Telekommunikationssysteme
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Telekommunikationssysteme
Telekommunikationssysteme WS 1999 / 2000 Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien MNM TEAM Institut für Informatik Ludwig-Maximilians-Universität, München Prof. Dr. Otto Spaniol Lehrstuhl für Informatik 4 RWTH Aachen Unter Mitarbeit von: Unter Mitarbeit von: (in München) (in Aachen) • Markus Garschhammer • Rainer Hauck • Bernhard Kempter • Annette Kostelezky • Frank Imhoff • Axel Küpper • Jens Meggers • Michael Wallbaum Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 1 Netzstruktur Die Gestaltung der ständig wachsenden Netze erfordert klare, einfache Strukturen. Prinzipiell liegen dabei 3 Ebenen zugrunde: Diensteebene Adressen spezifizieren Dienste z.B. Nummer Notarzt Vermittlungsebene Hierarchische Vermittlungsstellen zum Schalten von Verbindungen Übertragungsebene Leitungen, Funkzugänge, Richtfunkstrecken Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 2 Signalformen Zeit zeitkontinuierlich zeitdiskret wertdiskret wertkontinuierlich Wert Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 3 1 Übertragungsweg Problem: Während des Übertragungsprozesses werden dem Signal „Daten“ in Form von Störungen (Rauschen) hinzugefügt. • Verzerrungen in der Telefonie • atmosphärische Störungen in der Funktechnik • Schatten und Verzerrungen bei der Bildübertragungen Quelle Sender Kanal Empfänger Senke Störungen Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 4 Shannon-Grenze 0,5 Einfügen redundanter Zeichen 10-2 Beispiel: 92 Binärzeichen werden durch 35 redundante Zeichen geschützt, wodurch bis zu 5 fehlerhafte Zeichen sicher korrigiert werden können Fehlerwahrscheinlichkeit BCH*-Code: Fehlerabstand bei 1kBit/s 1s Unipolare Übertragung 1min 10-4 BCHCode 10-6 10-8 1h 1d (Tag) bipolare Übertragung 10-10 ShannonGrenze 1a (Jahr) 10-12 -4 0 5 * Bose-Chaudhuri-Hocqenghem-Code (zyklischer Blockcode) 10 15 20 25 E / N [dB] Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 5 Glasfaser Monomode-Faser • Kerndurchmesser: 8 -10 µm r • Gesamtdurchmesser entspricht einer Wellenlänge • Bandbreite bis zu 10 GHz • bis zu 60 km • keine Dispersion (homogene Signalverzögerung) Stufenindex-Faser r • Kerndurchmesser: 50 µm • unterschiedliche verwendete Wellenlängen • Bandbreite bis zu 100 MHz z • bis zu 1 km • unterschiedliche Signalverzögerungen Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 6 2 Fortentwicklung 6 Wellenlängenbereiche für die 4 • eine geeignete Lichtquelle zur Verfügung steht und 2 0 800 1000 1200 1400 1600 • eine geringe Dämpfung erzielt wird Anzahl verfügbarer Kanäle konnte laufend erhöht werden durch 6 4 • verbesserte Materialeigenschaften der Fasern 2 0 800 1000 1200 1400 1600 • präzisere Lichtquellen • Verkleinerung der „Guard-Bänder“ (Abstände zwischen den Nutzdatenkanälen) 6 4 2 Rekord: >40 Terabit/s über eine Faser 0 800 1000 1200 1400 1600 Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 7 Messen des Telefonverkehrs Definition: Telefonverkehr: Anzahl der Anrufe pro Zeiteinheit [z.B. pro Stunde] mittlere Gesprächszeit [z.B. pro Stunde] Definition: Verkehrsdichte ist die Anzahl der Anruf-Sekunden pro Sekunde über eine gegebene Verbindung gemessen in Erlang (bezeichnet nach dem dänischen Mathematiker Erlang, 1878-1929) Beispiele: • 1 Erlang = 1 Verbindung ist für 1 Stunde belegt • Eine Gruppe von 10 Verbindungen habe eine Verkehrsdichte von 5 Erlang. Dann war die Hälfte der Verbindungen belegt. Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 8 Blockierung Dienstgütegrad Beispiel: Eine einzelne Nebenstelle mit 5000 Kunden • maximal 10% der Kunden benötigen gleichzeitig den Dienst • jede Verbindung nur zwischen Kunden dieser Nebenstellenanlage • die Nebenstellenanlage könne bis zu 500 Verbindungen gleichzeitig verwalten • der 501ste Anruf wird blockiert (lost call). Der Dienstgütegrad ist die Wahrscheinlichkeit p für blockierte Anrufe in einem System Anzahl blockierter Anrufe Dienstgütegrad = —————————————— Anzahl angebotener Anrufe • typischer Dienstgütegrad: p = 0.01 zu Hauptverkehrszeiten 1) ‘lost calls held’ (Nord-Amerika) - sofortige Wiederholung 2) ‘lost calls cleared’ (Europa) - Wartezeit vor Wiederholung 3) ‘lost calls delayed’ - Warteschlange (FIFO, LIFO, random) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 9 3 Switching Factories (Schaltfabriken) 1. Schritt 2. Schritt 1. Schritt 3. Schritt m konzentrierende Schalter mit je n x k Knoten m x n x k Schaltknoten n nxk n kxn Þ 2. Schritt N = m • n Eingänge k lineare Schalter mit je m² Schaltknoten mxm nxk kxn 3. Schritt m expandierende Schalter mit je k x n Knoten m x n x k Schaltknoten Þ mxm Gesamt 2 x m x n x k + m² Schaltknoten nxk kxn Beispiel mit N = 1.000 Eingängen m=20; n=50; k=10 m konzentrierende Schalter k lineare Schalter m expandierende Schalter 24.000 Schaltknoten für 20 x 10 = 200 mögliche Verbindungen anstelle von 499.500 Knoten in einem 1.000 x 1.000 Crossbar Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 10 Multiplexing Multiplexing Übertragungsmedium 1) hohe Bandbreite wird in logische Kanäle unterteilt • teuer (Tiefseekabel) • knapp (Radiofrequenzen) Effizienz 2) Mehrfachnutzung von Bandbreite durch Zeitmultiplex • hohe Bandbreite • hohe Verfügbarkeit 3) Kombinationen möglich Übertragungsmedium z.B. Kupferkabel, Funk, ... • einzelnes Medium • mehrere Übertragungskanäle z.B. Frquenzmultiplex, Wellenlängenmultiplex • einzelnes Medium • ein Übertragungskanal Zeitmultiplex Zeitschlitze Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 11 Modulation digitaler Signale Zeit- und wertdiskrete Signale (digital signals) Wert 1 0 1 1 0 Zeit Phasenumtastung (Phase Shift Keying, PSK) 180° Phasenshift Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 12 4 Abtasttheorem von Nyquist Wenn ein band-limitiertes Signal in regelmäßigen Zeitabständen mit einer Rate gleich oder zweimal größer als die höchste auftretende Frequenz abgetastet wird, dann enthält die Abtastung die Information des Originalsignals. (Shannon et al., 1948) X(t) nT t t Abtasten mit 2T ≤ 1/fg Frequenz fg Beispiele Þ Þ Þ • TV Kanal (~15kHz Bandbreite) • analoger Radarkanal (~56kHz) • Sprachkanal (~4kHz Bandbreite) Abtastrate 30,000 pro Sekunde (30kHz) Abtastrate 112,000 pro Sekunde (112kHz) Abtastrate 8,000 pro Sekunde (8kHz) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 13 Quantisierung in Telekommunikationssystemen •nicht-lineare Quantisierungslinie (komprimiert für niedrige, erweitert für höhere Stufen) •feinere/geringere Granularität für Signale niedriger/höherer Stufe •reduzierter Quantisierungsfehler aufgrund niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnisses von Signalen niedriger Stufe im Vergleich zu Signalen höherer Stufe •x (0 ≤ x ≤ 1) wird transformiert zu F(x) (mit F(0)=0 und F(1)=1). F ist konkave Funktion fq(nT) U • Anstelle von x wird F(x) linear quantisiert. • Da F konkav ist, werden kleinere x-Werte genauer dargestellt als größere. +1V f(nT) nT -1V Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 14 Kodierung in Telekommunikationssystemen Beispiel für eine Quantisierungsfunktion F(x): A-Law-Kurve (Europäisches E1-System): é1 + ln(A ⋅ | x |)ù FA(x) = sgn(x) ⋅ ê ú ë 1 + ln(A) û for é A ⋅| x| ù FA(x) = sgn(x) ⋅ ê ú ë1 + ln(A) û for 0 ≤ | x | ≤ 1 ≤ | x |≤ 1 A 1 A Segment Code 6 112 1111XXXX 5 96 1110XXXX 4 80 1101XXXX 3 64 1100XXXX 2 48 1011XXXX 1 32 1010XXXX 0 1001XXXX 1000XXXX 1 11011010 1/4 1/2 0,2 1 • Kurve mit 13 stückweise linearen Segmenten mit sechs Gradienten über und sechs unter dem Ursprung (und ein Segment um “Null herum”, die ersten beiden Gradienten in Segment 0 sind gleich) • Segmente werden mittels 8-bit PCM kodiert, bestehend aus 16 äquidistanten Spannungsschritten • 112 positive und 112 negative Schritte kodieren das quantisierte, diskrete Signal • “A” in Formel gleich 87,6 (Bereich, wo Signal-Störabstand vergleichsweise konstant) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 15 5 PCM-30 Übertragungssystemen • ITU-T Standardisierung für 30 Sprachkanäle • Mehrfachnutzung des Übertragungsmediums (z.B. Kupfer Twisted Pair, Koaxialkabel) • zwei zusätzliche 64Kbit/s digitale Kanäle: - Synchronisation (Kanal 0) - Signalisierung (Kanal 16) Sprachkanäle mit Inband-Signalisierung (analog) 64KBit/s digitale Kanäle mit Outband- Signalisierung Separate Übertragung von Hin- und Rückkanal Kanal 0 Kanal 1 Kanal 1 Kanal 2 • 2 Kuperdoppeladern • 2 Koaxialkabel • 2 Kanäle auf einer Richtfunkstrecke Kanal 30 Kanal 31 Kanal 30 Analoge Terminals Digitalisierung und Signalisierung Multiplex Übertragungsmedium Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 16 Verbindungen zwischen digitalen Vermittlungszentren 140 - 565Mbit/s Glasfaser oder Richtfunkstrecken 8 - 140Mbit/s Regionale Netze Glasfaser 2 - 34 Mbit/s Kupferkabel 64 kbit/s - 2 Mbit/s Zugangsnetze D A D A D A A D Glasfaser 64kbit/s - 2Mbit/s Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) Glasfaser oder Richtfunkstrecken WeitverkehrsNetz Modem 64 kbit/s - 2 Mbit/s Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 17 Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) 2.048Mbit/s Twisted Pair, Koax 8.448Mbit/s Koax, Glasfaser 34.368Mbit/s Glasfaser, Richtfunk 139.264Mbit/s Glasfaser, Richtfunk 564.992Mbit/s Glasfaser, Richtfunk PCM-30 PCM-30 PCM-30 PCM-30 256KBit/s für zusätzliche Signalisierung 576KBit/s für zusätzliche Signalisierung 1.792MBit/s für zusätzliche Signalisierung 7.936MBit/s für zusätzliche Signalisierung Secondary Multiplex System 34Mbit/s System 140Mbit/s System 565Mbit/s System Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 18 6 Erste Schritte hin zu SDH SDH-Cross Connect • add / drop Signale • Hochgeschwindigkeits-SDH • hohe Kapazität 2.5Gbit/s SDHOverlay Network SDH - Add/Drop-Multiplex 155Mbit/s • add / drop Signale • niedrigere Kapazität 155Mbit/s 2Mbit/s SDH - Flexible Multiplex PDH FMUX 2Mbit/s Vermittlungsstellen für regionale und lokale Netze • verteilt Bandbreite direkt an Kunden oder Vermittlungsstellen Kunden mit hohen Bandbreitenanforderungen Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 19 Asynchronous Transfer Mode Asynchronous Transfer Mode (ATM) • keine Leitungsvermittlung, sondern Zellvermittlung • feste Zellgrösse: 53 Bytes • konstante und variable Zellraten • multicastfähig 48 Bytes • verbindungsorientiert Zellmultiplexing auf einer ATM-Verbindung: 1 2 2 3 Zellkopf (Header) Nutzinformation (Payload) 5 Bytes • asynchrones Time-Division-Multiplex • kontinuierlicher Zellstrom • unbenutze Zellen werden leer verschickt 1 3 2 3 2 3 leere Zelle Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 20 Vergleich der Verkehrseigenschaften Konstante Datenrate (Constant Bit Rate, CBR) • Video- und Sprachinformationen benötigen konstante Datenrate • reagiert kritisch auf Übertragungsverzögerungen • Jitter muss <15 ms sein Last Zeit Last Variable Datenrate (Variable Bit Rate, VBR) • typisch für komprimierte Videodaten Verfügbare Datenrate (Available Bit Rate, ABR oder Unspecified Bit Rate, UBR) • UBR = best effort, keine QoS Garantien • ABR = minimale Übertragungsrate. Adaptive Anpassung der Quelle an die verfügbare Bitrate. Zeit Last ABR/UBR andere Verbindungen Zeit Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 21 7 ATM-Übertragung Virtual Path (VP) Identifikation durch Virtual Path Identifier (VPI) Virtual Channel (VC) Identifikation durch Virtual Channel Identifier (VCI) Transmission Path Jede virtuelle Verbindung ist ausgezeichnet durch: Zwei mögl. Verbindungstypen: - einen logischen Kanal (Virtual Channel Identifier, VCI) • Virtual Channel Connection (VCC) - eine Gruppe von Verbindungen (Virtual Path Identifier, VPI) • Virtual Path Connection (VPC) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 22 ATM - Cross Connect VCI 22 VCI 23 VCI 21 VCI 24 VC / VP Cross Connect VCI 21 VPI 4 VPI 1 VCI 24 verbindet sowohl verschiedene VCs als auch verschiedene VPs VCI 22 VPI 3 VCI 23 VPI 1 VCI 21 VCI 22 VPI 5 VCI 22 VPI 5 VPI 6 VPI 6 VCI 25 VCI 22 VP - Cross Connect VCI VCI VCI VCI verbindet ausschliesslich verschiedene VPs 21 22 25 29 VPI 7 (findet daher selten Verwendung) VCI 29 Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 23 VP- und VC-Verbindungen ATM-Kreuzverteiler ATM-Vermittlungsstelle ATM-Kreuzverteiler VP - Cross Connect (VC / VP -Switch) VC / VP - Cross Connect VCI=57 VCI=28 VCI 57 VCI 26 VPI 2 VPI 7 VCI 26 VPI 2 VPI 7 Virtual Path Connection (VPC) VCI 28 VPI 4 VPI 1 Virtual Path Connection (VPC) Virtual Channel Connection (VCC) - Ende-zu-Ende-Verbindung Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 24 8 Idee der photonischen Netze Exklusive Bereitstellung einer durchgängigen Wellenlänge (Lichtfarbe) für eine Verbindung für die Zeit der Kommunikation einzelne Glasfaser Wavelength Division Multiplex (WDM) Switch mit optischer Vermittlungstechnik Vorteile: heute: • riesige Bandbreite (z.Zt. >2,5GBit/s) fast nur als Punkt-zu-Punkt-Verbindung im Einsatz, da noch keine geeigneten Switches existieren • minimale Fehlerrate (<10-14) • hohe Sicherheit durch exklusive Nutzung Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 25 Problem der “letzten Meile” mehr als 70% der Kosten einer kompletten Abdeckung Hauptstrecken (Glasfaser, Richtfunk) “dirty mile” return-on-investment nur sehr schwer erreichbar, u.a. wegen • hoher Nutzerfluktuation • sehr unterschiedlicher Nutzeranforderungen • sinkender Einführungszeiten für neue Dienste • sinkender Nutzungszeiten für Dienste • sinkender Grundgebühren “letzte Meile” ( 1 - 2 km) Ortsvermittlungsstelle Kabelverteiler Anschlussleitungen 5-50 m, 2-8 Paare Hauptkabel 1-8 (Ø 1.7) km Verteilungskabel 20-1000 (Ø 300) m 150 - 2000 (Ø 400) Paare 6 - 600 (Ø 36) Paare Kabelmuffen Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 26 Zugriffstechnologien a/b Interface / ISDN 1 Kupferpaar Line Circuit ~230V V5.1 (Multiplex) 2 Paare / 2 Fasern V5.2 (Konzentrator) 2 Paare / 2 Fasern LC LC LC 30 Teilnehmer 1 Kupferpaar >30 Teiln. 1 Kupferpaar Wireless Local Loop (WLL) 2 Paare / 2 Fasern Vermittlungsstelle SDH Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen V5.2 Bis zu 50m Telekommunikationssysteme 27 9 Klassifizierung von Verbindungsnetzen Problem: Zwei Teilnehmer müssen über ein gegebenes Netz verbunden werden, • während eine Vielzahl von Verbindungen bereits besteht und • ohne daß bestehende Verbindungen unterbrochen werden müssen. Lösung: Programmierbare Permutationsnetzwerke Klassifizierung: 1) Steuerung von Außen (durch einen Routing-Algorithmus) oder selbstroutend entsprechend der anliegenden Inputs 2) blockierende, rearrangierbare oder dynamische Verbindungsnetze Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 28 Omega-Netze Beispiel: Das sogenannte Omega-Netzwerk besteht ausschließlich aus „ExchangeModulen“ Ausgänge Eingänge Eingänge Ausgänge • Das gesamte Netz verfüge über M = 2m Inputs und Outputs 0,1, ..., M-1. • Die Inputs werden paarweise an 2m-1 Exchange-Module angeschlossen. • Die Outputs der Exchange-Module werden im Perfect-Shuffle-Verfahren mit den Inputs der nächsten Stufe von Exchange-Modulen verbunden. Perfect-Shuffle: Bitweiser zyklischer linksshift der Adressen (z.B. 110 → 101 oder 001 → 010) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 29 Redundante Omega-Netze N = 2 n und B = 2 b und BN 0 log BN identische Stufen mit (BxB)-Schaltelementen 4 jede Stufe besteht aus N/B Schaltelementen Stufen sind über B·N/B-SchuffleVerknüpfungen verbunden 8 12 16 Beispiel: N = 32 = 25 Ein- / Ausgänge 20 B = 4 = 2 2 Eingänge je Schaltelement log B N = log 432 = 5/2 N/B = 8 (BxB)-Schaltelemente 24 28 log BN = 3 Stufen Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 30 10 Verbindungen zu anderen Netzen Die einzelnen Netze müssen über eine ausreichende Anzahl von Nutz- und Signalisierungsverbindungen miteinander verbunden sein. Gemeinsames Rückgrat für den logischen Zusammenhalt: ITU-T-Zeichengabeverfahren Nr. 7 = Signalling System No. No. 7, SS7 USA: Einsatz bereits Anfang der 80er Jahre • Mit diesem Zentralkanal-Zeichengabesystem wurden zum ersten Mal die Nutzwege von den Signalisierungswegen getrennt behandelt. • Durch die Vernetzung der Signalisierungsnetze ist es möglich, daß sich das ISDN der Deutschen Telekom und der Konkurrenzbetreiber sowie Mobilnetze und Elemente des Intelligenten Netzes für den Kunden als ein einziges Netz darstellen. Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 31 SS7-Funktionen in den verschiedenen Ebenen Betrachten die Ebenen im Detail: Anwenderteil • Ansteuerung der Vermittlung • Nachrichtenbehandlung Zeichengabenetz • Nachrichtenleitweglenkung • Nachrichtenverteilung User Parts Signaling Network Functions Signaling Link Control Signaling Data Link Zeichengabestrecke • Sichere Zeichenübermittlung • Rahmensynchronisation Zeichengabekanal • Zugriff über Koppelnetz • Physikalische Bitübertragung Die unteren drei Levels vom Signaling System No. 7 sorgen für die gesicherte Übermittlung der Signalisierungsnachrichten zwischen den Signalisierungsstellen. Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 32 Entwicklung des Advanced Intelligent Networks AIN steht für Unabhängigkeit von Diensten, Vermittlungsrechnern u.a. Ausstattung. Praktische Umsetzung erwies sich jedoch als sehr komplex. Deshalb: Evolutionäres Konzept Konzept, das eine phasenweise Entwicklung von Funktionen beinhaltet, so daß Ergebnisse möglichst frühzeitig umgesetzt werden können. Innerhalb einer Phase werden sogenannte Capability Sets (CS) generiert: CS-1 März 1992: (Release - CS-1R im Mai 1995) beinhaltet: CS-1, • Service Independent Building Blocks für leichtes Gestalten von Diensten • Netzimplementierung ist von der Bereitstellung der Dienste unabhängig CS-2 wurde 1994-1997 erarbeitet: • Funktionale Netzelemente mit deren Interaktion und Management CS-3 wurde 1995-1998 erarbeitet: • Definition von Protokollen innerhalb der Physikalischen Ebene (vgl. INCM) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 33 11 Ablauf eines IN-Dienstes Service logic Beispiel: IN-Dienst mit zeitabhängigem Rufnummernmapping 3. Request for target 7. Payload SDP SCP Databases 4. Answer to Request for Target 9.00 a.m. - 12.00 a.m.: 4711 → Subscriber A, 12.00 a.m. - 9.00 p.m.: 4711 → Subscriber B, if busy: 4711 → Subscriber C 6. Payload 5. Instruction to switches 2. SSP detects FreePhone-Service SSP 1. Calling party dials „FreePhone“ 0800 4711 Switch SSP Circuit Switched Telephone Network Subscriber A Switch Switch Subscriber B SSP: Service Switching Point SCP: Service Control Point SDP: Service Data Point SS7-Network Subscriber C Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 34 Beispiel: Rufnummernmapping z.B. Anruf einer 0180-Nummer BCP initialize Mapping auf eine physikalische Nummer Basic Call Process (IN) analyse call data (signalling) TRANSLATE new() Forward Weiterleitung zum physiklischen Teilnehmer analyse call data (signalling) connected Gebührenabrechnung disconnect() Beenden des IN-Dienstes call released delete service new() start_charge() Charge stop_charge() get_charge() delete() Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 35 Ziel TMN Wozu ein standardisiertes Telekommunikationsmanagement? Ziel: Bereitstellung eines ganzheitlichen Netz- und Dienstmanagements aller am Telekommunikationsgeschäft beteiligten. Was ist TMN? TMN ist eine Architektur, die sowohl dem Netzbetreiber als auch dem Dienstanbieter ein flexibles Ressourcenmanagement ermöglicht. Grundprinzip des TMN Physisch getrenntes Netz zum Management von Telekommunikationsnetzen und -diensten aller Art - dabei herstellerneutrales Management von Netzen, Netzelementen und Diensten durch ein generisches Informationsmodell und standardisierte Schnittstellen für Managementzwecke Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 36 12 1. OSI-Funktionsmodell Das OSI-Funktionsmodell teilt Management in 5 funktionale Bereiche: (Fault Management) (Configuration Management) (Performance Management) (Accounting Management) (Security Management) Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 37 Persönliche Mobilität Festnetz Mobilfunknetz fest verbunden fest verbunden dynamisch verbunden fest verbunden dynamisch verbunden dynamisch verbunden keine Mobilität Endgerätemobilität persönliche Mobilität Fest- und Mobilfunknetze fest verbunden Netzidentifikation Endgeräteidentifikation Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Benutzeridentifikation Telekommunikationssysteme 38 Mehrfachzugriffsverfahren Überblick Problem: CDM A • Übertragungskanal wird von mehreren Teilnehmern gleichzeitig benutzt • mobile Stationen konkurrieren bei der Nutzung von Frequenzen Þ Kollision an der Luftschnittstelle FDM A Zeit Code MA TD Fre en qu z Lösung: • Mehrfach-Zugriffsverfahren zur Unterteilung der Frequenzbereiche in Sprachkanäle [Eberspächer, J.; Vögel, H.J.]: GSM - Switching, Services and Protocols, Wiley Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 39 13 Mehrfachzugriffsverfahren Frequency Division Multiple Access (FDMA) Ze it Funktionsweise: Fr eq • Frequenzband wird in Segmente unterteilt • ein Nutzer pro Segment • Bandbreite ist durch Frequenzspektrum und Modulationsart bestimmt Vorteile: • leicht implementierbar ue nz • keine Intersymbol-Interferenz Nachteile: • niedrige Bitraten • teure lineare Verstärker (wegen Problem der Intermodulation) [Eberspächer, J.; Vögel, H.J.]: GSM - Switching, Services and Protocols, Wiley • „nahtloser Handover“ schwer zu erreichen Nutzung: • C-Netz (Deutschland) • CT Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 40 Mehrfachzugriffsverfahren Time Division Multiple Access (TDMA) Mehrfachträger- Funktionsweise: system • Nutzern wird zyklisch, für die Dauer Trägereines Zeitschlitzes, eine Frequenz zur frequenz exklusiven Nutzung zugewiesen oft Unterteilung des Frequenzbandes in Teilbänder durch Nutzung von FDMA • store and burst system: in jedem Zeitschlitz sendet die mobile Station einen Datenburst • Zahl der TDMA Kanäle auf einer Trägerfrequenz hängt von der Länge der Zeitschlitze ab. • Zeitschlitze in einer Periode werden zu TDMA Rahmen zusammengefasst Ze it • Fr e qu en z [Eberspächer, J.; Vögel, H.J.]: GSM - Switching, Services and Protocols, Wiley Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 41 Zellulares Konzept Frequenzwiederverwendung (N=7) Cluster ideales hexagonales Gitter 5 5 4 4 6 1 3 1 3 7 2 Signal- zu Interferenzleistungsverhältnis (Gleichkanalstörabstand): 7 2 C/ I= 5 4 Verlust auf Ausbreitungsweg C ≈ r −α 6 6 Carrier 1 3 α = 2, freier Raum α = 5.5, dicht bebaute Umgebung 7 2 Interference 1 å N é Dk ù ê ú k =1 ë R û Wiederverwendungsradius −α Zellradius GSM: 15dB Mindest-C/I Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 42 14 UMTS-Zelltypen Satellitenkomponente • großflächige globale Abdeckung • Verwendung in Gebieten, die nicht durch terrestrische Komponente erschlossen sind terrestrische Komponente Umbrella-Prinzip • verschiedene Typen von Funkzellen mit unterschiedlichen Reichweiten und Übertragungsraten Zone 4: Global Satellite Zone 3: Suburban Zone 2: Urban Zone 1: In-Building Macro-Cell Micro-Cell Pico-Cell Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 43 Aufbau eines Mobilfunknetzes Mobile Switching Center (MSC): übernimmt das Location Management, Übergänge zu anderen Netzen Base Station Controller (BSC) Home Location Register (HLR): speichert teilnehmerbezogene Daten (Rufnummer, verfügbare Dienste, Dienstmerkmale etc.) Visitor Location Register (HLR): enthält die Position (Location Area) der Teilnehmer innerhalb des zugeordneten Bereichs Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 44 Kommende Verbindung Mobilfunknetz BTS Funk- oder Luftschnittstelle VMSC/VLR Core- oder BackboneNetz HLR GMSC MAP: Send Routing Info (B-Rufnummer MAP: Provide ISDN-BC, Roaming Number Teledienst) (IMSI/Rufnummer HLR-Abfrage LMSI, GSM-BC) Festnetz Vermittlungsstelle IAM (B-Rufnummer, ISDN-BC Teledienst) Überprüfung der Teilnehmerberechtigung und der geforderten Leistungsmerkmale 1) Ein kommender Ruf aus dem Fernsprechnetz wird zu einer Zugangs- oder GatewayMobilvermittlungsstelle (GMSC) geleitet 2) Diese erfragt beim Home Location Register (HLR) die Informationen über den gegenwärtigen Aufenthaltsbereich des Teilnehmers Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen Telekommunikationssysteme 45 15 Paging-Verfahren Gründe für das Paging-Verfahren: • geringerer Aufwand für Location Updates • weniger Hardware nötig • reduzierter Signalisierungsverkehr durch das Netz Nachteil: • Zeitverlust beim Verbindungsaufbau Problem: • Optimierung: Verbindungsaufbau vs. Aufwand für Location Updates Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen BTS: Base Tranceiver Station Telekommunikationssysteme 46 Optimierungsaufgaben Datenbankmodell für UMTS Entwicklung: • rasant zunehmende Anzahl von Benutzern • wachsende Mobilität • Zunahme der mobilen Anwendungen und Dienste • steigende Nachfrage nach Bandbreite • neuartige, sehr komplexe Dienste • deutlich mehr Anbieter • Differenzierung der Aufgaben einzelner Anbieter Aufgaben: Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, München Lehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen • Anzahl der Datenbankanfragen minimieren • Signalisierungsverkehr minimieren • Verzögerung bei der Ausführung minimieren Telekommunikationssysteme 47 16