Grundlagen der Kommunikationstechnik

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Grundlagen der Kommunikationstechnik
Grundlagen der
Kommunikationstechnik
2 Systemsicht
© Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler
Fakultät Elektro- und Informationstechnik
https://www.telecom.hs-mittweida.de
[email protected]
GRKT
1 ÜberSicht
GRKT
2 SystemSicht
GRKT
3 OSI-Sicht
GRKT
4 SignalSicht
2013-08
Ziel und Inhalt der Vorlesung

Ziel:

Inhalt:
Betrachtung wesentlicher Systemaspekte und einer generischen Architektur für TKSysteme. Überblick zu wichtigen Telekommunikationssystemen, deren konkrete
Architektur und Funktionsweise sowie die Dienste, die darüber abgewickelt werden.

Systemaspekte von TK-Systemen ……………….………………………………......….…..…. 3














Geografische Ausdehnung ……………………………………………………………………..…………. 5
Dienste (Tele-, Bearer-, Supplentary-Services) ……………………………………………..…….……. 6
Topologien ………………………………………………………………………………………..….……… 10
WAN-Nachrichtentransport und Routing …..……………………………………………..…………….. 19
WAN-Architekturprinzip …………………………………………………………...………...……….…….. 39
Übertragungsnetze: PDH, SDH, Leased Lines ..........................................................................44
Fernsprechnetz: Prinzip, Adressierung, Architektur, Dienste, DSL.................................................. 56
Funknetze: Übersicht, Generationen, Adressierung, ................................................................... 69
2G-/2,5G-Funknetze: GSM/GPRS Prinzip, Adressierung, Architektur, Dienste ……................... 73
3G-Funknetze: UMTS/HSPA Prinzip, Architektur, Dienste ......................................................... 83
3,9G-Funknetze: LTE Prinzip, Architektur, Dienste ................................................................... 91
4G-Funknetze: LTE Advanced Prinzip, Architektur, Dienste ..................................................... 102
Internet.................................................................................................................................. 108
Global information infrastructure: Prinzip ..............................................................................117
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2
Systemaspekte von Kommunikationssystemen
 Telekommunikation ist Kommunikation, wo zur Distanz-Überwindung
technische Hilfsmittel genutzt werden.
– Endgeräte wandeln, senden|empfangen Nachrichten.
– Endgeräte und Telekommunikationsnetz erlauben die Herstellung von
Assoziationen zwischen Nutzern mittels Signalgabe.
 TK-Netz ist Transportsystem für Nachrichten (u.U. gesteuert durch Signalgabe).
 TK-System = Endgeräte + TK-Netz
TK-Systeme
Nutzer
Endgeräte
Mensch
Anwendungsteil
Kommunikationsteil
Maschine
Anwendungsteil
Kommunikationsteil
Nachrichten
Signalgabe
TK-Netz
Endgeräte
TeleKommunikationsnetz
(communication
network)
Nachrichtentransformation und -transport
Herstellen von Assoziationen
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Nutzer
Anwendungsteil
Kommunikationsteil
Maschine
Anwendungsteil
Kommunikationsteil
Mensch
Nachrichten
Signalgabe
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Systemaspekte von TK-Systemen
 In diesem Script sollen insbesondere Systemaspekte von Wide Area
Networks (WAN) betrachtet werden.
 Dies sind:
Geografische
Ausdehnung
PAN
Dienste
Teledienste
LAN
MAN
WAN
GAN
Topologie
Nachrichtentransport
Architektur
Graph
Leitungs- bzw.
Kanalvermittelt
Endgeräte
Paketvermittelt
Zugangsnetz
Ring
Übertragungsdienste
Stern
Zusatzdienste
Baum
Bus
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Netzabschluss
Kernnetz
Zellvermittelt
Übertragungsnetz
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Geografische Ausdehnung
 GAN (global area network),
– Internet, internationales Fernsprechnetz bzw. Funknetz
 WAN (wide area network)
– Nationale Internets, Fernsprechnetze und Funknetze
 MAN (metropolitian are network)
– Regionalnetze, Stadtnetze
 LAN (local area network)
– Rechnervernetzung über Hub, Switch
 PAN (personal area network)
– Vernetzung von Komponenten
(PC mit Tastatur, Drucker, Maus )
 Bei Wireless-Technologien: WGAN, WWAN, WMAN, WLAN, WPAN
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Dienste: Übersicht
 Der Begriff "Dienste" (services), wird sehr häufig in der KT verwendet.
 In KT 3 werden OSI-Schicht-Dienste besprochen.
 Hier aber folgende:
Teledienste
Übertragungsdienste
Zusatzdienste
(teleservices)
(bearer services)
(supplementary services)
Fernsprechen
WWW
E-Mail
Leitungs- bzw.
kanalvermittelt
(circuit switched, cs)
Paketvermittelt
Faksimile
(packet switched, ps)
Filetransfer
Festgeschaltet
(leased lines, ll)
Rückfrage
Konferenz
Makeln
Rückruf wenn frei
Weiterleitung
Gebührenanzeige
Lesebestätigung
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Dienste: Telekommunikationsdienste
 Telekommunikationsdienste (teleservices) sind das, was Nutzer oder
Anwendungen tun, z.B.:
– Telefonie, Video-Telefonie,
– Faksimile,
– WWW, E-Mail, Voice-over-IP, FTP usw.
 Sie sind (waren) oft ein bestimmtes Netz gebunden:
– Fernsprechnetz: Telefonie, Fax, DÜ mittels Modem
– Funknetz: Telefonie, SMS
– Internet: WWW, E-Mail, FTP
 Können auch über verschiedene Netze ermöglicht werden, z.B.
Fernsprechen über:
– analoges Fernsprechnetz, ISDN,
– Funknetze,
– Internetz.
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Dienste: Übertragungsdienste
 Übertragungsdienste (bearer services):
– sind Voraussetzung für Tele- und Supplementary Services,
– ermöglichen den Transport von Nachrichten über Netze,
– müssen vor der eigentlichen Kommunikation errichtet bzw. assoziiert werden.
 Es gibt drei grundlegende Typen:
– Leitungs-, kanalvermittelt
(circuit switched - cs)
• Bandbegrenzter Kanal (z.B. 0,3 bis 3,4 kHz) analoges Fernsprechnetz
• 64 kbit/s restricted/unrestricted  ISDN - Integrated Services Digital Network
– Paketvermittelt
(packet switched - ps)
• Verbindungslos (connectionless – ps-cl)
• Verbindungsorientiert (connection oriented – ps-co)
• Zellen- oder Rahmenübertragung (cell-, frame relay)
– Festverbindungen
(leased lines)
• Exklusiv, zeitlich unbegrenzt,
• Virtuell, Zuweisung der Übertragungskapazität bei Bedarf
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Dienste: Zusatzdienste , Dienste-Zusammenhang
 Zusatzdienste (supplementary services):
– Ergänzen Teleservices bezüglich deren Benutzbarkeit usw.
– Für fast alle Teledienste existieren Zusatzdienste:
• Telefonie: Rückfrage, Makeln, Konferenz, Rufweiterleitung, …
• E-Mail: Weiterleitung, Lesebestätigung, …
• WWW: 301 Moved Permanently, …

Dienste-Zusammenhang:



Teleservices
nutzen einen geeigneten
Bearer service und
werden nutzbarer durch
Supplementary services.
z.B. Teleservice Telefonie
Bearer
service cs
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Bearer
service ps
Rückfrage,
Rückruf wenn frei,
Weiterleitung …
…
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Topologien: Übersicht
 TK-Systeme bestehen aus End- und Netzeinrichtungen.
 Diese sollen hier als Knoten bezeichnet werden.
 Netztopologie ist die Signalübertragungsstruktur zwischen:
– Endeinrichtungen untereinander,
– Endeinrichtungen und Netzeinrichtung,
– Netzeinrichtung und Netzeinrichtung.
 Letztere bezeichnet man auch als Backbone.
 Dominierende Topologien sind: Graph, Ring, Stern, Bus, Baum.
 In größeren Netzen dominieren Mischstrukturen, die sich aus geografischen
und/oder organisatorischen Bedingungen ergeben.
 Unterscheidung zwischen physikalischer und logischer Topologie.
 Ein LAN kann z.B. physikalisch ein Stern oder Bus sein, logisch aber ein Ring usw.
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Topologien: Vollständiger Graph
N(N  1)
V   (n  1) 
2
n 1
A
N
N = Anzahl der Knoten
V = Anzahl der Verbindungen
A
D
A
D
E
B
C
B
C
N=3
V=3
N=4
V=6
B
C
N=5
V=10
 Alle Knoten sind verbunden, damit keine Wegesuche (routing) erforderlich.
 Aber, bei Verzicht auf Routing  geringe Konnektivität (connectivity).
 Mit Routing  maximale Verbindungssicherheit:
– Direktpfad:
– Pfade über einen Knoten:
– Pfade über zwei Knoten:
1
(N-2)
(N-2)* (N-3) …
 Bewertung:
– mit Routing optimale Verbindungseigenschaften,
– hoher Verbindungsaufwand.
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Topologien: Ring
 Die Knoten bilden eine geschlossene Kette
von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
 Jeder Knoten empfängt die Signale vom
Vorgänger, regeneriert u. wertet aus und
schickt regenerierte Signale zum Nachfolger.
 Damit können große Netze aufgebaut
werden.
F
A
E
B
D
C
 Bei Ausfall eines Knotens oder Link's fällt das gesamte Netz aus.
 Deshalb oft Ausfallsicherung durch:
– Beipässe (bypass) und
– Doppelung der Ringe.
 Bewertung:
– Für großflächige Netze sehr gut geeignet.
– Maßnahmen zur Ausfallvermeidung recht aufwändig.
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Topologien: Ring - Ausfallvermeidung
 Bypassing
Ringeinkopplung
Ringeinkopplung
von Knoten C
zu Knoten F
Ring
Ring
R
Knoten D
sei aktiv
Ctrl
Ctrl
Ring
T
D
R
Knoten E
sei passiv
Ctrl
T
E
 Knoten sind über 3 Leitungen an Koppeleinrichtung angeschaltet:
– Empfangsleitung (R, receive),
– Sendeleitung (T, transmit),
– Steuerleitung (Ctrl, control),
 Mittels der Steuerleitung Ctrl können Knoten in den Ring ein- oder
ausgefügt werden.
 Problem bei Knotenausfall: Entfernung zwischen aktiven Knoten vergrößert
sich und damit die Signaldämpfung.
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Topologien: Ring - Ausfallvermeidung
 Voraussetzung: Ringdopplung und gemeinsames Knotenwissen
– Jeder Knoten ist an zwei Ringe angeschlossen und kennt die Adressen seines
Vorgängers und Nachfolgers.
– Von Knoten zu Knoten werden Datenrahmen (tokens) gesendet.
– Jeder Knoten nutzt Timer zur Überwachung der rechtzeitigen Token-Ankunft.

Isolation defekter Links (z.B. C zu D)





Timerablauf bei D: kein Token da!
D sendet: "C: nutze standby ring"!
D überwacht "standby ring",
kommt dort Token an, Fehler isoliert.
Isolation defekter Knoten





A
B
C
A
standby ring
B
C
standby ring
F
E
D
F
E
D
A
B
C
A
B
C
(z.B. E)
Timerablauf: F erhält keinen Token
F sendet: "E: nutze standby ring"!
Keine Antwort über standby ring
F sendet: "Vorgänger von E: nutze
standby ring"!
Antwort über standby, Fehler isoliert.
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standby ring
F
E
standby ring
D
F
E
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D
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Topologie: Bus
 Der Bus ist Signalweg, an den die Knoten
im allgemeinen passiv angekoppelt sind.
 Die Signalausbreitung erfolgt, ausgehend
vom Sendeknoten, in alle Richtungen.
Routing ist nicht erforderlich.
A
B
C
D
 Vor- und Nachteile der passiven Ankopplung an das Medium sind:
– keine Rückwirkungen bei Ausfall einer Station,
– Beschränkung der Buslänge und der Knotenanzahl.
 Bewertung:
–
–
–
–
–
Für LAN's geeignet, heute häufig in der Automation verwendet,
durch passive Ankopplung relativ hohe Betriebssicherheit bei geringen Kosten,
lässt sich aber sehr gut "abhören" (Sicherheit),
Geringer Datendurchsatz durch Halbduplexbetrieb und Kollisionen,
Fehlerdiagnose in größeren Netzen schwierig.
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Topologien: Stern (star)
 Es existiert eine Zentralstation, über
die alle Knoten angeschaltet sind.
 Verkabelungsaufwand ist hoch.
 Einfügung neuer Knoten ist einfach,
solange noch freie Ports existieren.
Zentralstation (hub)
Port
Port
Port
A
B
C
…
Port
 Bewertung:
– Sternstruktur war/ist die dominierende Struktur in wichtigen WAN, z.B. im
Fernsprechnetz.
– Die Sterntopologie dominiert zunehmend auch bei LAN's.
– Knoten sind isoliert voneinander und können beliebig rangiert werden.
– Fehlersuche ist relativ einfach.
– Wichtige Teile der Zentralstation (Netzteil, Steuerteil) müssen redundant sein, um
Netztotalausfall zu verhindern.
 Sternverkabelungen sind aufwändig, aber universell konfigurierbar.
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Topologie: Sternverkabelung ist universell
Ringleitungsverteiler
Busverteiler
Switch
Terminator
A
A
B
B
B
C
C
C
D
D
Aus physischem Stern wird
logisch ein Ring
A
D
Terminator
Aus physischem Stern wird
logisch ein Bus
Hub
A
A
B
B
C
C
D
D
Schalter
Stern bleibt Stern
Hub
Logischer Bus durch
optische Verteilung
Logischer Bus durch
elektrische Verteilung
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Topologie: Baum (tree)
 Ausgehend von einer Wurzel (root) werden die Knoten über aktive und/oder
passive Verzweigungselemente erreicht.
 Baumstruktur erlaubt optimale Anpassung an Geographie und damit
Minimierung der Kabellänge.
 Eine typische Struktur für
Kabelverteilnetze (Rundfunk,
Fernsehen).
root
 Ist das Baumnetz kein reines
Verteilnetz, ist eine
Routingfunktion erforderlich.
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WAN-Nachrichtentransport: Übersicht
Nachrichtentransport
in WAN's
Über geschaltete
Leitungen oder Kanäle
Über Teilstrecken
(circuit switched – cs)
Standverbindung
(fest geschaltet)
Wählverbindung
(bei Bedarf geschaltet: z.B.
Fernsprechnetz, Funknetze)
Paketvermittlung
(packet switched, ps)
Datagramservice
(connection less, cl: z.B. Internet)
NachrichtenVermittlung
(message switching)
virtuelle
Verbindung
(connection oriented, co)
 Funknetze, unterstützen bisher mehrere Technologien:
– Wählverbindungen (circuit switched) zum Telefonieren,
– Paketverbindungen (packet switched) zur Datenübertragung
(z.B. GPRS).
 Eindeutiger Trend  nur noch ps-cl.
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WAN-Nachrichtentransport: Kanal-/Leitungsvermittelt, cs
N-Layer
OVSt
N-layer
EE
Wahl,
Hörer ab
N-Layer
FVSt
N-Layer
OVSt
N-layer
EE
SETUP
SETUP
Ruf
ALERTING
Freizeichen
ALERTING
CONNECT
Verbunden
CONNECT
Hörer ab
CONNECT ACK
CONNECT ACK
Auflegen
DISCONNECT
DISCONNECT
RELEASE
RELEASE COMPLETE
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RELEASE
Auflegen
RELEASE COMPLETE
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20
WAN-Nachrichtentransport: Kanal-/Leitungsvermittelt, cs
 Jede Verbindung (connection) besteht aus drei Phasen:
– Verbindungsaufbau: A-Teilnehmer (calling subscriber) fordert mittels Signalgabe
Verbindung zu B-Teilnehmer (called subscriber).
– Kommunikation: den Teilnehmern steht exklusiv ein Kanal (Leitung) zur
Verfügung.
– Verbindungsabbau: A- oder B-Teilnehmer beenden Kommunikation.
Auslösung von A aus Vorwärtsauslösung, löst B aus Rückwärtsauslösung.
 Eigenschaften:
– Garantierte Dienstgüte (quality of service QOS) bereitgestellt,
– Steuerungsaufwand beim Auf- und Abbau,
 Beispielnetze für cs: Fernsprechnetz, ISDN, Funknetze

Das Verbindungsbeispiel
–
–
–
–
–
–
–
SETUPu-n:
SETUPn-u:
ALERTING:
CONNECT:
DISCONNECT:
RELEASE:
RELEASE COM:
(vorhergehende Folie) ist
ISDN-like. Darin bedeuten:
Teilnehmer fordert Verbindung an, übergibt A- u. B-Rufnummer, Transportkanaltyp …
Netz ruft Teilnehmeranschluss von B mit Zielrufnummer usw.,
Mindestens ein Endgerät bei B kann den geforderten Dienst erbringen und klingelt.
Der gerufene Teilnehmer ist aktiv geworden, und die Verbindung ist hergestellt.
Aufforderung, eine bestehende Verbindung auszulösen.
Löse aus
Ausgelöst
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WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-co
N-layer
edge router
N-layer
DEE
N-layer
router
router
N-Conn.Rq
CALL REQUEST
R
N-layer
edge router
N-layer
DEE
router
CR
R
CR
R
INCOMMING CALL
N-Conn.In
Annahme
des Calls
N-Conn.Cf
N-Data.Rq
N-Data.Rq
N-Data.Rq
N-Disconn.Rq
CONNECT
CA
CA
CALL ACCEPTED
DATA 1(3)
N-Conn.Rs
DATA 1(3)
N-Data.In
DATA 2(3)
N-Data.In
DATA 3(3)
N-Data.In
DATA 2(3)
DATA 3(3)
CLEAR REQUEST
CLR
CLEAR CONFIRM
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CLR
CLEAR INDICATION
N-Disconn.In
CLEAR CONFIRM
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22
WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-co

Jede Verbindung (connection) besteht aus drei Phasen:
– Verbindungsaufbau: Die Transportschicht des A-Teilnehmers fordert mit N-Conn.Rq die
Herstellung einer Verbindung zu einem B-Teilnehmer. Die Netzschicht baut diese Verbindung
mittels Protokollnachrichten (CALL REQUEST, INCOMMING CALL, CALL ACCEPTED, CALL CONNECTED)
auf. Mit N-Conn.Cf wird der T-Schicht die Verbindungsherstellung angezeigt.
– Kommunikation: Die Datenübertragung erfolgt mit Paketen definierter Länge (z.B. 512, 1480
Byte) über die Route, die beim Aufbau ermittelt wurde. In jedem Knoten wurde dafür
Speicherplatz reserviert.
– Verbindungsabbau: einer der Teilnehmer beendet die Kommunikation mit N-Disconn.Rq. Die
Verbindung wird ausgelöst und der reservierte Speicherplatz freigegeben.

Eigenschaften:
– Steuerungsaufwand beim Aufbau (routing) und Abbau erforderlich.
– Für jede virtuelle Verbindung wird Speicherplatz, aber keine Übertragungskapazität zwischen
den Knoten reserviert. Das Netz garantiert die Einhaltung der Paketreihenfolge.
– Eine garantierte Dienstgüte (quality of service) bezüglich Datendurchsatz und Verzögerung der
Pakete gibt es daher nicht.


Beispiele für ps-co-Networks: Datex-P-Netz, ISDN.
Das Verbindungsbeispiel, eine Folie vorher, ist X.25-like.
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23
WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-cl
N-layer
Router
N-layer
DEE
N-Udat.Rq 1(4)
N-Udat.Rq 2(4)
N-layer
Router
N-layer
DEE
DATA
R
DATA
R
N-Udat.Rq 3(4)
N-layer
Router
R
DATA
R
DATA
N-Udat.In 1(4)
R
DATA
N-Udat.In 3(4)
R
DATA
R
DATA
R
R
N-Udat.Rq 4(4)
DATA
R
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N-Udat.In 4(4)
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24
WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-cl
 Zwischen den Stationen wird keine virtuelle Verbindung aufgebaut.
 Die sendende Station zerlegt die Datensendung in konfektionierte Pakete.
 Jedes Paket, Datagramm genannt, enthält: Ziel-Adresse + AbsenderAdresse + Daten.
 Im Internet wird jedes Paket mit time-to-live-Feld versehen. Ist die max. TTL
abgelaufen, wird das Paket vom Netz entfernt.
 Jedes Datagramm wird in den Netzknoten neu geroutet.
 Das Netz ist nicht in der Lage, die Reihenfolge der Pakete zu sichern.
 Pakete in verbindungslos arbeitenden Paketnetzen können sich überholen,
verlorengehen oder gedoppelt werden.
 Eigenschaften:
– Gute Auslastung der Verbindungswege.
– Für den Austausch kurzer Datensendungen bevorzugte Übertragungsvariante.
– Keine Durchsatz- und Verzögerungsgarantie.
 Beispiel für ps-cl-Network: Internet (IP - internet protocol).
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25
WAN-Nachrichtentransport: Nachrichtenvermittelt
N-layer
Router
N-layer
N-Udat.Rq
N-layer
Router
EE
N-layer
Router
DATA
R
R
R
DATA
N-Udat.Rq
 Bei der Nachrichtenvermittlung wird eine Nachricht geschlossen von
Knoten zu Knoten übertragen.
 Das Prinzip ist identisch mit dem connectionless Service, d.h. die Message
enthält neben den Nutzdaten die Zieladresse und Absenderadresse.
 Nachteile dieses Verfahrens ist der große und wechselnder Speicherbedarf
in den Knoten.
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26
WAN-Nachrichtentransport: Beispiel
 BEISPIEL:
– Ein File mit 50 kbyte soll
• über ein Nachrichtenvermittlungsnetz und
• ein Paketvermittlungsnetz (verwendete Paketgröße=16 kbyte) übertragen werden.
– Die Anzahl der Netzknoten betrage in beiden Fällen zwei. Die
Übertragungsgeschwindigkeit sei auf allen Strecken gleich und betrage 9,6
kbit/s.
– Berechnen Sie die Übertragungszeiten für beide Fälle, wenn in den Netzknoten
keine Speicherzeiten der Pakete bzw. der Message auftreten!
 Beachte:
– Beim Nachrichtenvermittlungsnetz wird die Gesamtnachricht abschnittsweise
(Link) übertragen.
– Beim Paketvermittlungsnetz wird die Nachricht von 50 kbyte in 4 Pakete zu 16
kbyte aufgeteilt und die einzelnen Pakete übertragen.
 Die nächste Folie zeigt den Übertragungsverlauf unter der Annahme, dass
in den Knoten keine zusätzlichen Verzögerungen eintreten.
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27
WAN-Nachrichtentransport: Beispiel
DEE
N-Udat.Rq
Netzknoten
50
DEE
Netzknoten
NACHRICHTENVERMITTLUNG
Übertragungsabschnitte
1
50
2
50
3
Übertragungsabschnitte
N-Udat.Rq
50
1
2
3
4
5
6
N-Udat.In
50
N-Udat.In
50
PAKETVERMITTLUNG
16
16
16
16
1(4)
2(4)
3(4)
4(4)
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16
16
16
16
1(4)
2(4)
3(4)
4(4)
16
16
16
16
1(4)
2(4)
3(4)
4(4)
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28
WAN-Nachrichtentransport: Beispiel
Anzahl der Übertragungsschritte Aüs:
n = Anzahl der Netzknoten
m = Anzahl der Pakete
Die Übertragungsdauer tü folgt aus:
Ab = Anzahl der Bit je Paket
Vü = Übertragungsgeschwindigkeit in bit/s
Aüs  n  m
Aüs * Ab
tü 
Vü
 Im Falle der Nachrichtenvermittlung mit n=2 und m=1 folgt:
tü 
Aüs * Ab 3 * 50 * 8kbit * s

 125s
Vü
9,6kbit
 Im Falle der Paketvermittlung mit n=2 und m=4 folgt:
Aüs  n  m  2  4  6
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tü 
Aüs * Ab 6 *16 * 8kbit * s

 80s
Vü
9,6kbit
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29
WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen
 Paketnetze sind Teilstreckenvermittlungsnetze. Optimierungskriterien sind:
– Dem Nutzer muss eine hinreichende Dienstgüte (quality of service - QOS) bereitgestellt
werden.
– QOS-Parameter: Datendurchsatz, Übertragungssicherheit, Antwortzeitverhalten usw.
– Die Kosten für den Nutzer und den Betreiber sollen möglichst gering sein.
– Netzknoten sollte aus Sicherheitsgründen über mindestens zwei disjunkte Pfade
erreichbar sein.
 Beim Betrieb von vermaschten Teilstreckenvermittlungsnetzen sind
folgende Probleme zu lösen:
– Routing: Wegewahl durch das Netz.
– Flow control: Vermeidung von Überlastproblemen im Netz (congestion control).
 Routing ist die Wahl eines Weges durch das Netz, von einem Quell- zu
einem Zielknoten.
 Optimierungskriterien für diesen Vorgang können sein:
– hoher Datendurchsatz der virtuellen Verbindung,
– hohe Übertragungssicherheit,
– Anzahl der involvierten Teilstrecken (Hop's, Links) soll minimal sein usw.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
30
WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen
 Für ein optimales Routing müßte jeder Knoten die Struktur des
Gesamtnetzes (statischer Zustand) und die momentane Verkehrslast
(dynamischer Zustand) kennen.
 Der Austausch von Zustandsinformationen zwischen den Knoten,
insbesondere im Überlastfall, und die Optimierungsalgorithmen sind sehr
komplex und damit aufwendig.
Man kann z.B. innerhalb der Netze Domänen (domains) bilden, optimiert
diese Teilnetze und die Wege zu anderen Domänen.
Domäne 1
R
Domäne 2
 Oft nutzt man pragmatische
Lösungen, indem man statische
Routingtabellen verwendet.
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Domäne n
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31
WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen /KERNER93,152ff/
 Für die Ermittlung statischer Routingtabellen gibt es drei Optimierungsfälle:
– Ermittlung des kürzesten Weges. Die Gewichte der Teilstrecken ergeben
sich:
• aus der Übertragungskapazität der Kanäle zwischen den Knoten,
• aus den Übertragungskosten,
• aus der Länge des verwendeten Links.
– Ermittlung der kürzesten Zeit. Hier kann das erwartete Verkehrsaufkommen
berücksichtigt werden. Die Gewichte der Teilstrecken ergeben sich im
wesentlichen aus:
• Ermittlung des Verkehrsaufkommens,
• Ermittlung der Wartezeiten an den Ausgängen der Knoten,
• Berechnung der Gesamtverzögerung.
– Mischverfahren zwischen den genannten.
 Vorgehensweise:
– Ermittlung der Gewichte der Teilstrecken,
– Ermittlung des optimalen Weges von einem
Knoten zu allen anderen, für jeden Knoten.
– Definition der Routingtabellen für jeden
Knoten.
A
1
3
B
1
D
2
3
4
C
4
4
4
4
E
Beispielnetz
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
32
WAN-Nachrichtentransport: Paketnetz-Routing,





Dijkstra-Algorithmus
Ein Netz N bestehe aus (vollständig) verbundenen Knoten A,B,C, ... N={A,B,C,...}.
Für jede Kante zwischen den Knoten i und j existiere eine Distanz dij.
Lege den Knoten i fest, für den die Routingtabelle ermittelt werden soll, und trage
diesen Knoten als Element in ein Hilfsnetz P ein P={quelle}.
(0) Beschrifte diesen Quellknoten mit (Y , Di) = (-,0),
alle anderen mit (Y , Di) = (-, ∞).
Dann  Start Algorithmus
Start
(1) Bilde vom Quellknoten (Arbeitsknoten) zu allen anderen Nachbarknoten j
Dj = min (Dj , Di + dij)
für alle j, die nicht Element von P sind
(2) Ermittle vom momentanen Arbeitsknoten aus, den nächsten Arbeitsknoten
gemäß
Di = min Dj
für alle j, die nicht Element von P sind.
(3) Aktualisiere P mit dem Knoten, der aus Di = min Dj ermittelt wurde
P = P {i}
Stop
Ist P = N oder kein unmarkierter Nachbarknoten mehr vorhanden
Y
N
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33
WAN-Nachrichtentransport: Routing

in Paketnetzen, Beispiel
Gegeben sei folgendes Netz in Form einer Tabelle oder des Graphen
dij
A
B
C
D
E
A
1
2
4
3
B
3
1
4
C
4
4
D
4
E
-
A
1
3
B
≡
1
D


2
4
4
C
4
3
4
4
E
Für den Knoten A soll die Routingtabelle zu allen anderen Knoten ermittelt werden.
Die Frage lautet also: wenn A zu X ein Paket schicken muss, welchem Knoten
übergibt er dieses Paket?
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34
WAN-Nachrichtentransport: Routingbeispiel
(0) Initialzustand
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen
Nachbar-Knoten die nicht in P sind
(-,0)
(-,0)
A
A
1
(-,∞)
1
(-,∞)
2
B
D
4
4
4
3
A
1
C
3
4
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten
(3) Aktualisiere P
(-,0)
(-,∞)
(-,∞)
(A,1)
4
E
B
1
(-,∞)
(-,∞)
(A,4)
2
C
3
4
4
D
4
3
(-,∞)
(A,2)
(-,∞)
(A,1)
4
E
4
P={A}
1
B
1
(-,∞)
(A,3)
(-,∞)
(A,4)
2
4
4
D
(-,∞)
(A,4)
(B,2)
2
D
4
4
P={A,B}
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1
C
3
4
E
(-,∞)
(A,3)
A
1
4
4
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten
(3) Aktualisiere P
(-,0)
A
1
3
(-,∞)
(A,2)
P={A,B}
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen
Nachbar-Knoten die nicht in P sind
(-,0)
B
4
4
P={A}
(-,∞)
(A,1)
C
3
3
(-,∞)
(A,2)
(B,4)
(-,∞)
(A,1)
4
E
B
1
(-,∞)
(A,3)
(B,5)
(-,∞)
(A,4)
(B,2)
2
D
C
3
4
4
4
4
P={A,B,D}
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
3
(-,∞)
(A,2)
(B,4)
4
E
(-,∞)
(A,3)
(B,5)
35
WAN-Nachrichtentransport: Routingbeispiel
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen
Nachbar-Knoten die nicht in P sind
(-,0)
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten
(3) Aktualisiere P
(-,0)
A
A
1
(-,∞)
(A,1)
B
1
(-,∞)
(A,4)
(B,2)
2
C (-,∞)
3
4
4
D
1
4
3
(A,2)
(B,4)
4 (D,6)
E (-,∞)
4
(A,3)
(B,5)
(D,6)
P={A,B,D}
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen
Nachbar-Knoten die nicht in P sind
(-,0)
(-,∞)
(A,1)
B
1
(-,∞)
(A,4)
(B,2)
2
4
4
D
1
(-,∞)
(A,4)
(B,2)
D
4
(A,2)
(B,4)
4 (D,6)
E (-,∞)
(A,3)
(B,5)
(D,6)
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten
(3) Aktualisiere P
(-,0)
STOP, da alle Knoten Mitglied
des Hilfnetzes P sind.
A
1
C (-,∞)
3
4
3
P={A,B,D,C}
2
B
4
4
A
1
(-,∞)
(A,1)
C (-,∞)
3
4
4
P={A,B,D,C}
3
(A,2)
(B,4)
4 (D,6)
E (-,∞)
(A,3)
(B,5)
(D,6)
(C,6)
(-,∞)
(A,1)
B
1
(-,∞)
(A,4)
(B,2)
2
4
D
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C (-,∞)
3
4
4
3
(A,2)
(B,4)
4 (D,6)
E (-,∞)
4
P={A,B,D,C,E}
(A,3)
(B,5)
(D,6)
(C,6)
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
36
WAN-Nachrichtentransport: Routingbeispiel
 Die statische Routingtabelle für den Knoten A würde demnach wie folgt
aussehen:
Ein Datenpaket vom Knoten A zum Knoten  B
C
D
E
wird geroutet zu Knoten 
 Eine alternative Darstellung ist der Routing-Baum:
1
2
B
C
B
E
A
B
D
C
E
2
3
 In jedem Knoten sind Ersatzroutingtabellen vorhanden. Auf diese kann
man umschalten, wenn Link's oder Nachbarknoten ausfallen.

Eine Teachware zur Ermittlung der Routingtabellen für Netze bis zu 10 Knoten findet man unter:
https://www.telecom.hs-mittweida.de/fileadmin/verzeichnisfreigaben/telecom/winkler/teachware/DijkstraRouting.exe
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37
WAN-Nachrichtentransport: Weitere
dij
A
B
C
D
A
3
2
1
B
2
1
C
1
D
-
A
dij A
A B 1
C 4
D 4
E 4
B
1
4
4
C
1
4
D
4
E
-
dij
A
B
C
D
E
B
2
4
4
C
3
4
D
4
E
-
A
1
4
5
6
Routingbeispiele mit Lösungen
1
D
2
B
C
B
2
A
B
E
2
C
4
3
D
1
1
D
2
A
C
3
C
2
B
1
2
C A E
D
1
B
E
5
A
B
D
A
B
C
2
2
1
1
1
1
1
4
2
B
A
D
D
E
4
1
B
D5
C D
E
1
2
4
4
2
3
B
A
D
3
E
1
C
E
A
B
C D
2
B
4
4
4
4
3
A
4
E
C
A
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D
C
A
1
C
E
4
4
5
B
A
D
4
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
C
4
38
WAN-Architekturprinzip
UNI
Access-Network
(Zugangsnetz)
TAE
NTBA
(Zugangsnetz)
Übertragungs-Medien
Übergangsverkehr
Cu-DA o. TAL
Koax
MUX/DMUX
Konzentrator
Vereiniger
Übertragungsnetz
2
5
P
Endgeräte
Access-Network
Verteiler
Accesspoint
UNI
7
Endverkehr
NTBBA
Komponenten
Kernnetz
Endverkehr
Endgeräte
NNI
Durchgangsverkehr
NTBA
LWL
Richtfunk
Funk
8
0
TAE
CATV
Accesspoint
Netzabschluss
Endgeräte kann man einteilen:
•in universelle PC mit Peripherie
•in spezielle Mobil, Fax, Telefon, …
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CATV
Cu-DA
LWL
NNI
NTBA
NTBBA
TAE
TAL
UNI
cable television
Kupfer-Doppelader
Lichtwellenleiter
network network interface
network terminator basic access
network terminator broadband basic access
Telekommunikationsanschlusseinrichtung
Teilnehmeranschlussleitung
user network interface
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
39
WAN-Architekturprinzip: Vergröberung
 Ein Aspekt der Systemsicht ist die Systemarchitektur.
 Man kann zeigen, dass WAN's (Wide area networks, wie Fernsprechnetze,
Funknetze, das Internet) eine gleiche oder ähnliche Systemarchitektur haben:
Endgeräte
Netzabschluss
Zugangssnetz
Kernnetz
Übertragungsnetz
Komponenten: Spezialisierte Endgeräte, universelle Endgeräte
Komponenten: TAE, NTBA, NTBBA, Wireless Access Point
Komponenten: MUX/DMUX, Konzentrator, Verteiler/Vereiniger, DSLAM
Verfahren: FDMA, TDMA, CDMA
Medien: CuDA, LWL, Koax, Funk, Richtfunk
Komponenten: Vermittlungen, Router, MUX/DMUX
Verfahren: cs, ps-cl, ps-co, ll, …
Komponenten: MUX/DMUX, Add-Drop-MUX, Cross-Connector, …
Verfahren: PDH, SDH, Gigabit-Ethernet, ATM, IP
Medien: LWL, CuDA, Koax, Funk, Richtfunk
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40
WAN-Architekturprinzip: Zugangssnetz, NT, TE
 Das Zugangssnetz (access network) verbindet Netzabschlüsse mit den
Kernnetzkomponenten (Vermittlung, Router, Mux/Demux .. ).
 Im Fernsprechnetz sind das üblicherweise Kupfer-Doppeladern.
•
•
In manchen Netzen werden mehrere Fernsprechanschlüsse multiplexiert und
gemeinsam bis zum Kernnetz über Richtfunk, LWL oder Cu-DA übertragen.
Diese Teilnehmer haben keine durchgängige Cu-DA zwischen NT und Kernnetz.
deshalb Probleme bei DSL-Versorgung.
 In Funknetzen besteht das Zugangsnetz aus aktiven Komponenten, bei GSM
z.B. BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller).
 Der Netzabschluss (network temination, NT) gehört i.d.R. dem Netzbetreiber:
– Er bildet technisch das UNI (user network interface).
– Beispiele: TAE-Dose, NTBA, Splitter, Funk-Sender/-Empfänger usw.
 Endgeräte (terminal equipment, TE) gehören i.d.R. dem Nutzer. In vielen
Netzen dürfen nur zugelassene Endgeräte betrieben werden, so auch in
DE, AT. Zulassungsbehörde ist die Bundesnetzagentur
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41
WAN-Architekturprinzip: Duplex, Mehrfachzugriff am UNI
 WAN's müssen vielen Teilnehmern quasigleichzeitig Zugang ermöglichen.
Das nennt man Multiple Access (MA).
 Viele Teleservices (VoIP, WWW, …) erfordern eine Duplexverbindung.
Tln.
Mehrere Teilnehmer wollen gleichzeitig auf
ein Netz zugreifen Multiple Access (MA)
Die Teilnehmer wollen dabei eine Duplexverbindung nutzen. In Funknetzen spricht
man von Download (DL) und Upload (UL)
 Duplexverfahren
–
–
–
–
–
Tln.
Tln.
Kommunikationsnetz
Tln.
SDD (space division duplex): ein Medium (CuDA, LWL) je Richtung
FDD (frequency division duplex): eine Frequenz je Richtung
TDD (time division duplex): ein Medium zeitlich nacheinander je Richtung
EC (echo cancellation): ein Medium, gleiches Spektrum, Echokompensation
Brückenschaltungen
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42
WAN-Architekturprinzip: Duplex, Mehrfachzugriff am UNI
 Basisverfahren für Multiple Access (MA):
–
–
–
–
–
SDMA (space division multiple access): MA durch mehrere leitergebundene Medien (CuDA, LWL, …)
FDMA (frequency division multiple access): MA durch mehrere Funkmedien
TDMA (time division multiple access): MA durch mehrere Zeitschlitze pro Medium
CDMA (code division multiple access): MA durch mehrere disjunkte Spreizcodes pro Medium
OFDMA (orthogonal frequency division multiple access): MA durch mehrere Teilträgerbereiche
 Beispiele:
Kommunikationsnetz
Duplex (dx)
Mehrfachzugriff (MA)
Analoges
Fernsprechnetz
Brückenschaltung SDMA
ISDN
SDD
SDMA+TDMA
GSM
FDD
FDMA+TDMA
UMTS
LTE
FDD oder TDD
FDD oder TDD
FDMA+CDMA
DL: FDMA+OFDMA+TDMA
UL: FDMA+SC-FDMA
SC-FDMA – single carrier frequency division multiple access
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43
WAN-Architekturprinzip: Kernetz
 Das Kernnetz wird durch Kanal-Vermittlungen (switches) oder PaketVermittlungen (router) gebildet.
 Diese Komponenten kann man ihrer Rolle nach einteilen in:
– Komponenten für Endverkehr:
 z.B. OVSt – Ortsvermittlungsstellen oder edge router:
• an diese sind die Teilnehmer direkt über ein Medium
• oder über weitere aktive Komponenten im Zugangsnetzwerk angeschlossen.
– Komponenten für Durchgangsverkehr:
 z.B. FVSt - Fernvermittlungsstellen, router:
• an diese sind keine Teilnehmer angeschaltet,
• sie verbinden Komponenten für Endverkehr,
• Komponenten für Durchgangsverkehr können hierarchisch, vollvermascht,
teilvermascht organisiert sein.
– Komponenten für Übergangsverkehr:
• sind Instanzen der network-network-interfaces (NNIs),
• sie realisieren die Anpassung der Signalgabe und der Nutzdaten, falls diese in den
Netzen verschieden sind.
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44
WAN-Architekturprinzip: Übertragungsnetz
 Übertragungsnetze (carrier networks):
– liefern hochratige Datenverbindungen zwischen nationalen und
internationalen Standorten,
– damit werden die Kernnetz-Komponenten (Vermittlungen, Router, Multiplexer, …) und
Zugangsnetzwerk-Komponenten (Konzentratoren, MUX/DMUV, DSLAM) miteinander
verbunden.
 Anbieter solcher Netze sind:
– weltweit operierende Unternehmen, die alle Kontinente ver-LWLt haben
– in DE die Telekom, Energieversorger, DB, Stadtwerke usw.
 Aktuelle Technologien für Übertragungsnetze sind:
– PDH – Plesiochrone Digitale Hierarchie, Raten von 2 Mbit/s bis 565 Mbit/s,
Einführung ab 1982 noch große Bedeutung in der Pheripherie des ÜNetzes,
– SDH – Synchrone Digitale Hierarchie, Raten von 51 Mbit/s bis 160 Gbit/s
Einführung ab 1992, Hauptverfahren im Ü-Netzes
– Gigabit-Ethernet im MAN-Bereich.
 Über diese Netze werden Datenströme TDM-basiert, ATM-basiert oder IPbasiert übertragen.
ATM - Asynchronous Transfer Mode
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
45
Ü-Netz: PDH – Plesiochrone Digitale Hierarchie




PDH beruht auf der bitweisen Multiplexierung fastsynchroner Datenströme.
PDH-MUX/DMUX benötigen keine Zwischenspeicher ( waren damals teuer)
Anwendung: hauptsächlich als Zubringer zum SDH-Netz oder im Zugangsnetz.
International gibt es unterschiedliche Systeme.
Anzahl der
Fernsprechkanäle
7680
EUROPA
USA
Japan
E5 564,992 Mbit/s
J5
397,200 Mbit/s
*4
1920
E4 139,264 Mbit/s
*4
T4
*4
480
E3
34,368 Mbit/s
E2
8,448 Mbit/s
T3
E1
2,048 Mbit/s
97,728 Mbit/s
*3
44,736 Mbit/s
J3
32,064 Mbit/s
*7
T2
*4
30
J4
*6
*4
120
274,176 Mbit/s
*5
6,312 Mbit/s
J2
6,312 Mbit/s
*4
T1
30*64kbit/s
+64kbit/s+64kbit/s
64 kbit/s
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*4
1,544 Mbit/s
24*64kbit/s +8kbit/s
64 kbit/s
J1
1,544 Mbit/s
*24 +8kbit/s
64 kbit/s
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46
Ü-Netz: PDH – E1- und T1-Ursprung
 E1-Folge oder Primärrate
1
2
OVSt
MUX
DMUX
SIG A/D
Übertragungsmedium
MUX
DMUX
1
2
A/D SIG
30*64 kbit/s = 1920 kbit/s
1*64 kbit/s =
64 kbit/s
30
1*64 kbit/s =
FVSt
30
64 kbit/s
32*64 kbit/s = 2048 kbit/s
1
2
OVSt
24
MUX
DMUX
SIG A/D
Signalgabe wird In-Band
übertragen:
In jedem 6. PCM-Wort ist das LSB
Signalgabe
Übertragungsmedium
24*64 kbit/s = 1536 kbit/s
1* 8 kbit/s =
8 kbit/s
1
2
MUX
DMUX
 T1-Folge
A/D SIG
FVSt
30
∑= 1544 kbit/s
PCM-Kanäle
Kanal für Managementdaten
Kanal für Nutzersignalgabe
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47
Ü-Netz: Prinzip der PDH
4 E1-Folgen werden bitweise zu einer E2-Folge multiplexiert und
auf der anderen Seite wieder auf 4 E1-Folgen demultiplexiert.
In dieser Richtung geschieht das Gleiche! Ist aber hier nicht
dargestellt.
E2-Folge mit
8448 kbit/s
vier E1-Folgen
je 2048 kbit/s
Rahmendauer 100,378
µs
Rahmendauer 125 µs



vier E1-Folgen
je 2048 kbit/s
Rahmendauer 125 µs
Der Multiplexer verschachtelt Eingangsfolgen bitweise zu einer Ausgangsfolge, ein
Demultiplexer entschachtelt diese.
Da die Folgen vom Nenntakt (2048 kbit/s) geringfügig abweichen können, wird in der
Ausgangsfolge (8448 kbit/s) für jede Eingangsfolge ein Toleranzbit bereitgestellt.
Beispiel: Die E2-Rahmendauer beträgt 100,378 µs, ist also nicht identisch mit der Rahmendauer einer E1Folge (125 µs). In dieser Zeit (100,378 µs) stellt die E2-Folge pro Eingangsfolge im Mittel 205,56 Bit zur
Verfügung. Eine E2-Folge kann also für eine E-1-Folge 205 Bit abnehmen oder 206 Bit. Auf diese Art und
Weise können positive und negative Toleranzen der Eingangsfolgen und der Abnehmerfolge in Grenzen
berücksichtigt werden.
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48
Ü-Netz: PDH-Komponenten und -Netz
 Aktive Komponenten des Übertragungsnetzes sind:
– MUX/DMUX für jede Hierarchiestufe (2/8, 8/34, 34/140, 140/565).
– Add/Drop-Multiplexer, zum Ein- und Auslinken von Folgen.
 Medien: E1auch über CuDA, ab E2 LWL (manchmal noch Koax), E1
bis E4 auch Richtfunk,
 Nachteil der PDH:
– will man z.B. aus einer höheren Folge (z.B. E4) eine niedrigere ein- und
auslinken (z.B. E1), muss man auf das Niveau der Ein-/Auslinkfolge
demultiplexieren und anschließend wieder multiplexieren.
– Dies ist der bitweisen Verschachtelung geschuldet.
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49
Ü-Netz: PDH-Komponenten und -Netz
Cu-DA
E1
E1
LWL
E2MUX
DMUX
(2/8)
E2
E3
Richtfunk
Add/Drop
MUX
E2
E3MUX
DMUX
(8/34)
E2
Koax
LWL
E3
E4MUX
DMUX
(34/140)
Übertragungsnetz
Richtfunk
E1
E2MUX
DMUX
(2/8)
E2
E2
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E3MUX
DMUX
(8/34)
E3
E3
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
50
Ü-Netz: PDH-Nutzung durch Kernnetzkomponenten
Router
FVST
zu LANs
2 Mbit/s, dx
2 Mbit/s, dx
OVST
E1
2 Mbit/s, dx
E2MUX
DMUX
(2/8)
E2
2 Mbit/s, dx
Add/Drop
MUX
E2
E2
GW
8 Mbit/s, dx
LAN
2 Mbit/s, dx
OVST
E1
E1
E3
E3MUX
DMUX
(8/34)
E3
E4MUX
DMUX
(34/140)
Übertragungsnetz
E2MUX
DMUX
(2/8)
E2
E2
E3MUX
DMUX
(8/34)
E3
2 Mbit/s, dx
8 Mbit/s, dx
GW
LAN
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E3
Router
zu LANs
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
51
Ü-Netz: SDH – Synchrone Digitale Hierarchie
 SDH beruht auf Übertragung von Datencontainern aller 125 µs.
 Es gibt verschieden große Container u. daraus resultierend verschiedene
Datenraten (von 51 Mbit/s bis derzeit 160 Gbit/s).
 International mehrere fast identische Verfahren (Vorreiter AT&T mit SONET).
 Nachfolgend die wichtigsten Bruttoraten (es gibt noch Zwischenraten).
SDH-Bezeichner (Europa)
ANSI-Bezeichner
AT&T-Bezeichner
STM-1024
159.252,480 Mbit/s
OC-3072
STS-3072
STM-256
39.813,120 Mbit/s
OC-768
STS-768
STM-64
9.953,28 Mbit/s
OC-192
STS-192
STM-16
2.488,32 Mbit/s
OC-48
STS-48
STM-4
622,08 Mbit/s
OC-12
STS-12
STM-1
155,52 Mbit/s
OC-3
STS-3
STM-0
51,84 Mbit/s
OC-1
STS-1
ANSI…………..
AT&T………….
OC…………….
American National Standards Institute, vergleichbar mit DIN
American Telephone and Telegraph, ehemal. US-Konzern
Optical Carrier
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SONET……….
STM…………..
STS…………...
Synchronous Optical Network
Synchronous Transport Module
Synchronous Transport Module
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
52
Ü-Netz: Prinzip der SDH
STM-1
Übertragung eines
Containers
STM-1
z.B. 4
Plesiochrone
Eingangsfolgen
Packen eines
Containers
STM-1
Übertragung
der Container
mit 155 Mbit/s
MUX: Während ein Container gepackt wird, wird der vorher
gepackte gesendet.
DMUX: Während ein Container empfangen wird, wird der
vorher empfangene entpackt/umgepackt.
Speicher: kein Problem




STM-1
Entpacken
eines
Containers
z.B 4
Plesiochrone
Ausgangsfolgen
Beachte: Es ist nur eine Übertragungsrichtung
dargestellt.
Container sind Bytebehälter definierter Größe und Struktur.
In diese Behälter werden byteweise z.B. ganze Rahmeninhalte von Eingangsfolgen
verpackt. Die Rahmenfrequenz der SDH (Behälterübertragung) beträgt daher 125 µs.
Ein festliegender Behälterbereich wird als Packzettel verwendet. Aus ihm geht
hervor, was in dem Behälter an welcher Stelle untergebracht ist.
In den Knoten eines SDH-Übertragungssystems kann anhand des Packzettels
definiert auf bestimmte Inhalte zugegriffen werden (Add/Drop).
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
53
Ü-Netz: SDH-Komponenten
 Repeater (R): zur Regeneration der
(optischen) Übertragungssignale.
 Terminal-Multiplexer (TM):
multiplexiert PDH- und SDH-Folgen
zu einer SDH-Folge
 Add/Dop-Multiplexer (ADM): kann
aus STM-Folge STM/PDH-Folgen
entnehmen und hinzufügen.
ADMs sind oft als doppelter Ring
geschaltet  hohe Ausfallsicherheit!
STM-X
Repeater
SDH
PDH
Terminal
MUX
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STM-X
PDH SDH
STM-X
Add/Drop
MUX
STM-16
 Digital Cross Connector (DXC):
blockierungsfreies Durchschalten von
STMs und sogenannten Virtual
Containers (VCs). VCs enthalten
verpackte PDH-Folgen.
STM-X
STM-4
STM-1
VC-4:140 Mbit/s
VC-3: 34 Mbit/s
VC-12: 2Mbit/s
STM-X
STM-16
Cross
Connector
STM-4
STM-1
VC-4:140 Mbit/s
VC-3: 34 Mbit/s
VC-12: 2Mbit/s
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
54
Ü-Netz: SDH-Netz-Prinzip
Router
FVST
34 Mbit/s
34 Mbit/s
34 Mbit/s
2 Mbit/s
TM
OVST
STM-1
R
ADM
STM-16
STM-4
zu LANs
STM-64
ADM
34 Mbit/s
GW
Übertragungsnetz
DXC
LAN
OVST
R
ADM
2 Mbit/s
34 Mbit/s
STM-1
34 Mbit/s
Link zu Beispielen:
http://www.itm-group.com/SDH.php
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GW
LAN
zu LANs
Router
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
55
Festverbindungen (Leased Lines)
 Für besondere Ansprüche nutzt man Festverbindungen:
–
–
–
–
Zur Zusammenschaltung von Rechnernetzen zwischen Standorten
Zur Zusammenschaltung von Privaten Netzen zu Corporate Networks
Zur Realisierung privater Netze mit hoher Verfügbarkeit und Sicherheit
Zur direkten Verbindung zwischen zwei Endeinrichtungen.
 Festverbindungen bieten an: DTAG, DB, Energieversorger, Stadtwerke, …
 Z. B. Standardfestverbindung der Telekom (Preise nicht aktuell):
Leased Line
Geschwindigkeit
Preis (zzgl. Mwst.)
Analog
Analog/Modem
monatlich ab 26,60 Euro1
Digital 64S
64 kbit/s
monatlich ab 73,60 Euro1
Digital 64S2
2 x 64kbit/s
monatlich ab 81,60 Euro1
Digital 2MS
1,984 Mbit/s
monatlich ab 272,00 Euro1
Digital 2MU
2,048 Mbit/s
monatlich ab 272,00 Euro
T2MS
1,984 Mbit/s, 31 ISDN-B-Kanäle)
monatlich ab 272,00 Euro1
SFV Digital 34M
34 Mbit/s
monatlich ab 804,00 Euro1
SFV Digital 155M
155 Mbit/s
monatlich ab 1072,00 Euro1
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
56
Das Fernsprechnetz: Merkmale
 Entwicklung der Fernsprechnetze:
–
–
–
–
ab 1880: Handvermittlungen,
ab 1900: elektromechanische Vermittlungssysteme (direkte Steuerung),
ab 1950: internationaler Selbstwählfernverkehr
ab 1965: Softwaregesteuerte Vermittlungssysteme (indirekte Steuerung),
 Anschlussarten:
– bis 1988: analoge Anschlüsse über CuDA
– ab 1988: auch digitale Anschlüsse (ISDN)
 Teleservices:
– Fernsprechen
– TeleFaksimile (ab 1975 Entwicklung zum Massendienst)
– Datenübertragung zwischen Computern oder zu Dial-Up-Servern.
 Bearerservices

– analog, kanalvermittelt (circuit-switched), typische Bandbreite 0,3 bis 3,4 kHz,
– digital, kanalvermittelt (circuit-switched), Nutzkanal 64 kbit/s, Signalgabe 16 kbit/s.
– digital, paketvermittelt (packet switched), wird kaum genutzt.
Bezeichnungen: POTS (public old telephony service), PSTN (public switched telephony
network), ISDN (integrated services digital network).
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
57
Das Fernsprechnetz: klassische Sicht
 Prinzip
Datenübertragung,
TeleFax
Modem
TAE
ZVSt
analoge a/bAnschlüsse
TeleFax
Telefonie
2
5
7
8
0
Video-Telefonie
ISDNanschluss
NTBA
Telefonie
Nutzer-Netz-Signalgabe
EE
Endeinrichtung
TeleFax
Übertragungsmedium
TAE
ZVST
ZVSt
FVSt
OVSt
P
zu AVSt'n anderer Länder
AVSt
analoge
Anschlüsse
FVSt
2
5
P
NETZ
ISDNanschluss
Ende-zu-Ende-Nutzkanal
0,3 bis 3,4 kHz
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Telefonie
NTBA
AVSt Auslandsvermittlungsstelle
FVSt Fernvermittlungsstelle
OVSt Ortsvermittlungsstelle
NTBA network terminator basic access
TAE Telnehmeranschlußeinrichtung
ZVSt Zentralvermittlungsstelle
netzinterne Signalgabe
8
0
Datenübertragung,
TeleFax
OVSt
nationales
7
Telefonie
Nutzer-Netz-Signalgabe
Übertragungsmedium
TE
Terminal Equipment
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
58
Das Fernsprechnetz: Nutz- und Signalgabesicht
OVSt
A/D
a/b-Telefon
A/D
S0-Bus
ISDN-Telefone
FVSt
OVSt
Nutzkanäle
n*64 kbit/s
Nutzkanäle
n*64 kbit/s
D/A
a/b-Telefon
D/A
CuDAn
CuDAn
NT
NT
Steuerung
Steuerung
S0-Bus
ISDN-Telefone
Steuerung
Signalgabekanäle
Signalgabenetz




IN
Das Fernsprechnetz entsteht aus der Zusammenschaltung von Ortsvermitt-lungen
(OVSt) über Fernvermittlungen (FVSt).
Die Zusammenschaltung erfolgt über 64-kbit/s-Nutzkanäle.
Zum Austausch von netzweiten Verbindungsinformationen nutzen alle Vermittlungen
ein spezialisiertes Signalgabenetz (CCITT-No.7).
Eine Kommunikationsbeziehung hat drei Phasen:
 Verbindungsaufbau per Signalgabe:
o das Netz routet einen Weg und schaltet im Erfolgsfall
o eine Duplexverbindung zwischen A- und B-Teilnehmer.
 Nutzung dieser 64-kbit/s-Verbindung (cs, circuit switched)
 Verbindungsabbau über Signalgabe Auslösen der Duplexverbindung
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
59
Das Fernsprechnetz: Architektursicht
zu Gateway-VSt
anderer Netzbetreiber
UNI
Netzabschluss
Endgeräte
TAE
Cu-DA
TAE
MUX/DMUX
P
Konzentrator
8
0
NTBA
LWL
GVSt
SDH, PDH
Endverkehr
FVSt



Übergangsverkehr
Endverkehr
Richtfunk
UNI
Endgeräte
OVSt
2
5
7
OVSt
Zugangsnetz Kernnetz
NNI
zu AVSt'n anderer
Länder
Durchgangsverkehr
Zugangsnetz
Cu-DA
TAE
MUX/DMUX
TAE
2
5
Konzentrator
LWL
P
7
8
0
NTBA
Richtfunk
Das Kernnetz wird durch Vermittlungen (switches) gebildet. Diese stellen
Teilnehmersätze (ports) für analoge und digitale Anschlüsse bereit.
Im Zugangsnetz dominieren Cu-DA'n.
Manche Teilnehmer sind über MUX/DMUX bzw. Konzentratoren angeschlossen diese
haben keine durchgängige Cu-DA zur OVSt DSL-Versorgung schlecht möglich.
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60
Das Fernsprechnetz: Funktionssicht
Verbindungsabbau
Nutzung
Verbindungsaufbau
a/b-Telefon

Hörer ab,
Wahl
ISDN-Telefon
OVSt
Signalgabe: Aktiv, Wahl
Signalgabe: SETUP
Wahl,
Wegesuche
Hörer ab
Signalgabe: CONNECT
analoger Nutzkanal 3,1
kHz
Kanal
schalten
A/D
A/D
A/D
digitale Nutzkanäle
64 kb/s
A/D
Signalgabe: Passiv
Hörer
auflegen
Signalgabe: DISCON
Hörer
auflegen
Signalgabe:
RELEASE
Signalgabe:
REL_COM
Kanal
trennen
FVSt
Signalgabe:
SETUP
Signalgabe:
CONNECT
Wegesuche
Kanal
schalten
Signalgabe: SETUP
Signalgabe:
CONNECT
digitale Nutzkanäle
64 kb/s
digitale Nutzkanäle
64 kb/s
digitale Nutzkanäle
64 kb/s
digitale Nutzkanäle
64 kb/s
Signalgabe:
DISCON
Kanal
trennen
Signalgabe:
RELEASE
ISDN-Telefon
OVSt
Signalgabe:
DISCON
Signalgabe:
RELEASE
a/b-Telefon
Signalgabe: Ruf
Wegesuche
es klingelt
Signalgabe: SETUP
es klingelt
Signalgabe: Aktiv
Hörer wird
Signalgabe:
abgenommen
Hörer wird
CONNECT
abgenommen
Kanal
schalten
D/A
D/A
analoger Nutzkanal 3,1
kHz
D/A
digitale Nutzkanäle
64 kb/s
D/A
Kanal
trennen
Signalgabe: Besetzt
Signalgabe: DISCON
Besetztzeichen
Signalgabe: Passiv
Signalgabe:
Hörer wird
aufgelegt
RELEASE
Signalgabe:
REL_COM
Besetztzeichen
Hörer wird
aufgelegt
Die analogen Sprachsignale werden Pulse-Code-moduliert (PCM):
– beim a/b-Anschluss in der OVSt,
– beim ISDN-Anschluss im ISDN-Telefon.
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61
Das Fernsprechnetz: Adressierung
 Jeder Fernsprechteilnehmer bekommt eine weltweit einmalige Rufnummer.
 Der Rufnummernaufbau wurde durch die ITU (international telecommunication
union) standardisiert (ITU-Standards E.163, E.164).
 Diese kann max. 12- oder 15-stellig sein.
max.
Stellen
country code
(cc)
national destination code
(ndc)
subscriber number
(sn)
E.163
12
1...3
2...5
9...4
E.164
15
1...3
2...5
12...7
E-163Beispiele
12
11
8
+49
+49
+49
30
371
3727
44 83 12 92
72 44 66
58-12901)
Standard
1) Beachte:1290
gehört nicht zum internationalen Rufnummernteil
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
62
Das Fernsprechnetz: Adressierung
 Durch unterschiedliche Teillänge, kann man den Nummerierungsplan gut an
den Bedarf anpassen, z.B bei E.164:
 USA: 1-stelliger CC, damit verbleiben 1014 Möglichkeiten für nationale
Rufnummer.
 DE, Berlin: +49 30, damit 1011 Teilnehmernummer im Ortsnetz möglich.
 DE, Mittweida: +49 3727, damit 109 Teilnehmer im Ortsnetz möglich.




Ortsgespräche beginnen mit 2, 3, …, 9.
Ferngespräche beginnen mit 0 (auch Verkehrsausscheidungsziffer genannt).
Gespräche in andere Netze beginnen mit 01..
Auslandsgespräche beginnen mit 00 <cc><ndc><sn>
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
63
Das Fernsprechnetz: Adressierung
 In DE geht aus der 1. Ziffer des NDS
der Zentralvermittlungsbereich hervor:









0 Auslandsvermittlungsstelle
2 Düsseldorf
3 Berlin
4 Hamburg
5 Hannover
6 Frankfurt
7 Stuttgart
8 München
9 Nürnberg
Abbildung aus Wikipedia
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64
Das Fernsprechnetz: Dienste am analogen a/b-Anschluss
a-Ader
-
57 V
+
b-Ader
Telefonie
2
5
P
7
8
0
•mit Impulswahl oder Tonwahl
•Sprachbandbreite 3,1 kHz (0,3-3,4 kHz)
Telefax
•mit Impulswahl oder Tonwahl
•pro Zeile 1728 Pixel
•pro mm 3,5|7 Zeilen
•Übertragung der Pixel
mit 2400|4800|7200|9600|
14400|usw. bit/s
CuDA:
die beiden Adern werden
mit a/b bezeichnet
(engl.: tip/ring)
Analoger Teil des
Fernsprechnetzes
•Internetzugang
•zu Fernsprechnetzen
•zu Funknetzen
•Telemetrie
Programme für:
•Datenkommunikation
•Fax
•Internetzugang
•mit Impulswahl oder Tonwahl
•Datenübertragungsraten von 300 bit/s
bis 33 000 bit/s sind derzeit möglich
•Fehlersicherungsverfahren und Datenkompression erlauben Nutzraten bis 50 kbit/s
Modem
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65
Das Fernsprechnetz: Dienste am ISDN-Anschluss
a-Ader
-
98 V
+
b-Ader
Video-Telefonie
ISDN-Fernsprechen
Bandbreite: 3,1 | 7 kHz
NTBA
Basisanschluss mit:
2*64 kbit/s
1*16 kbit/s
über 1 CuDA
TA
a/b
2
5
P
7
8
0
Datenübertragung
•ISDN-S0-Bus: < 100m
•bis 8 Endgeräte anschließbar
•max. 3 in Betrieb
mit 64 oder 128 kbit/s.
Bei Datenkompression
noch höhere Rate.
SchmalbandISDN
•Internetzugang
•zu Fernsprechnetzen
•zu Funknetzen
•Telemetrie
ISDN-Fax:
300 | 400 Pixel/Zoll,
Übertragungsdauer A4-Seite ca. 1 sec.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
66
Das Fernsprechnetz: Dienste am ISDN/DSL-Anschluss
ISDN-Fernsprechen
Datenübertragung
Bandbreite: 3,1 | 7 kHz
mit 64 oder 128 kbit/s.
Bei Datenkompression
noch höhere Rate.
Basisanschluss mit:
2*64 kbit/s (B-Kanäle)
1*16 kbit/s (D-Kanal)
NTBA
OVSt
ISDN-S0-Bus
Fernsprechnetz
ISDN-Port
Splitter/
Vereiniger
TAE
gemeinsam genutzte
CuDA
DSL-Port
DSLModem
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DSL-Anschluss mit:
Upload: 128 | 192 | 256 | …
Download: 768 | 1024 | 1536 | …
DSLAM
Voice over IP
Router
WWW, E-Mail, FTP, …
Splitter/
Vereiniger
Internet
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
67
Das Fernsprechnetz: Architektur bei DSL
Endgeräte
NNI
UNI
Kernnetz
circuit-switched
UNI
GVSt
Übergangsverkehr
gemeinsam
genutzte CuDA im
SDH, PDH
FVSt
CuDA
Kernnetz
Splitter/
Vereinger
ERouter
Splitter/
Vereinger
Router
SDH, PDH
GRouter
NNI
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DSLAM
DSLAM
packet-switched
Endgeräte
CuDA
ERouter
DSLMODEM
OVSt
TAE
NTBA
TAE
Zugangsnetz
OVSt
Zugangsnetz
gemeinsam
genutzte CuDA im
DSLMODEM
Übergangsverkehr
z.B. zum Internet
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
68
Funknetze - Übersicht
 Funknetze sind vor 55 Jahren eingeführt worden.
 Heute hat jeder Einwohner in DE statistisch 1,4 Mobilendgeräte
mit Sättigungstendenz seit 2008.
 Mobilendgeräte sind
in der Regel
Multifunktionsgeräte.
Nutzung erfolgt in
allen Lebenslagen:
–
–
–
–
–
Telefonie,
SMS,
Internetzugang,
Musik hören,
spielen, …
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
69
Funknetze: Generationen
Generation
Bezeichnung
Übertragung
Multiple Access
Downlink
Duplex
Digitale Bandbreite
Downlink
Jahr
1G
A-, B-, C-Netz
analog, cs
FDMA
FDD
-
1958
2G
GSM
digital, cs
FDMA+TDMA
FDD
9,6 kBit/s
1992
HSCSD
digital, cs
"
"
57,6 kBit/s
1999
GPRS
digital, ps
"
"
115,2 kBit/s 2001
2.75G
EDGE
digital, ps
"
"
236 kBit/s
2003
3G
UMTS
digital, ps
FDMA+CDMA
FDD,
TDD
384 kBit/s
2004
3.5G
HSPA
digital, ps
"
"
14,4 MBit/s
2006
3.9G
LTE
digital, ps
FDMA+OFDMA
FDD
150 MBit/s
2011
4G
LTE Advanced
digital, ps
"
"
2.5G
GSM
HSCSD
GPRS
EDGE
UMTS
HSPA
LTE
Global System for Mobil communication
High Speed Circuit Switched Data
General Packet Radio Service
Enhanced Data Rates for GSM Evolution
Universal Mobile Telecommunications System
High Speed Packet Access
Long Term Evolution
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FDD
TDD
FDMA
TDMA
OFDMA
cs
ps
1 GBit/s
Frequency Division Duplex
Time Division Duplex
Frequency Division Multiple Access
Time Division Multiple Access
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
circuit switched
packet switched
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
70
Funknetze: Generationen
LTE
UMTS
D1-,D2-,E1-,E2-Netz, 80 Mio. Tln.
C-Netz, 800.000 Tln.
B-Netz, 270.000 Teilnehmer
A-Netz, 10.500 Teilnehmer
1960
1970
1980
1G
1G
2G
2,5G
2,75G
3G
3,5G
3,9G
4G
1990
2000
2G
2010
3G
3,9G
Analoge kanalvermittelte Funknetze: A-, B-,C-Netz. Pro Trägerpaar (Up- und Downlink) ein Teilnehmer.
Digitale kanalvermittelte GSM-Netze: D1, D2, E1, E2. Pro Pro Trägerpaar (Up- und Downlink) typisch acht Teilnehmer.
HCSD: cs-Datenübertragung: Bündelung mehrerer 14,4 kbit/s-Kanäle, 4 *14,4=57,6 kbit/s. 8*14,4= 115,2 kbit/s
GPRS: ps-Datenübertragung: Bessere Nutzung der Funkressourcen
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): in den Ausprägungen Enhanced CSD und Enhanced GPRS
Durch Bündelung von max. 4 Kanälen sind im Downlink etwa 470kbit/s möglich
UMTS: durch höhere Trägerbandbreiten (5MHz) Datenraten bis 384 kbit/s
HSPA: durch höherwertige Modulationsverfahren (16QAM, 64QAM) und MIMO (Multiple In Multiple Out) Datenraten bis 170 Mbit/s
auf dem Downlink und 23 Mbit/s auf dem Uplink. NodeB's müssen aufgerüstet werden und auch die Trägersysteme zum RNC.
LTE und LTE-Advanced sind neue Funkstandards, der eine neue Systemarchitektur erfordert. LTE nutzt flexible KanalBandbreiten von 1,25MHz bis 100 MHz. Durch OFDM und MIMO wird eine bessere Bandbreiteneffizienz erreicht. Datenraten
auf dem Downlink von 100 Mbit/s bis 1 Gbit/s sollen möglich sein.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
71
Funknetze: Adressierung



Jeder Funknetzteilnehmer hat eine weltweit einheitliche Adresse nach E.164.
Diese ist max. 15-stellig. Der generelle Aufbau ist wie im Fernsprechnetz.
In DE beginnen alle Funkrufnummern mit (0) 14.. bis (0) 17…
Die Festlegungen erfolgen durch http://www.bundesnetzagentur.de

BEISPIELE:
(0)14 frei Reserve
*)
(0)15 Mobilfunk (GSM und UMTS/IMT-2000):
(0)17*) Mobilfunk (GSM und UMTS/IMT2000):
(0)1505 Group3G (Quam)
(0)1511, (0)1515: T-Mobile
(0)1520 Vodafone
(0)1566 MobilCom
(0)1570, (0)1577: E-Plus Mobilfunk GmbH & Co. KG
(0)170, (0)171: T-Mobile
(0)172, (0)173, (0)174: Vodafone
(0)175 T-Mobile
(0)176 O2 (Germany)
(0)177, (0)178: E-Plus Mobilfunk
(0)179 O2 (Germany)
(0)16*) Mobilfunk:
(0)167 Bündelfunknetze:
(0)160 T-Mobile
(0)161, (0)165 frei Reserve
(0)162 Vodafone
(0)163 E-Plus Mobilfunk
(0)1672 Dolphin Telecom (Deutschland)
(0)168 e*message (Funkruf)
(0)169 e*message (Funkruf)
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
72
GSM-Funknetz: Merkmale

GSM-900-Funknetze, D1, D2
 124 Trägerpaare für Up- Download im Abstand von
45 MHz und je 200 kHz Bandbreite
 D1, D2 nutzen je 62 disjunkte Frequenzpaare
 8 Zeitschlitze pro Träger mit 13/14,4 kbit/s
 Sendeleistung 2 bis 10 W
 Funkzellenradius bis 35 km

BTS-BSC-MSC
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze
900 MHz-Bereich
D1, D2
BTS-BSC-MSC
GSM-1800-Funknetze, E1, E2
 372 Trägerpaare für Up- Download im Abstand von
95 MHz und je 200 kHz Bandbreite
 E1, E2 nutzen je 186 disjunkte Frequenzpaare
 8 Zeitschlitze pro Träger mit je 13/14,4 kbit/s
 Sendeleistung 0,25 bis 1 W
 Funkzellenradius bis 8 km
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze
1800 MHz-Bereich
E1, E2
BTS-BSC-MSC
Nutzer-Netz-Signalgabe
EE
Nutzer-Netz-Signalgabe
Ende-zu-Ende-Nutzkanal
14.4 kbit/s
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
TE
73
GSM-Funknetz: Teleservices und -cs-Bearerservices
 Teleservices:
– Funktelefonie, 0,3 bis 3,4 kHz
Sprachbandbreite
– Short Message Service - SMS
– Internetzugang über Dial-Up-Server
– Wireless Application Protocol – WAP
BTS-BSC-MSC
 cs-Bearer Services:
– Circuit Switched Speech (13 kbit/s)
– Circuit Switched Data (14,4 kbit/s)
– High Speed CSD (bis 57,6 kbit/s)
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze
900/1800 MHz-Bereich
BTS-BSC-MSC
• durch Nutzung mehrerer Slots
(Zeitlagen ) pro Träger
• max. kann man 4 Zeitlagen nutzen,
da Mobils nicht gleichzeitig senden
und empfangen können.
• 4*14,4 kbps = 57,6 kbps
• Sende- und Empfangszeitlage
liegen 4 Slots auseinander
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
74
GSM-Funknetz: Architektur, cs-Teil
Fernsprechnetze,
andere Funknetze
Internet
GVSt
Dial-Up
UNI
MS
Zugangsnetz
BTS
BSC
MS
BTS
GSMKernnetz,cs
GMSC
VLR
Übertragungsnetz
BSC
BTS
MS
BSC
BTS
BTS
HLR
Authentication Center
Base Station Controller
Base Transceiver Station
Equipment Identification Register
BTS
MSC
BSC
AuC
BSC
BTS
EIR
MS
Zugangsnetz
VLR
MSC
UNI
Server
NNI
GMSC
HLR
MS
AuC
EIR
SMS-C
Gateway Mobile Service Center
Home Location Register
Mobile Station
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MSC
SMS-C
VLR
Mobile Switching Center
Short Message Service-Center
Visitor Location Register
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
75
GSM-Funknetz: Zugriffsverfahren: FDD und TDMA


Duplex werden durch FDD (frequency division duplex) und
Mehrfachzugriff durch FDMA/TDMA (frequency and time division multiple access) realisiert.
890
MHz
f1
915 935
MHz MHz
Uplink-Band, 25 MHz
f2
f3
f4
f5
f120 f121 f122 f123 f124
f1
Downlink-Band, 25 MHz
f2
f3
f4
f5
960
MHz
f120 f121 f122 f123 f124
A
0
1
4
7
*
1
2
3
0
1
2
3
1
4
7
*
5
7
3
6
9
#
B
4
6
2
5
8
0
2
5
8
0
3
6
9
#
4

5

6
C
7
1
4
7
*
2
5
8
0
3
6
9
#
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die Sende- und Empfangszeitlage
liegen 4 Zeitschlitze auseinander
Hier beispielsweis:
–
–
–
A sendet in Slot 0 und empfängt in Slot:
mod8(0+4) = 4
B sendet in Slot 1 und empfängt in Slot:
mod8(1+4) = 5
C sendet in Slot 4 und empfängt in Slot:
mod8(4+4) = 0
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
76
GSM-Funknetz: Frequenzplanung



Wie bereits erwähnt, werden pro GSM-Trägerfrequenzpaar 8 Zeitschlitze gebildet.
Pro Trägerpaar können damit maximal 8 Teilnehmer telefonieren.
Soll der Versorgungsgrad höher sein:
– muss man mehrere disjunkte Trägerpaare anbieten, Sektorantennen einsetzen
– oder die Zellen kleiner machen.


Wo ein Träger ist, sollte kein weiterer gleicher sein.
Funknetze werden deshalb genau geplant. In den Berechnungsmodellen werden
Oberfläche, Bebauung usw. berücksichtigt.
5*8= 40 Slots
in Bsp.-Fläche
2
7
1
6
5
3
4
z.B. 7 Site Cluster
7
2
6
7
3
1
6
4
5
2
1
5
2
7
3
4
2
7
3
1
6
3
1
6
4
2*8=16 Slots
in Bsp.-Fläche
4
5
5
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
77
GSM-Funknetz: Architektur im Zugangsnetz




BTS (base transceiver station) +Antennen bilden den Netzabschluss.
BSC's (base station controller) sind an die MSC angeschaltete Konzentratoren und
versorgen die BTS.
Stehen BTS JWD, werden sie per Richtfunk verbunden (ansonsten über Cu-DA oder LWL).
In allen Geräten sind Notstromeinrichtungen enthalten.
BTS
Richtfunk
Richtfunk
Cu-DA
Cu-DA
Koax
Koax
LWL
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BSC
LWL
MSC
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
78
GSM-Funknetz: Netz-Komponenten

Antennen
– links oben für GSM 900
– oben vorn GSM 1800 und UMTS
– unten Richtfunkantennen


Blick in ein MSC
BTS in einem Blechgehäuse für
Außeninstallation
Weitere Bilder:
http://www.nobbi.com/gallery_tf.ht
m
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
79
GSM-Funknetz: mit GPRS-Erweiterung 2,5G
 GSM-900/1800-Funknetze, D1, D2, E1, E2
– werden um ein Paketvermittlungskernnetz
erweitert siehe Folie.
– Auf Trägerpaaren wird ein Slot oder mehrere
gebündelten Slots für
Paketdatenübertragung angeboten.
– Dies geht aus dem Funkfeuer hervor, was
auf jedem Träger zyklisch gesendet wird.
BTS-BSC-MSC
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze
900/1800 MHz-Bereich
D1, D2
E1, E2
BTS-BSC-MSC
 2,5G-Netze bestehen damit intern aus zwei
Netzen cs-Netz ps-Netz.
Nutzer-Netz-Signalgabe
Nutzer-Netz-Signalgabe
Circuit switched
13/14.4 kbit/s
EE
Nutzer-Netz-Signalgabe
DEE
TE
Nutzer-Netz-Signalgabe
Packet switched
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
DTE
80
GSM-Funknetz: Merkmale von GPRS
 GPRS erfordern Hard- und Softwareerweiterungen in den Mobils.
 Mehrere Teilnehmer nutzen den gleichen Kanal (die gleichen Kanäle).
Wird z.B. nur ein Slot für GPRS genutzt Datenrate von 14,4 kbit/s
 SendewilligeTeilnehmer Request an Funknetz. Funknetz erteilt
Teilnehmern nacheinander die Sendeerlaubnis (Multiple Access).
 Funkressourcen werden besser genutzt Problem:QOS.
UplinkFrequenz
1
2
A
1
4
7
*
2
5
8
0
6
1
4
7
*
2
5
8
0
3
6
9
#
7
8
2
5
8
0
3
6
9
#
1
A
C ungenut
zt
B
3
Responses vom Server
4
5
5
B
A
C
6
C
1
4
7
*
Requests zum Server
2
B
4
5
1
3
6
9
#
3
DownlinkFrequenz
7
8
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
81
GSM-Funknetz: 2,5-GSM-Architektur, cs- und ps-Teil
andere Funknetze
Internet
GVSt
Dial-Up
Server
NNI
UNI
UNI
GSM-
Zugangsnetz
Kernnetz,cs GMSC
VLR
MS
BTS
BSC
BTS
MSC
VLR
BTS
Übertragungsnetz
MSC
BTS
HLR
AuC
SGSN
Übertragungsnetz
SMS-C
GGSN
GGSN
PCU
SGSN
Gateway GPRS Serving Node
Packet Control Unit
Serving GPRS Support Node
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SGSN
PCU
MS
BSC
EIR
BSC
BTS
BSC
PCU
MS
MS
Zugangsnetz
PCU
BTS
BSC
BTS
GPRSKernnetz, ps
NNI
Router
Internet
Server
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
82
Funknetze: 3GPP - 3rd Generation Partnership Project
 3GPP: Vereinigung von Standardisierungsgremien ARIB (Japan), CCSA (China),
TTA (Korea), atis (USA), ETSI (Europa), TTC (Japan)
 Ziel: weltweit gültige Funknetzstandards.
Rel 99
1999
3G
UMTS
Rel 5
2002
Rel 6
2004
HSDPA
HSUPA
HSUPA
HSPA evolution
LTE
LTE Advanced
Rel 8
2008
Rel 9
1999
Rel 10
2011
Rel 11
2012
HSPA evolution
LTE-R8
4G
UMTS
HSDPA
Rel 7
2007
LTE-R9
LTE Advanced
CDMA, Trägerbandbreiten von 5MHz, erlauben Datenraten bis 384 kbit/s
High Speed Download Packet Access, Kanalqualität bestimmt Modulation (QPSK…64QAM) und Kodierung
(CDMA+TDMA), QPSK … 16-QAM erlauben DL-Datenraten bis 14,4 Mbit/s
High Speed Upload Packet Access, UL-Datenraten bis 5,76 Mbit/s
durch höherwertige Modulationsverfahren (16-QAM..64-QAM) und MIMO (Multiple In Multiple Out) Datenraten bis
170 Mbit/s auf dem Downlink und 23 Mbit/s auf dem Uplink. NodeB's müssen aufgerüstet werden und auch die
Trägersysteme zum RNC.
ist neuer Funkstandards, der eine neue Systemarchitektur erfordert. LTE nutzt flexible Kanal-Bandbreiten von
1,25MHz bis 20 MHz. Durch OFDM und MIMO wird eine bessere Bandbreiteneffizienz erreicht. DL-Datenraten bis
300 Mbit/s
Bandbreiten-Aggregation bis zu 100 MHz, bis zu 8x8 MIMO, DL-Datenraten bis zu 1 Gbit/s
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83
UMTS-Funknetz: Merkmale 3G



UMTS-Funknetze, als völlig eigenständige Netze
gibt es (i.d.R.) nicht.
UMTS ist eine Zugangsnetztechnologie, die
die für GSM geschaffenen Kernnetze nutzt.
Unterschiede GSM und UMTS:
GSM
UMTS
Frequenzbereiche
900/1800 MHz
2000 MHz
Träger
124/372*FDD
12*FDD/5*TDD
Bandbreite
200 kHz
5 MHz
Duplex
FDD
FDD/TDD
Multiple Access
FDMA+ TDMA
FDMA + CDMA
CDMA
FD
GSM-MS
BTS-BSC-MSC
GSM-Funknetze
900/1800 MHz-Bereich
D1, D2
E1, E2
NodeB-RNCMSC/SGSN
UMTS-MS
code division multiple access, Stationen codieren Bits mit orthogonalen Codes, mehrere Stationen
senden zur gleiche Zeit im gleichen Band.
frequency division, mehrere disjunkte Träger
FDD
frequency division duplex, Up- und Downlink über extra Träger
TDD
time division duplex, eine Trägerfrequenz wir zeitlich abwechselnd für Up- und Downlink verwendet.
Nur in kleinen Zellen anwendbar gute Frequenznutzung.
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84
UMTS-Funknetz: Funkzellentypen
Pikozelle
50 m, 10 km/h, bis 2 Mbit/s, TDD time division duplex
500 m, 120 km/h, bis 384 kbit/s, FDD frequency division duplex
Mikrozelle
2000 m, 500 km/h, bis 144 kbit/s, FDD
Makrozelle
 Zellen können sich überlagern.
 Alle können gleiches Frequenzband nutzen.
 Unterscheidung durch Code Division Multiple Access (CDMA):
– im Spreizcode sind enthalten: Betreiber-, Zellen-, und Teilnehmerkennung.
– Pro Bit bis 200-fache Spreizung.
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85
UMTS-Funknetz: Architektur
NNI
Zugangsnetz
BTS
GSMKernnetz,cs
Zugangsnetz
GMSC
VLR
VLR
BSC
BTS
PCU
MSC
Übertragungsnetz
BTS
BSC
BTS
MSC
GSM-MS
GSM-MS
BSC
Node B
EIR
Übertragungsnetz
SMS-C
PCU
BTS
PCU
UMTS-MS
Node B
AuC
SGSN
BTS
HLR
SGSN
BSC
RNC
RNC
GPRSKernnetz, ps
Node B
GGSN
UTRAN
NNI
Router
UMTS-Basisstation
Radio Network Controller
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network
Node B
Node B
UTRAN
Node B
RNC
Node B
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UMTS-MS
Internet
Server
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
86
UMTS-Funknetz: Komponenten des Zugangsnetzes
Die Node B-860 unterstützt z.B.:
 2 Träger und 3 Sektoren
 mit einer Ausgangsleistung von
bis zu 40 W pro Träger.
 Verfügbar ist eine Kapazität von
384 Sprachkanälen und
 16 E1-Leitungen.
Radio network controller - RNC
 hohe Anrufverarbeitungskapazität für
paketorientierten (PO) und
leitungsvermittelten (CS) Verkehr
 hervorragender PO- + CS-Durchsatz
 Konnektivität für bis zu 512 Node B
zum
cs-/ps-Kernnetz
(Switches, Routers)
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87
UMTS-Funknetz: HSPA-Erweiterung 3,5G
 HSPA = HSDPA + HSUPA
 HSPA stellt höhere Datenraten gegenüber UMTS (384 kbit/s) bereit.
 Derzeit, abhängig vom Netzbetreiber, bis zu:
– 14,4 Mbit/s Downlink,
– 5,76 Mbit/s Uplink.
 Das wird insbesondere erreicht durch:
–
–
–
–
64-QAM im Downlink (Modulationsverfahren)
16-QAM im Uplink (Modulationsverfahren)
Dual-Carrier (Kanalbündelung)
MIMO (Multiple Input Multiple Output)
 Durch höherwertige Modulationsverfahren wird Frequenzspektrum besser
ausgenutzt höhere Geschwindigkeiten.
 Endgeräte müssen nicht alle Techniken unterstützen. Endgeräte melden
ihre Fähigkeiten durch eine Gerätekategorie bei der Basisstation an.
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1402201.htm, 11.07.2013
HSPA
HSDPA
HSUPA
High Speed Packet Access ist der Sammelbegriff für HSDPA+HSUPA
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Uplink Packet Access
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
88
UMTS-Funknetz: HSPA-Erweiterung

Dual-Carrier:
– Erhöhung der Datenrate durch Zusammenfassung von zwei 5-MHz-Kanälen.
– Damit zwei Carrier zusammengefasst werden können, müssen die Zellen von zwei
Basisstationen (Node B) versorgt werden.
– Die Carrier müssen im Funkspektrum direkt nebeneinander liegen.
– Eine solche Situation findet man oft an den Randbereichen von Zellen. Um Funklöcher
zu vermeiden, überlappen sich nebeneinanderliegenden Zellen und werden somit von
mehreren Basisstationen versorgt.
– Während bisher an Zellenrändern eher mäßiger bis schlechter Empfang herrscht, kann
durch die Dual-Carrier-Technik die Situation verbessert werden.

MIMO - Multiple Input Multiple Output:
– Mehrere Antennen liefern ein besseres Empfangssignal, vergrößern die mögliche
Distanz oder erhöhen den Datendurchsatz.
– MIMO bedeutet, dass sich mindestens zwei Antennen in der Basisstation und in den
Endgeräten befinden müssen. Das kann zu einer Verdoppelung der Datenrate führen.
– MIMO ist bei HSPA+ nur für die Empfangsrichtung (Downlink) ausgelegt. Also von der
Basisstation zu den Teilnehmern. In Senderichtung nutzt das Endgerät nur eine der
beiden Antennen.
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1402201.htm, 11.7.2013
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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89
UMTS-Funknetz: HSPA-Architektur
 Netzarchitektur I-HSPA von Nokia: Reduzierung des netzinternen
Datenverkehrs durch flache Netzarchitektur. Die Node B (Basisstationen)
werden direkt an die GGSN angeschlossen. Der Umweg über RNC und
SGSN entfällt. Dadurch entstehen kürzere Latenzzeiten.
 NodeB und RNC oft von einem Hersteller und SGSN/GGSN von anderen
Hersteller. Neues Interface NodeB/GGSN neues Problem.
HLR
SGSN
Node B
RNC
SMS-C
GPRSKernnetz, ps
UTRAN
Node B
EIR
UTRAN
Übertragungsnetz
SGSN
UMTSMS
AuC
Node B
RNC
Node B
Node B
Node B
GGSN
UMTS-MS
NNI
Router
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Internet
Server
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
90
LTE-Funknetze: Long Term Evolution 3,9G
 LTE (langfristige Entwicklung): Worthülse ohne technische Bedeutung
– weltweit gültige Mobilfunktechnik, aber keine einheitlichen Frequenzbereiche,
– wird kurzfristig GSM-, UMTS- und HSPA-Mobilfunknetze nicht ersetzen,
sondern um ein IP-basiertes Netz ergänzen.
– soll auch letzte Meile funktechnisch überbrücken (ländliche Gebiete) und damit
Kabelmodemtechnik und DSL ergänzen.
 LTE ist eine Weiterentwicklung der UMTS-Technologie:
– Standardisiert durch 3GPP1)-Spezifikationen, Release 8 und folgende
– Liste aller TR2) und TS3) enthält 3GPP TS 21.101 V8.4.0 (2012-03)
 LTE-Systemsicht
Services
LTE-Dienste: SMS, Voice over IP, Netzübergänge, …
EPC (Envolved Packet Core)
LTE-Kernnetz: Router
E-UTRAN (Envolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)
LTE-Zugangsnetz: eNodeB
UE (User Equipment)
LTE-Endgeräte: Smartphone, Tablet, Laptop
IP-basierte
Kommunikation
1) 3GPP - 3rd Generation Partnership Project, www.3GPP.org
2) TS – Technical Report
3) TS – Technical Specification
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
91
LTE-Funknetze: Merkmale1)
Höhere DL-Datenraten
Bis 300 Mbps durch OFDM MIMO (bis 4x4) und SDMA
Höhere UL-Datenraten
Bis 80 Mbps
Flexible Netzabdeckung
Zellgrößen: Indoor (x*10m), Urbane (x*100m), Suburban (x*500m), Rural
(x*1000m)
Verbesserungen an den Zellrändern
Flexible Kanalbandbreiten
Downlink: 1.4, 3, 5 , 10, 15, 20 MHz
Geringere Latenzzeiten
Vom Mobil bis zum Festnetz unter 5 ms
Unterstützung von FDD und
TDD
Unterschiedliche Duplexbetriebsarten
Integration von MIMO
Bis 4x4-MIMO
Mobilität
Datenrate = f(Mobilität), bis 300 km/h, optimiert für 0..15 km/h
Skalierbare QOS
Dienstgerechter Datendurchsatz und Latenzzeiten
Einfachere Netzarchitektur
Weniger Netzelemente
Geringer Energieverbrauch
Insbesondere für Mobils
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
92
LTE-Funknetze: Merkmale
 Spektrale
Effizienz DL,
Zellendurchschnitt
2,5
2,5
2
1,4
1,5
1,1
1
0,72
0,48
0,5
0,03
0,09
bps/Hz
0,2
0
 Modulationsverfahren: 64-QAM, 16-QAM, QPSK
QPSK
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16 QAM
LTE-Basisstation
64 QAM
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
93
LTE-Funknetze: Zugriffsverfahren OFDMA, SC-FDMA
OFDM+TDMA
15 KHz
OFDMA
orthogonale Subträger
15 KHz
orthogonale Subträger
f
t
SC-FDMA
15 KHz orthogonale Subträger
f
f
t
Bisher wurde bei OFDM die
Ressourcenzuteilung auf
die Nutzer per TDMA
geregelt.
t
Bei OFDMA erfolgt die
Ressourcenzuteilung auf
die Nutzer im Zeit- und
Frequenzbereich.
Reaktionszeit 1ms.
Bei SC-FDMA erfolgt die
Ressourcenzuteilung auf
die Nutzer im Zeitbereich,
zugeteilt durch die
Basisstation.
Nutzer 1, 2, 3
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
94
LTE-Funknetze: Mehrantennensysteme1) - MIMO
 LTE wird neben OFDM durch Mehrantennensysteme geprägt.
 Baugleiche Antennen, angesteuert über intelligente
Signalverarbeitungsalgorithmen, haben eine wesentliche Verbesserung
der Sende- und Empfangseigenschaften zur Folge:
– wodurch der Signal-Rauschabstandes größer wird,
– was höhere Datenraten oder höhere Reichweiten erlaubt.
Sender
SISO
Empfänger
 Mehrantennensysteme werden aus Sicht der
Empfangsseite klassifiziert:
– SISO (Single Input, Single Output):
Empfänger
Sender
SIMO
Empfänger
ein Sendesignal hat ein Empfangssignal zur Folge.
– SIMO (Single Input, Multiple Output) :
ein Sendesignal hat zwei Empfangssignale zur Folge.
Sender
Sender
MISO
– MISO (Multiple Input, Single Output) :
zwei Sendesignale haben ein Empfangssignal zur Folge.
– MIMO (Multiple Input, Multiple Output):
Sender
Sender
Empfänger
Empfänger
MIMO
Empfänger
zwei Sendesignale haben zwei Empfangssignale zur
Folge.
1) Jörg Rech: Wireless LANs, Heise 2008
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
95
LTE-Funknetze: Mehrantennensysteme1)
 3 Hauptverfahren: Diversity, Combining, Spatial Multiplexing
 SIMO-Anwendung Switched-AntennaBewerter
Diversity2)-Verfahren:
– Beim Empfang der Präambel entscheidet der
Bewerter, welches Antennensignal genutzt wird.
Senke
 SIMO-Anwendung Maximal-Ratio-Combining-Verfahren:
– Die Empfangssignale werden technisch aufwändig kombiniert, wodurch aber die
Empfangsleistung deutlich erhöht wird
– und gleichzeitig Interferenzen durch eine Mehrwegeausbreitung unterdrückt werden.
 MIMO-Anwendung
– Aufteilung des Datenstromes auf mehrere Sendersysteme - Spatial Multiplexing.
– Auf der Empfängerseite werden die überlagerten Signale separiert und die einzelnen
Datenströme wieder zusammengefügt.
– Verfahren erfordern Aufwand: n-Sende-/n-Empfangssysteme, leistungsfähige
Signalverarbeitung und damit hohen Energiebedarf.
1) Jörg Rech: Wireless LANs, Heise 2008
2) Vielfalt
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96
LTE-Funknetze: Frequenzen
 International wurden im Bereich von 800 MHz bis 2700 MHz 44 LTE-Bänder
ausgewiesen. Typisch:
– Europa: 800 MHz, 1.8 und 2.6 GHz
– Nordamerika: vorrangig 700, 1700, 1900 und 2100 MHz
– Asien: 850 MHz, 1.8 GHZ, 2.1, 2.3 GHz und 2.5 GHz.
 Für internationale Produkte Probleme.
 Das Euro-IPhone 5 funkt bspws. über die LTE-Frequenzbänder 1 (2100 MHz),
3 (1800 MHz) und 5 (850 MHz).
– In AT gibt es derzeit nur LTE Band 7 (2,6 GHz),
– In DE kann man damit nicht LTE-800 nutzen (ländliche Gebiete).
 Die Zuteilung erfolgt 5-MHz-weise:
– für FDD-Nutzung (Frequency division duplex),
zwei Träger gleichzeitig, einer für Up- und einer für Download
– für TDD-Nutzung (Time division duplex),
ein Träger zeitlich nacheinander für Up- und Download
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97
LTE-Funknetze: Frequenzen in DE
Frequenzbereich
Telecom
Vodafone
O2 Telefónica
E-Plus
LTE 800
791-821, 832-862
2*10 MHz FDD
2*10 MHz FDD
2*10 MHz FDD
-
LTE 1800
1710-1858
2*15 MHz FDD
-
-
2*10 MHz FDD
LTE 2600
2500-2570, 2620-2690
2*20 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2*10 MHz FDD
2570- 2620
5 MHz TDD
25 MHz TDD
10 MHz TDD
10 MHz TDD
791
MHz
821
MHz
FDD
832
MHz
862
MHz
FDD
LTE 800
5
MHz
2500
MHz
FDD
2570
MHz
LTE 2600
2620
MHz
FDD
2690
MHz
TDD
5
MHz
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98
LTE-Funknetze: Frequenzen in AT
Frequenzbereich
T-Mobile
Austria
LTE 800
791-821, 832-862
Versteigerung erfolgt erst Ende 2013
LTE 2600
2500-2570, 2620-2690
2*20 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2*10 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2570- 2620
-
25 MHz TDD
-
25 MHz TDD
2500
MHz
FDD
Mobilcom
Austria (A1)
2570
MHz
LTE 2600
Orange Austria
2620
MHz
3
FDD
2690
MHz
TDD
5
MHz
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99
LTE-Funknetze: Architektur1)
SAE-GW
eNode B
E-UTRAN
HSS
IMS
MME
PCRF
PDN-GW
SAE-GW
S-GW
1)
envolved NodeB
Sende-/ Empfangssysteme mit RNC-Funktionalität (RNC - Radio Network Control )
Envolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
Home Subscriber Server
IP Multimedia Subsystem
Management Mobility
Entity
Policy and Charging Rules
Function
Packet Data NetworkGateway
Service Architecture
Evolution- Gateway
Serving Gateway
Teilnehmerdatenbasis für LTE-Netz, bei GSM und UMTS war es das HLR
Realisierung von Teleservices basierend auf SIP (Session Initiation Protocol) und Gateways zu unterschiedlichen Netzwerken
(GSM, ISDN, …). IMS = Nutzerverwaltung, Roaming, Call Control, Gateways für Control- und Using-Plane, Charging …
Zuständig für Anmeldung/ Authentifizierung /Lokalisierung. MME nutzt HSS. Endgeräten wird für Nutzdaten ein S-GW zugeteilt
Steuerung des PDN-GW: Kommunikationserlaubnis, Datendurchsatz je nach Teleservice (QOS-Sicherung) und
Kostenberechnung
Übergang zu externen IP-Netzen. Vergibt öffentliche IP-Adresse. Verwaltet Kommunikation eines Teilnehmers zu mehreren
Netzen.
Besteht aus S-GW und PDN-GW. S-GW ist Router für die IP-Funknetzkommunikation.
Router eines Netzgebietes. Bei ankommenden Verbindungen Zwischenspeicher, bis über MME User aktiviert wurde.
Abbildung aus: http://www.ltemobile.de/lte-technik/epc-das-lte-kernnetz/
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100
LTE-Funknetze: Übertragungsnetz, Bearer- und Teleservices
 Übertragungsnetz:
– Bei GSM und UMTS wurden im Anschlussnetz hauptsächlich Primärraten (2.048
Mbps) verwendet.
– Aufgrund der hohen Datenraten verwendet man bei LTE Ethernet über LWL
 Bearer:
– nur noch IP-basiertes ps-cl
– kein cs mehr
 Teleservices:
– Sprache durch Rückfall auf cs-Netze Übergangslösung:
• LTE-Endgerät nutzt für Sprache GSM- oder UMTS-Netz
– Sprache durch VoLTE (Voice over LTE):
• Sprachübertragung über das IMS (IP Multimedia Subsystem, 3GPP-Spezifikation TS 23.228)
• Signalgabe über SIP
– SMS durch Rückfall auf cs-Netze Übergangslösung
– SMS über das IMS (IP Multimedia Subsystem, 3GPP-Spezifikation TS 23.228)
 Übersichtsartikel: Sprachloses Funknetz - Strategien und Szenarien für
Sprach- und SMS-Übertragungen bei LTE
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101
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G

ITU-Report M.2134
Im ITU-Report M.2134 werden die technischen Minimalanforderungen an G4-Netze
formuliert.
1. Cell spectral efficiency
(der Durchschnittswert einer Zelle)
2. Peak spectral efficiency
– Bsp.: Max. DL/UL-Datenrate bei z.B.
40 MHz Bandbreite
DL-D= 15 bps * 40 MHz / Hz = 600 Mbps
UL-D= 6,75 bps * 40 MHz / Hz = 300 Mbps
bps/Hz/cell
Indoor
Urbane
Suburban
Rural
MIMO
bps/Hz
MIMO
Downlink
Uplink
3
2,6
2,2
1,1
2,25
1,8
1,4
0,7
4x2
2x4
Downlink
Uplink
15
6,75
4x2
2x4
3. Bandwidth soll bis 40 MHz skalierbar sein. Diese Bandbreite kann
durch einen oder mehrere Träger bereitgestellt werden.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
102
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G
4. Cell edge user spectral efficiency
5. Latency
– Control plane: Übergangszeit vom z.B.
Zustand „Frei“ zum Zustand „Aktiv“
– User plane: Transportzeit eines IP-Paketes
(ohne Payload) zwischen Endgerät und
Basisstation im UL und DL.
ITU-Report M.2134
bps/Hz
Indoor
Urbane
Suburban
Rural
Stationär
Fußgänger bis 10 km/h
Fahrzeuge von 10 .. 120 km/h
Schnelle Fahrzeuge 120 … 350 km/h
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Uplink
0,1
0,075
0,06
0,04
0,07
0,05
0,03
0,015
Control plane User plane
ms
6. Mobility es werden 4 Mobilitätsklassen
unterschieden:
–
–
–
–
Downlink
Indoor
Urbane
Suburban
High Speed
< 100
< 10
Traffic channel
link data rates
bps/Hz
Speed
(km/h)
1,0
0,75
0,55
0,25
10
30
120
350
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
103
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G
ITU-Report M.2134
7. Handover
Die Handover interruption time ist die Zeit, in
der ein Terminal beim Zellwechsel keine
Nutzerdaten mit der Basisstation
austauschen kann.
Handover type
Interruption time
(ms)
Zellen nutzen
gleiche Frequenz
27,5
Zellen verschiedene
Frequenzen:
• im gleichen Band
• anderes Band
8. VoIP capacity
Annahmen:
–
–
–
–
Nutzung eines 12,2 kbps-Codecs
Aktivität 50%
Weniger als 2% Gesprächsunterbrechungen
98% der VoIP-Pakete sollten eine
Verzögerungszeit unter 50 ms haben.
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40
60
VoIP capacity
(Active users/sector/MHz)
Indoor
Urbane
Suburban
High Speed
50
40
40
30
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
104
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G
 LTE- Release 10 entspricht den M.2134 -Anforderungen.
 LTE-Advanced will:
– Im Download 1000 Mbps erreichen
spektrale Effizienz 30 bps/Hz und 8x8-MIMO
– Im Upload 500 Mbps erreichen
spektrale Effizienz 16 bps/Hz und 4x4-MIMO
 Die wichtigsten Neuerungen bei LTE-Advanced sind:
– MIMO-Techniken, bis 8x8-MIMO
– Carrier Aggregation (CA), Nutzung von mehr Bandbreite durch
Zusammenfassung von Teilträgern
– Relay Nodes zur besseren Versorgung der Zellränder,
– und Mindestforderungen, siehe Folien 102 bis 104.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
105
LTE-Funknetze: LTE Advanced - Carrier Aggregation




Bandbreitenerhöhunghöhere Datenrate
Bei LTE gibt es Teilträger von (CC – Component
Carrier) : 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
Max. fünf können aggregiert werden
max. Bandbreite = 100 MHz
Die Anzahl der CC‘s in DL und UL können
verschieden sein. Es gilt aber: CCUL < CCDL
Max. 5 CC‘s á 20 MHz 100MHz
…
CC‘s: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
 Die aggregierten CC‘s können liegen:
– im gleichen Band zusammenhängend
intra-band, contiguous
– im gleichen Band nicht zusammenhängend
intra-band, non-contiguous
– in verschiedenen Bändern
inter-band, non-contiguous
Band 1
Band 1
Band 1
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
Band 2
106
LTE-Funknetze: LTE Advanced – Relay Nodes

RN‘s werden hauptsächlich eingesetzt:
– zur besseren Versorgung an den
Zellkanten.
– zur Versorgung entlegener Gebiete
ohne LWL-Anschluss.



RN Typ1a: Frequenzen für Uu und Un
sind verschieden (outband relay).
RN Type1: Frequenzen für Uu und Un
sind gleich (inband relay).
Interferenzvermeidung bei Typ 1:
Un
Uu
Uu
Donor cell
RNB
Relay NodeB
DeNB
Donor enhanced NodeB
– Uu-Un-Zeitmultiplex
– Räumliche Trennung von Sender und
Empfänger, z.B. Richtantennen.

RNB‘s haben USIM‘s (Universal Subscriber
Identity Module) zur Authentifikation, sonst
Missbrauchsgefahr.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
107
Das Internet (Interconnected networks)

1969 wurde das ARPANET (Advanced Research Project Agency Network) aufgebaut.
– Drei Universitäten wurden über 56 kbit/s-Mietleitungen vernetzt.
– Dienste: telnet, ftp


1971: Email
1973: TCP/IP-Protokolle

1983: Trennung in Milnet und Arpanet
– Begriff Internet wird eingeführt
– Einführung des Domain Name Service (DNS).
Auflösung symbolische Adressen auf IP-Adressen,
z.B www.telecom.hs-mittweida.de auf 141.55.192.199


1988: erste Internetprovider in DE
1989: Verbreiterung der Nutzung (Kommerzialisierung)
– wissenschaftlichen Einrichtungen, Schulen
– Firmen und Organisationen
– Privathaushalte

1992: Einführung des Internetdienstes WWW (world wide web).
– Einfach zu nutzender Dienst für Text, Bilder, Audio, Video
– Internet wird zum Massennetz
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
108
Das Internet: Host's weltweit http://ftp.isc.org/www/survey/reports/2013/07/hosts.png
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
109
Das Internet: Szenario
Domain A
R
R
R
R
LAN
GW
R
R
R
R
R
Internet Backbone
R
Internet Backbone
Provider Y
Provider X
Dial-UpServer
LWL
PC|s
mit DSLModem
Fernsprechnetze
Server
DSLAM
Funknetze
PC|s
mit Modem
mit ISDN
Dial-Up-Server
Domain
X
Dial-UpServer
Hub
R
R
R
R
R
Internet Backbone
Provider Z
LAN
Hub
R
GW
Domain
B
GW
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LAN
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
110
Das Internet: Architektur
Router
Backbone
Provider n
Domain A
PC|s
mit DSLModem
DSLAnschlussMUX
PC|s
mit Modem
Übertragungsnetz
E-Router
2, 4, 8, 16, 34, 155
Mbits/s
GW
E-Router
LAN
Server
G-Router
34, 155, 620 Mbits/s
Übertragungsnetz
Funknetze
UMSTS, HSPA, LTE
Dial-UpServer
mit ISDNKarte
G-Router
2, 4, 8, 16, 34, 155
Mbits/s
LAN
Hub
Hub
Backbone
Provider 1
Übertragungsnetz
E-Router
Hub
E-Router
Domain
X
2, 4, 8, 16, 34, 155
Mbits/s
Router
GW
Domain
B
GW
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LAN
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
111
Das Internet: Anwendungen und Protokolle
Client
Server
Router
WWW
FTP
E-Mail
Dienste
WWW
FTP
E-Mail
HTTP
FTP
SMTP POP
Anwendungsprotokolle
HTTP
FTP
SMTP POP
An- und
Abmeldung
Nutzung von
TCP, UDP
An- und
Abmeldung
Socket-API
Nutzung von
TCP, UDP
Socket-API
TCP, UDP
TCP, UDP
Routing
IP
IP
IP
IP
PPP, SLIP
PPP, SLIP
MAC
MAC
Modem,
ISDN-Karte
oder DSL-Modem
Telefonnetz,
DSL-Netz
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z.B. EthernetKarte
Internetz
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
112
Das Internet: Services
 Wichtige Teleservices im Internet sind:
–
–
–
–
WWW – world wide web
E-Mail – electronic mail
FTP – file transfer protocol
VoIP – voice over IP
 Supplementary Services
– WWW: URL-Weiterleitung, wenn Ressource umgezogen
– E-Mail: Weiterleitung
 Bearer services basierend auf packet switched-connection less (ps-cl)
sind:
– TCP 
– UDP 
–
IP DataLink Physical
IP DataLink Physical
IP DataLink Physical
SOCK_STREAM
SOCK_DGRAM
SOCK_RAW
 Prinzip ps-cl-Netz
–
netzinterner DatenTransport über wechselnde Routen
Endgerät
Daten-Pakete
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Endgerät
Daten-Pakete
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
113
Das Internet: Adressierung
root
 Domänenstruktur im Internetz
com
hp
ms
org
edu
...
ietf
at
...
...
de
hsmw
avm
eit
...
top level domains
domains
sub domains
hosts
 Symbolische Adressierung:
<methode>://<host>*(.<sub domain>).<domain>.<top level domain>/<path>
 Beispiele:
http://www.hs-mittweida.de/hsm/index.htm
ftp://ftp.tu-chemnitz.de/pub/
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
114
Das Internet: Klassenbasierte Adressierung
 Die symbolische Adresse wird mittels DNS (domain name system) auf eine IPAdresse aufgelöst.
 www.hs-mittweida.de wird z.B. aufgelöst auf 141.55.192.190
 Die 4-Byte-IP-Adresse besteht dem Präfix und Suffix.
Präfix = Netz-Adresse
Klassen-ID
Suffix
Host-ID
Netz-ID
 Für jeden dieser Teile wurden ganze Bytes verwendet.
Byte 1
Class A
0
Class B
10
Class C
110
Byte 2
Byte 3
Byte 4
24 Bit
Host-ID
7 Bit
Netz-ID
0.0.0.0 to 127.255.255.255
16 Bit
Host-ID
14 Bit
Netz-ID
21 Bit
Netz-ID
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128.0.0.0 to 191.255.255.255
8 Bit
Host-ID
192.0.0.0 to 223.255.255.255
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
115
Das Internet: Klassenbasierte Adressierung
 Man erkennt auch hier, dass die Nummerierung an den Bedarf anpassbar
ist. Aber schlechter als z.B. im Fernsprechnetz.
Klasse
A
B
C
max. Anzahl der Netze
27
= 128
214 = 16.384
221 = 2.097.152
max. Anzahl der Hosts
224-2 = 16.777.214
216 -2= 65.534
28-2 = 254

Wie lautet die IP-Adresse (10100000.01111000.01010000.00101000)B
in Dezimalnotation?

Welcher Klasse gehören die folgenden Adressen an?
 141.55.192.50
 217.6.2.233
 127.0.0.1
141d = 10001101b
 Class B

Wie viel Adressen liegen in einem Class-B-Netz brach, wenn dieses 5536 Host
hat?

BEACHTE: Im Skript Internet(1) wird die Adressierung detaillierter betrachtet
klassenlose IPv4-Adressierung IPv6-Adressierung.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
116
GII – Global information infrastructure
 Seit Anfang der 90er Jahre befasst man sich international (ETSI, ITU, IETF, ..)
mit der Netz-Konvergenz.
 ITU-Series Y "Global information infrastructure an Internet protocol asspects"
– Y.100 - Y.999
– Y.1000-Y.1999
– Y.2000-Y.2999
"Global information infrastructure"
"Internet protocol aspects"
"Next generation networks"
 Ausgangspunkt der Überlegungen war:
heute
Kommunikationstechnik
InformationsGII technik
künftig
GII
Unterhaltungstechnik
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
117
GII – Global information infrastructure
 Bei neuen Entwicklungsrichtungen gibt es Anfangs immer eine Vielfalt von
Akteuren, Sichten und Begriffen.
 IMS (IP Multimedia Subsystem, ETSI), basierend auf einem All-IP-Netzwerk sollen
Nutzer per einheitlicher Mechanismen Zugriff auf Dienste haben.
Anwendung z.B. in LTE-Netzen.
 NGN (Next Generation Network, ETSI), derzeit Sammelbegriff für neue
Transportnetze, Dienstbereitstellung, Architektur.
Service
Signalgabe
Endgeräte
Medien
Signalisierung
Transport (IPbasiert)
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GW
Herk. Netze
GW
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
Endgeräte
118
WAN-NGN-Architekturprinzip
UNI
NNI
UNI
Endgeräte
Endgeräte
Zugangsnetz Kernnetz
(Komponenten)
Accesspoint
CPE
IP- AnschlussNetz
Zugangsnetz
(Übertragungs-Medien)
Gateway
Signalgabe
Signalgabe
Cu-DA o. TAL
LWL
MediaGateway
GPON
IP- Kernnetz
Richtfunk
MediaGateway
Services
Accesspoint
Funk
CPE
Netzabschluss
CPE
Cu-DA
LWL
NNI
TAL
UNI
Customer premises equipment
Kupfer-Doppelader
Lichtwellenleiter
network network interface
Teilnehmeranschlussleitung
user network interface
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
119
LTE-Funknetze: Architektur mit anderen 3GPP1)-Netzen
Internet
EUTRAN
LTE
Router
Server
MME
EPC Envolved Packet Core
UMTSMS
S1-U
S-GW
X2
X2
UTRAN
UMTS/HSPA-Zugangsnetz
GERAN
GSM/GPRS/EDGEZugangsnetz
HSS
S1-U
HLR
Node B
Node B
eNodeB
SMS-C
AuC
eNodeB
BTS
SGSN
BSC
Übertragungsnetz
SGSN
X2
Node B
RNC
P-GW
eNodeB
PCU
BTS
GSM-MS
BSC
Node B
RNC
EUTRAN
GPRS/UMTSKernnetz, ps
UMTS-Basisstation
Radio Network Controller
Envolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
1)
GGSN
NNI
Router
3rd Generation Partnership Project ist eine weltweite Kooperation von
Standardisierungsgremien für die Standardisierung im Mobilfunk
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PCU
BTS
Internet
Server
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
120
GII – Services and application supply
Nutzer
Infrastructure services
and applications
E-Mail
Filetransfe
Verteiltes
r
Arbeiten
Home
shopping Application functions
Video auf
Abruf
Middleware services
and applications
Sicherheit
Autentikation
FormatTranslation
Telecom
services and
applications
Verzeichnisse
Bezahlung
Middleware functions
Internet
PSTN/
ISDN
CATV
Funknetze
weitere
Telecommunication functions
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Processing and
storage services
and applications
PC
Video server
File server
SCP
weitere
Processing and storage functions
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
121

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