTP, továbbítás a rendelkezésre álló teljes sávszélességet elfoglalják nehezen definiálható az erőforrásigény

32 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”

33 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