Transmission media and systems (125156)

Transmission media and systems (125156)
Samenvatting van de reader en de artikelen:
-
The paper "Bits, Symbols, Bauds and Bandwidth", IEEE Communications Magazine, April
1998, p. 96.
"Nonlinear distortion", sections 4-9, pages 251-256 uit "Digital and Analog Communication
Systems", sixth edition, L.W. Couch, Prentice Hall, 2001.
"An Introduction to Analog and Digital Communications", by S. Haykin, Wiley, 1989,
section 10.12, pages 588-591.
Tomasi (fourth edition), pages 479(starting from "Bandwidth Considerations of BPSK")512.
Artikelen
“Bits, Symbols, Bauds and Bandwidth”
Bandwidth (Hz):
- 3 dB rule:
- 20 dB rule:
- Bounded spectral density:
De ruimte tussen de hoogste en de laagste frequenties die gebruikt
worden voor een bepaalde toepassing.
De grenzen worden gedefinieerd als punt waar het signaal 3 dB
onder het gemiddelde energie niveau van de passband zakt of onder
de referentie frequentie.
De bandbreedte is de frequentie band die 0.5 % van de signaal
sterkte boven de upper band limit heeft en waar 0.5 % van de signaal
sterkte onder de lower band limit ligt. Dus 99% van energie ligt
binnen de frequentieband.
Overal buiten de frequentieband moet het energie level met een
bepaalde waarde gedaald zijn. (attenuation level: verzwakking).
Nyquist rate / bandwidth: Theoretische error vrije transmissie van 2 bits kan plaats vinden in 1
Hz. Bijvoorbeeld 1000 Hz bandbreedte, dan kunnen we 2000 b/s
halen.
Shanons limit:
C = W log2 ((Pmax - Pnoise)/ Pnoise) of W log2 (1 + S/N)
C = capaciteit (b/s), Pmax = bandbreedte (Hz), Pmax = signal power,
Pnoise = thermal noise power, S/R = Signal to Noise ratio (geen unit)
Deze limiet wordt nooit gehaald vanwege distortion (ruis).
De datarate (b/s) kan worden opgekrikt door het gebruik van complexe modulatie technieken
- Binairy phase-shift keying (BPSK): Bit wordt verzonden wanneer er van bit veranderd
wordt (180° fase verschuiving)
- Quadrature phase-shirt keying (QPSK): Een fase verschuiving representeert twee bits (4
mogelijkheden)
- 8-ary PSK: Een fase verschuiving representeert drie bits (9 mogelijkheden)
Baud: aantal transities per seconde (welke op zich weer een aantal bits representeren)
(FEC = forward error correction)
Er wordt een prijs betaald door het verhogen van het aantal mogelijke fase verschuivingen. De S/R
neemt toe bij een gegeven error performance (Shannons formule). Wanneer we verschuiven van
BPSK naar QPSK heeft dit echter geen gevolgen, om dat een QPSK modulator uit te BPSK
modulators, die 90° van fase verschillen, bestaat.
“Nonlinear distortion”
Naast lineare distorsie produceren versterkers ook niet-lineaire distorsie.
Percentage van Total harmonic distortion: THD(%)


n2
V1
Vn2
x100
(Vn: peak value of the output at the frequency nf0 Hz)
Intermodulation distortion
ratio van gewenste output tot IMD:
RIMD
n
1  d voutput
4  K1 
 
 , K n  
n
n !  dvinput
3  K3 A2 


 vi 0
<Te ernstig artikel>
"An Introduction to Analog and Digital Communications"
Signal energy per bit: P
Eb
 Eb Rb (Eb= energy per bit, Tb= bit duration (s), Rb=1/Tb)
Tb
Average noise power : N0B
S/R
Eb / N 0
B / Rb
Als we deze in combinatie met Shannons formule gebruiken, komen de tot de volgende conclusies:
 Bij M-ary PSK: wanneer we het aantal phase levels (M) laten toenemen, wordt de bandbreedte
efficiëntie verbeterd, maar is er meer energie per bit benodigd (M>4)
 Bij M-ary FSK: wanneer we het aantal frequentie levels laten (M) toenemen is er minder
energie per bit benodigd, maar gaat dit ten koste van de bandbreedte efficiëntie.
“Tomasi”
Bandwidth considerations of BPSK
1
1
BPSK output = cos(2 ( f c  f a )t  cos(2 ( f c  f a )t
2
2
fc= reference carrier frequency, fa= maximum fundamental frequency of binary input (bitrate/2).
The minimum bandwidth (B) necessary to pass M-ary digitally modulated carriers others than FSK:
fb
B
(fb= input bitrate)
log 2 M
Differential phase shift keying (DBPSK): binaire input zit in de verschillen tussen twee signalen.
1 - Standardization bodies
Er zijn verschillende organisaties die zich bezighouden met de standaardisatie van formats, signals
levels en protocollen. De standaarden zorgen er voor dat producten van verschillende fabrikanten
samen kunnen werken.
International Telecommunications Union (ITU):
Gespecialiseerd in telecommunicatie. De geproduceerde standaarden worden recommendations
genoemd. De ITU bestaat uit drie delen:
1) Radio communication (ITU-R)
2) Telecommunication standardization (ITU-T)
3) Telecommunication development (ITU-D)
European Telecommunications Standards Institute (ETSI):
Speelt een grote rol in het ontwikkelen van standaarden op het gebied van telecommunicatie,
broadcasten en informatie technologie. Het doel is om wereldwijde overeenstemming te bereiken in
de vorm van een forum waarin alle spelers bijdragen kunnen leveren. Verantwoordelijke voor de
standaarden van GSM, DECT, TETRA, WLAN enz.
Internet Engineering Task Force (IETF):
Voornamelijk bezig met de standaardisatie van het Internet. De standaarden worden Request for
Comment (RFC) genoemd.
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE):
Wereldwijde professionele vereniging voor elektrotechnische ingenieurs. Publiceert hoogstaande
tijdschriften en bladen en heeft ook een standaardisatie afdeling welke o.a. verantwoordelijk zijn
voor de 802.11 WLAN standaard.
World Radiocommunication Conference (WRC):
Deze conferentie word eens in de twee jaar gehouden om te kijken of het nodig is om de “Radio
Regulations” aan te passen. Aanpassingen worden voorgesteld door de ITU. De regels worden op
lager niveau verder uitgewerkt. In Europa door de ETSI, in Nederland Agentschap Telecom (bijv.
frequentietabellen).
2 - Infrastructure for public networks
Een universeel breedband netwerk dat moderne service ondersteunt moet voldoen aan de volgende
voorwaarden:
1. Optische transmissie tot waar dat mogelijk is
2. Hiërarchisch gestructureerd in lagen
3. Flexibel zijn om op een goede wijze routing te ondersteunen
4. Modulair, uitbreiding per node moet mogelijk zijn
Een voorbeeld van een goed netwerk:
1. Outer core network: knooppunten (grote steden) die met hogesnelheid (Tb/s) cross connected
verbonden zijn
2. Inner core network: ringstructuren bestaand uit switches en ADM’s (100 Gb/s), welke een
bepaalde regio afdekken
Het verschil tussen een cross connection en een switch is de snelheid waarmee men kan switchen.
Een switch is veel sneller in het wisselen. Een cross connection wisselt alleen indien dit
noodzakelijk is door bijvoorbeeld een uitgevallen lijn.
3. Metropolitan network, heeft de zelfde structuur al het inner core netwerk. Dekt een kleinere
regio af en heeft een lagere snelheid (10 Gb/s).
Voor een groot deel bestaan de verbindingen uit glasvezel, de knooppunten zijn meestal
elektronisch, in de toekomst zullen deze vervangen worden door optische routers etc.
4. Acces networks: De connectie tussen de local networks en de metropolian networks.
Verschillende netwerken maken er gebruik van LAN, telefoon, GSM, etc.
5. Local networks
The outer core network:
Hoe kan de grote capaciteit van glasvezel efficiënt worden gebruikt? Drie problemen en hun
oplossingen:
1. elektronische bottleneck: langzame elektrische componenten, convertors. (10 Gb/s)
 Wavelength Division Multiplexing (WDM): meerdere frequenties licht in één glasvezel
 Optical Time Domain Multiplexing (OTDM): time domain multiplexing vindt plaats met
behulp van korte pulsen van een laser met vaste frequentie.
2. loss in glasvezel (verlies in connectors en splices)
 Erbium doped fiber amplifiers (EDFA’s): door een bepaalde energie aan licht toe te voegen
komt een foton in een hoger energie level en kan er gestimuleerde emissie plaatsvinden
waardoor het informatie signaal wordt versterkt.
3. dispersion in glasvezel (hoe hoger de golflengte hoe hoger de dispersion)
 dispersion shifted fibers: iets minder loss tegen hogere prijs.
Omdat erg grote hoeveelheden data vervoert moeten worden kan het best SDH gebruikt worden als
transportmode, vanwege hoge graad van standaardisering, synchronisatie faciliteiten,
administratieve, onderhoud en management ondersteuning functies.
The inner core and metropolian network:
 in deze laag is flexibiliteit belangrijker dan snelheid. Dit kan bereikt worden door het
gebruikt van WDM, wavelength routing en ATM
 ATM is een flexibele transportmode door de fixed size en korte lengte van de cellen, deze
moet echter dus wel gebruikt worden in combinatie met SDH
 Nadeel: het veranderen van header is moeilijk met optische apparatuur
Add drop multiplexer:
 Het toevoegen van golflengtes door signalen te kiezen met behulp van een switch
Door de multiplexers goed te configureren kan er een self-healing ring ontstaan. Er wordt dan
gebruikt gemaakt van een dubbele ring, er wordt gebruik gemaakt van een working fiber en een
protection fiber. Wanneer een link beschadigt, kunnen nog steeds alle nodes bereikt worden dmv de
protection fiber.
Local networks:
 Voor de verschillende toepassingen kunnen verschillende netwerken van toepassing zijn. In
deze laag zullen vooral kosten aspecten meetellen. De prijs van fibers en koperdraad zijn
ongeveer even duur, alleen de optische receivers en transmitters zijn een stuk duurder. Er
zijn verschillende opties
o Koperdraad (coax of twisted pair), ADSL / HDSL verhogen de capaciteit.
o Fiber
 Fiber to the Home
o Tussenvormen (Hybrid)
 Fiber to the curb
 Fiber to the building
o Wireless connections
Het is nog niet duidelijk welk transport format gebruikt wordt voor local access. Mogelijkheden:
 BPON: Broadband passive optical network: gebaseerd op ATM en WDM
 EPON: Ethernet passive optical network: goedkoop, upgradable. Limited range impressed
by the protocol
Mobile networks:
De toegang voor mobiele communicatie kan op hogere lagen liggen in de structuur.
3 - Photonic communication networks
Voor het vast gedeelte van het netwerk in glasvezel het enige medium dat kan voldoen aan de eisen
van de verschillende services: capaciteit, betrouwbaarheid en flexibiliteit.
Fiber consist of:
- Core (higher refractive index)
- Cladding (lower refractive index)
Refractive index profile:
- multimode step index fiber (zie pagina 23)
- multimode graded index fiber
- single mode fiber
Snellius:
n1 sin 1  n2 sin 2
kritische hoek: n1 sin 1  n2
Lichtstralen worden compleet gereflecteerd indien de kritische hoek gepasseerd is. Dit beperkt de
acceptatie van lichtbundels in een fiber.
2
n 
Acceptance angle: (sin 0 )max  n1 1   2 
 n1 
Numerical Aperture: sinus van de kritieke hoek
Voordelen van glasvezel ten opzichte van koperdraad:
- minder losses
- grotere bandbreedte
- Kabels kunnen minder ver gebogen worden
- Geen last van elektromagnetische storing
- Ze produceren geen elektromagnetische storing
- Moeilijker om af te tappen
- Groot potentieel om capaciteit nog verder te vergroten zonder medium te vervangen
f c/
Economische aspecten: Voor een lange tijd was de benodigde rekenkracht een stuk lager dan de
transmissiekosten. Glasvezel heeft hierin verandering gebracht. Door het gebruik van glasvezel in
het backbone netwerk zijn ook de kosten voor de gebruiker gezakt. De transmitters en receivers zijn
wel duur. Daarom wordt voor de last-mile een andere techniek gebruikt.
Drie topologische klassen: (een node bestaat uit switches en multiplexers)
1. point to point link (simplex or duplex)
2. multipoint: one can send to many en maybe they can reply
3. network: any to any is possible
Network generations:
1. first generation:
2. second generation:
geen gebruik van glasvezel
koperdraden vervangen door glasvezel, minder repeaters nodig,
minder kosten. Alle operaties worden nog wel elektrisch uitgevoerd
(switching, multiplexing)
3. third generation:
Operaties worden ook in optische domein gedaan. All optical
communication networks. Er kunnen snel en goedkoop enorme
hoeveelheden data worden verwerkt
Glasvezels geven de mogelijkheid om verschillende transport modes door elkaar heen te gebruiken
door het gebruikt van WDM (IP, ATM, SDH). Elke service krijgt direct toegang tot de glasvezel
met zijn eigen golflengte.
Drie verschillende werelden in telecommunicatie:
- telefoon: gestandaardiseerd betrouwbaar, billing, real-time
- data: minder gestandaardiseerd, geen real-time, gebruikt telefoonnetwerk voor een groot
deel (PSTN)
- CATV: standalone broadband network, geen switching en billing faciliteiten
Het netwerk van de toekomst moet al deze functionaliteiten mogelijk maken door middel van een
Broadband integrated services digital network (BISDN). De onderliggende technologie voor dit
netwerk zal van de derde generatie zijn.
Er wordt overgegaan van een verticale structuur: mobiele netwerk operator, satelliet industrie,
CATV operator, PSTN operator, IT industrie naar een horizontale structuur. Content provider,
service provider, transport provider, access provider, customer.
4 - Optical Time Domain Reflectometry (OTDR)
OTDR meet de verzwakking (power) van een glasvezel voor zijn gehele lengte als een functie van
de lengte langs de glasvezel. Deze methode kan informatie geven over de volgende zaken:
- Toename van loss
- Toename van power loss
- Breekpunt van een fiber
- Identificeren van een glasvezel
- Loss in splices en connectors
- Conditie van de fiber inclusief passieve componenten.
Het werkt op basis van het Rayleigh scattering, toegang vanaf één kant van de glasvezel is
benodigd. Door onperfecte structuur van de microscopisch kleine materiaal structuur van sillica
zorgt ervoor dat een kleine hoeveelheid energie alle kanten op wordt gestraald.
Zie berekeningen blz 38.
Measuring set-up:
Een optische puls wordt door een pulsgenerator opgewekt, gaat door een diode de fiber in, het terug
gekaatste ligt wordt opgevangen door een fotodiode en het signaal wordt verder verwerkt en de
gegevens worden weergegeven op het scherm. Door meerdere metingen te doen, kan ruis worden
uitgefilterd.
Single mode has greater loss than multimode fiber.
5 - Multiplexing
Multiplexing:
het delen van de capaciteit door verschillende gebruikers. Er worden meerdere signalen over het
medium tegelijkertijd verstuurd.
Voordelen:
- Maar één transmissie lijn benodigd
- De host computer heeft maar één i/o port nodig om met meerdere computers te
communiceren
Frequency division multiplexing (FDM):
De signalen worden op carriers met verschillende frequenties gemoduleerd. Deze liggen zover uit
elkaar dat de spectra niet overlappen (radio en tv).
- channel: de ruimte van de bandbreedte die één gemoduleerd signaal inneemt
- guard band: de ruimte tussen de channels, voorkomen overlapping
Problemen:
- Crosstalk, wanneer de spectra overlappen, voorkomen door guard band
- Intermodulation, niet–lineairiteiten (bijv. ruis) in o.a. versterkers zorgen voor 2e en 3e orde
mix producten
Time division multiplexing (TDM):
Er worden tijdsloten toegewezen aan de verschillende signalen, de signalen moeten dus wel
tijdsdiscreet zijn. Voor een bepaalde tijd is het medium geheel tot de beschikking van een signaal
(telefoon netwerk)
Synchronous time division multiplexing:
Aan elk van de signalen wordt een tijdslot toegewezen, tijdens deze periode kan een bit (bit
interleaved) of meerdere bits (byte interleaved) worden verzonden. Deze vaste tijdsperiode
wordt ook wel een frame genoemd. Ook al heeft het signaal op dat moment geen informatie
beschikbaar, de tijd wordt toch voor hem gereserveerd. Per kanaal kunnen meer of minder
tijdsloten worden toegewezen waardoor er kanalen ontstaan met verschillende snelheden.
Voor synchronisatie wordt er tussen elk frame een frame alignment word meegezonden,
welke het begin van het frame aangeeft.
In synchronous TDM worden de sloten op een vaste manier toegewezen aan de verschillende
kanalen, of ze nu informatie te verzenden hebben of niet. FDM heeft zelfde nadeel, de capaciteit
wordt niet volledig benut. Het voordeel is de eenvoudige implementatie.
Asynchronous time division multiplexing:
De tijdsloten worden dynamisch toegewezen, hierdoor kunnen meer kanalen worden
gecreëerd. De signalen die idle zijn worden overgeslagen, er is geen vaste structuur dus,
daarom moet in het frame een adres worden opgenomen. Vooral goed bruikbaar bij packet
switching en een bursty karakter.
Asynchronous onderscheidt zich in frame relay, het aantal achtereenvolgende bytes vanaf de
source is variabel, zo’n set bytes noemen we een packet.
Cell delay is net zoiets, maar dan met een vaste korte packet-length (ATM).
Asynchronous TDM heeft meer overhead dan synchronous TDM. Hierdoor is de capaciteit wel
dynamischer.
Code division multiplexing (CDM): (UMTS)
Elk kanaal is de gehele tijd toegewezen aan de gehele frequentieband. De kanalen worden
onderscheiden door unieke codes waarmee de signalen zijn gemoduleerd. Het data signaal wordt
vermenigvuldigd met het code signaal. Het hoge signaal heeft een hogere chiprate, dan de bitrate
van het informatiesignaal.
-
Robuust tegen intersymbol interference
Voor zover en ortogonal codes sequences beschikbaar zijn is er geen grens op het aantal
gebruikers in een kanaal
Graceful system degradation: kwaliteit van het ontvangen signaal gaat achteruit naarmate er
meer gebruikers zijn vanwege imperfecties in de transmissielijnen en lack of orthogonality
Space division multiplexing: meerdere fibers of koperdraden
Voor duplexing gebruik men ook wel FDD en TDD, maar bovenstaande multiplex methoden
kunnen ook gebruikt worden.
6 - Optical Multiplexing
Wave Division Multiplexing (WDM):
Deze techniek kan twee doelen behartigen:
- Verhogen van de transmissie capaciteit van point-to-point connecties
- Verbeteren van de totale capaciteit en flexibiliteit van optische netwerken
Meerdere lasers gebruikers de zelfde fiber, maar op een verschillende golflengte. Het aantal kanalen
hangt af van de stabiliteit van de lasers, de selectiviteit van de multiplexers en de cross-talk die kan
worden toegelaten.
Optical Time Multiplexing (OTDM):
Laser geeft een puls af die zich verdeelt over verschillende aftakkingen, in elke aftakking wordt een
signaal op de puls gemoduleerd met een bepaalde delay. De aftakkingen komen weer bij elkaar en
door de verschillende delays vallen de pulsen netjes achter elkaar. Vervolgens gaat het signaal door
een versterker (EDFA). Bij aankomst kan een bepaald signaal geselecteerd worden door een
klokpuls te geven die gelijk valt met dat signaal (beïnvloedt de refractive index) (Non-lineair optical
loop mirror) en een andere methode is het gebruik van Semiconductor Optical Amplifiers).
Subcarrier Multiplexing (SCM):
In het elektrische domein wordt elk signaal gemoduleerd met een bepaalde oscillator, waarna ze
door een bandpass filter gaan, de verschillende signalen worden samengevoegd en verzonden met
een laser, opgevangen door een fotodiode. Met een oscillator kan het gewenste signaal er weer
uitgefilterd worden (zelfde frequentie), waarna hij weer door een bandpass filter gaat.
Doordat verschillende carriers gebruikt worden, kunnen analoge en digitale signalen door elkaar
gebruik worden.
SCM heeft de volgende voordelen ten opzichte van WDM:
- Het moduleren, filteren en samenvoegen wordt in de RF regio gedaan. Dit bespaart een hoop
kosten
- De kanalen kunnen dichter bij elkaar liggen omdat de stabiliteit van RF (elektrisch?) tunen
beter dan die van laser tunen
- De tuning speeds van RF delen is veel sneller dan tunable optische filters
- Op RF frequenties is het makkelijk om modulatie formaten als QPSK en MSK te gebruiken,
die de efficiëntie verhogen
Nadelen:
- beperkte dynamische range van lasers en fotodiodes
Optical Code Division Multiplexing (OCDMA):
Het voordeel van CMDA is de flexibiliteit in het aantal kanalen er is geen maximum aantal kanalen
omdat we niet te maken hebben met vast toegewezen kanalen. De restrictie ligt bij het aantal codes,
echter als het aantal gebruikers toeneemt, neemt ook de kwaliteit af. S/N neemt af.
Time coded OCDMA:
De data wordt gemoduleerd en gesplit naar M aantal switches, welke elke een “chip”
veroorzaken. Elke met eigen delay. De verschillende chips vormen samen het gecodeerde
signaal. Het gecodeerde signaal zal alleen ontvangen worden door een receiver met dezelfde
code. Er wordt gebruik gemaakt van orthogonale codes. Omdat optical pulsen geen
negatieve waarde kunnen hebben zijn deze codes niet erg effectief. De chiprate moet dus erg
hoog zijn. Dit brengt veel kosten met zich mee.
Spectral coded OCDMA:
Het spectrum wordt verdeeld in verschillende delen, spectral slices. Deze delen worden
gemarkeerd, wat de code bepaalt. Sommige subbands worden geblokkeerd en andere niet,
afhankelijk van de code. De maskering bepaalt de code. De subbands worden
samengenomen in een optische transmissie. De maskering bepaalt bij de ontvanger wat voor
hem bedoeld is.
Voordeel, circuits opereren op de snelheid van de informatie rate, de codes kunnen
elektrisch worden geconfigureerd. Het coderen van de fase brengt complexe optische
circuits met zich mee, wat het minder bruikbaar maakt.
Wavelength-hopped OCDMA:
Alle gebruikers maken gebruik van het zelfde spectrum, de kanalen worden gecodeerd door
het te wisselen van golflengte volgens een bepaalde code. (hopping patterns). De code moet
zo bedacht zijn dat niemand tegelijkertijd dezelfde frequentie gebruikt (orthogonal optical
codes).
Nadeel
De verzender en ontvanger moeten vrij complex zijn om ze in staat moeten zijn snel te
wisselen van frequentie. Ontvangers moeten verschillende golflengten tegelijkertijd
ontvangen en kunnen verwerken. De snelheid van de switches moet veel sneller zijn dan die
van de bitrate.
Coherence Multiplexing:
Er wordt gebruikt gemaakt van de randomness van de lichtbron. Dit kan niet gereproduceerd
worden. Daarom worden er twee signalen gestuurd, het gemoduleerde signaal en het
ongemoduleerde (vertraagde) signaal. Deze worden bij ontvangst gemixt om de informatie
te achterhalen. Dit kan alleen als de twee golven voldoende gecorreleerd zijn. Drie
verschillende paden kunnen worden gebruik, delay is 0 (gemoduleerde signalen), delay = T.
Eerste ongemoduleerde signaal, delay = 2T, 2e ongemoduleerde signaal (verschillende
signalen). Door bij ontvangst weer een bepaalde delay in te voeren kan een signaal eruit
gefilterd worden.
Voordelen:
simpele optische middelen (goedkoop)
de kanalen worden optisch gecreëerd
Nadeel:
Geen toename in snelheid
7 - ISDN
Digital transmission heeft vele voordelen boven analoog:
- betrouwbaarheid
- kwaliteit
- flexibiliteit
- management
ISDN heeft in het lokale gedeelte analoge lijnen vervangen met digitale lijnen.
Two types of ISDN:
- narrowband N-ISDN (rest van het hoofdstuk gaat hierover)
- broadband B-ISDN
De bedoeling was om ISDN ook toe te passen in de hogere lagen, maar opkomst van SDH en ATM
heeft dit voorkomen (B-ISDN).
Het ontwerp is gebaseerd op de volgende startpunten:
- ondersteuning van data en voice diensten
- ondersteuning voor circuit switched en packet switched diensten
- een basis rate of 64 kb/s (meest geschikt voor digitale voice transmissie)
- een gelaagd protocol zoals het OSI-protocol stack model
- meerdere configuraties in het fysieke level
Omdat 64 kb/s voor sommige applicaties te laag is zijn er verschillende kanalen gedefinieerd.
B-channel: 64 kb/s
Basis kanaal voor de gebruiker, drie soorten connecties kunnen worden opgezet: circuit, packet
switched of een semi-permanente verbinding (leased line).
D-channel: 16 of 64 kb/s
Signaling informatie (bijv. call-setup)
H-channel: 384 (H0), 1536 (H11) of 1920 kb/s (H12)
High rate transport of user information, video, high speed Internet
De verschillende kanalen worden aangeboden in een service package:
1. basis service B+B+D, thuis gebruikers
2. primary service: 23 B+1D of 30B+1D, kantoor gebouwen. Er kunnen ook H channels
opgenomen worden.
User access scheme:
Voor de standaardisatie zijn groepen van apparatuur gedefinieerd samen met referentie punten,
waarvoor interfaces zijn ontworpen. Zo kan er apparatuur van verschillende fabrikanten gebruikt
worden. Voor de basis service is men verbonden aan het netwerk via twisted pair (2 kabels), deze
mag niet langer zijn dan 6 km. Men is verbonden 160 kb/s omdat de netwerk operator nog 12 kb/s
nodig heeft voor timing en framing en 4 kb/s voor administratie en management. De gebruiker is
verbonden via de U-interface. Hier komt men bij de transceiver (NT1) die het netwerk afschermt
voor de gebruiker. Daarna gaan er 2 twisted pairs verder (4 lijnen), één voor verzenden en één voor
ontvangen. Dan komt men bij de S/T interface welke het mogelijk maakt apparatuur aan te sluiten.
Via een terminal adapter kunnen ook niet-ISDN apparaten worden aangesloten.
Tussen de S en T interface kan ook nog een NT2 zitten welke protocollen heeft voor het clusteren
van apparatuur of als toegangspunt van een LAN netwerk.
8 - ADSL
De vraag naar nog snellere services neemt toe, FTTH is een mogelijkheid maar de elektro-optische
onderdelen zijn te duur en op de meeste plekken ligt alleen koperdraad naar de huizen. De publieke
netwerken worden minder gebruikt voor voice transmissie en steeds meer voor data. Met nieuwe
technieken kan de transmissiecapaciteit van koperdraad beter worden gebruikt. ASDL maakt
snellere toegang via de bestaande koperdraden mogelijk.
De verzwakking (attenuation) neemt toe wanneer de frequentie toeneemt (skin-effect). Baseband
signalling is onmogelijk door de intersymbol interference (Wanneer we hoge snelheden willen
behalen). Om de maximale capaciteit zo veel mogelijk te benutten moet de verspreide energie zo
zorgvuldig mogelijk worden verspreid. Hierbij maken we gebruik van het water-pouring principle
dat voortkomt uit Shannons theorem.
The water-pouring principle:
Bij een gegeven kanaal met bandbreedte B, is het de vraag hoe we de transmissie capaciteit zo hoog
mogelijk kunnen maken. De frequentieband wordt in oneindig kleine delen opgedeeld en er wordt
gekeken welke waarde P heeft voor een klein deeltje.
De totale signal power wordt gegoten in een badkuip die gevormd wordt door de functie (N(f) / |
H(f)^2|) of te wel frequency dependent noise spectral density/ transfer function^2 . het uiteindelijk
behaalde level bepaalt de bandbreedte en de diepte representeert de spectral density of the
transmitted power at that frequency.
De uitkomsten zijn, dat er weinig energie moet worden besteed aan de kanalen die in de regio’s
zitten die slecht tegen ruis kunnen, en er veel energie gestopt moeten worden in de kanalen die
weinig last hebben van ruis.
Orthogonal frequency division multiplexing:
Het water-pouring principe kan gerealiseerd worden door een groot aantal kleine kanalen te
gebruiken. Het verdelen van de data over de verschillende kanalen wordt gedaan door OFDM.
Pulse distortion:
Hoe kunnen we intersymbol interference tegengaan? Equalization is mogelijk, maar niet praktisch
omdat het op elk kanaal moet worden toegepast, erg duur dus. Een effectieve manier is het
toevoegen van dummy samples (meerdere) aan het begin van een symbol pulse bij het verzenden,
en deze bij het ontvangen weer weg te halen.
Implemetation of ASDL:
ASDL gebruikt een packet switched technologie (always-on).
Doel:
- gebruiker paar 100 kb/s upstream en paar Mb/s downstream aanbieden
- telefoonlijn voor spraakcommunicatie niet blokkeren
Een deel van de (lagere) frequentieband wordt afgesplitst voor spraakcommunicatie (telefoon).
Deze band kan ook wat breder gelaten worden om ISDN mogelijk te maken. Daarna komt een deel
wat niet gebruikt wordt, waarna de upstream en de downstream band voor ASDL volgt.
Als eerste wordt de data gecodeerd, daarna worden de data parallel verdeeld en verdeeld over de
verschillende frequentiekanalen volgens het principe van OFDM en water-pouring. De output wordt
via een DAC op de lijn gezet. Verschillende frequenties worden vrijgelaten voor telefoonverkeer en
upstream traffic. Bij aankomst ADC, en worden de kanalen weer gescheiden en de data
gedecodeerd.
9 - Digital transport modes
In dit hoofdstuk bespreken we twee belangrijke multiplex formats (TDM hierarchies) die worden
toegepast in het PSTN: Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) en Synchronous Digital Hierarchy
(SDH). Beide zijn ontworpen voor transmissie via het fysieke medium (koper of glas) van
verschillende 64 kb/s datachannels, primary service ISDN channels en high bit-rate channels in het
core network.
Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH):
Pleisopchronous: bijna synchroon, verschillende datastreams mogen iets verschil in data rate
hebben, binnen de voorgeschreven waarden. Dit wordt opgelost door bit-stuffing. En een veld dat
aangeeft of ze gebruikt worden of niet.
Nadelen:
- De verschillende datastreams kunnen niet herkent worden in de gemultiplexte datastream
- Om een signaal eruit te halen, moet het gehele signaal gedemultiplext en gedestuffed
worden tot het laagste multiplex level. De rest moet weer opnieuw gemultiplext worden. Dit
moet vanwege het toevoegen van control en stuffing bits
- Op verschillende multiplex levels worden verschillende frame structuren gebruikt
- Network management is beperkt omdat er maar een paar bits voor zijn gereserveerd
- Vele verschillende formaten worden gebruik en weinig zijn er gestandaardiseerd
SDH is de opvolger van PDH.
Synchonous Digital Hierarchy (SDH):
Helaas is SDH geen wereldwijde standaard, maar de US-version SONET lijkt er erg op en daarom
is conversie erg gemakkelijk.
Features:
- Door de standaard kunnen uniforme netwerken worden gemaakt, waarin apparatuur van
verschillende fabrikanten kan samenwerken
- Levels of SDH bitrate N x 155.52 Mb/s. Standards for N=1,4,16,64 en 256. Later ook SDH0 51.84 Mb/s ingevoerd voor SONET compabiliteit
- Byte interleaving (PDH bit)
- Het direct selecteren en toevoegen van signalen in mogelijk. Daarom kunnen er eenvoudige
netwerkcomponenten gebruikt worden en zijn de netwerken flexibeler (routing)
- 3% van de frame bytes is gereserveerd voor network management
- Andere formaten kunnen worden ingesloten in SDH
- Op een efficiënte manier kunnen hoge snelheids netwerken worden geïmplementeerd (fiber)
Frame structuur:
Frame bestaat uit 270 kolommen waarvan er 9 zijn gereserveerd voor overhead
- Frame alignement word (unscrambled)
- Parity checks
- Administration and management bytes, the pointers
RSOH: regenerator section overhead, door repeaters wordt alleen deze ingelezen
MSOH: multiplex section overhead, wordt gebruikt door multiplex apparatuur
De overhead sections verzamelen informatie over de status van het netwerk, welke gebruikt kan
worden in switching centers. Daarnaast zit er nog een 192 kb/s data channel in welke informatie
uitwisselt tussen repeaters, een 576 kb/s data channel voor het uitwisselen van informatie tussen de
multiplex secties en een 64 kb/s voice channnel voor communicatie tussen de netwerk operators.
Identification bytes, error monitoring bytes, alarms bytes and some (yet) unused bytes. Het gehele
frame (behalve de eerste rij met FAW) wordt gescrambled om er voor te zorgen dat er genoeg
transities in het signaal zijn om DC balance te behouden.
Multiplexing method at STM-1 level:
Een virtual container (VC) bestaat uit de informatie van de gebruiker en de bijbehorende path
informtion. VC’s zijn verdeeld in verschillende ordes. VC 3,4 hogere orde. VC 12,2 lagere orde.
Sommige containers zijn speciaal voor de encapsulatie van PDH en ISDN frames (o.a. door fixed
stuffing toe te voegen).
Tribary unit geeft de relatieve van de lagere orde container in vergelijking tot de hogere orde
conainter
Tributary unit group: regelt de verschillende TU’s
Aministrative unit: geeft de verschuiving van het startpunt van de hogere orde VC aan in relatie tot
het reference point van de STM-1 payload
AUG, een groep AU’s
Lager orde VC moeten worden opgenomen in een hogere orde VC. Ze bestaan uit drie delen:
payload, overhead en een pointer.
Pointers ondersteunen het variëren van de snelheid. De frames behouden hun karakter, maar de
payload kan verdeeld worden over de verschillende frames.
Als de klok van een inkomend signaal sneller loopt dan die van SDH multiplexer dan moet dit
worden gecorrigeerd. Er kunnen drie extra bytes in de pointers section worden opgenomen, of er
worden dummy bytes ingevoegd in de payload.
Asynchronous Tranfer Mode (ATM):
Is een asynchroon time domain multiplex format. ATM heft een korte vaste lengte van de packets.
De bits worden synchroon verzonden, maar de cell worden asynchroon gevuld (asynchronous
multiplexing), connection oriented. Over de header zit CRC. Voor lange afstand transmissies (lang
haul) worden de ATM cells vaak opgenomen in SDH voor het toevoegen van synchronisatie en
management. In locale netwerken is dit niet nodig. Daarom zijn er twee fysieke interfaces:
- SDH based interface
- Cell-based interface
Voor beide zijn twee bitrate gestandaardiseerd. 155.52 Mb/s en 622.08 Mb/s, hetzelfde als de SDH
standaard. Er zijn ook lagere bitrates welke compatibel zijn met eerder genoemd formaten. Beide
formaten passen perfect in SDH. Hiervoor worden de ATM cells gewoon achter elkaar opgenomen
in een VC. Ze mogen de container overschrijven, de CRC zal dit detecteren.
IP over SDH:
Aangezien IP het protocol is dat gebruikt wordt in het Internet, en deze informatie wordt verstuurd
gebruik makend van het PSTN, moet IP over SDH kunnen. ATM kan als tussenlaag gebruikt
worden, maar directe implementatie in SDH is veel effectiever. Voor het transport van IP over SDH
zijn twee methoden gestandaardiseerd. De eerste methode maakt gebruik van:
Point to Point protocol:
Is een link protocol dat verschillende netwerk laag protocollen ondersteunt. Het is ontworpen om
packets te transporten tussen twee punten (full-duplex). Synchroon (SDH) en asynchroon.
Toegepast in een High-Level Data Link Control frame.
Tweede methode: Laps
10 - Mobile systems
Paging systems:
Send a short message to subscribers. Dit kunnen korte tekst of spraak berichten zijn. Tegenwoordig
worden ze gebruikt om nieuws, stock informatie of verkeersinformatie te versturen. De systemen
kunnen gebouwen tot de hele wereld afdekken. SMS heeft dit voor een groot deel vervangen.
Cellular systems:
Door een groot aantal base stations te gebruiken welke elke een kleine regio afdekken, daardoor
kunnen de frequenties hergebruikt worden in anders cellen. Allemaal vrij duidelijk. Er wordt
automatisch overgeschakeld van cell: handover.
Network extensions
Wireless LAN’s
Ad hoc systems
Satellite systems
Zie dictaat verder …