Tietoliikennetekniikan perusteita

Transkriptio

1 Tietoliikennetekniikan perusteita Sisältö: 1. Johdanto tietoliikenteeseen 2. Perusteoriaa signaaleista 3. Siirtotiet Tietoliikennejärjestelmät / JPR 1 Sisältö: 1. Johdanto tietoliikenteeseen eri osa-alueet ja kehityspolku merkitys teletoimi Suomessa 2. Perusteoriaa signaaleista sähköinen signaali, taajuus, kaistanleveys, vahvistus, kohina analoginen vs. digitaalinen signaali näytteenotto, laskostuminen, siirtokapasiteetti siirtojärjestelmän yleinen rakenne modulaatio, hajaspektriperiaate kanavointi koodaus piiri- ja pakettikytkentäisyys, kiinteä vs. valintainen yhteys 3. Siirtotiet 1

2 1. Johdanto tietoliikenteeseen lähettäjän ja vastaanottajan välillä on matkaa toisiinsa Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tietoliikennejärjestelmät / JPR 2 Ennen sähköä Ensimmäiset tietoliikennemenetelmät olivat mekaanisia (kirje), akustisia (rummutus, huutoketjut) tai optisia (merkkitulet, savumerkit) otettiin Ranskassa käyttöön optinen lennätin Ruotsi-Suomen ensimmäinen optinen lennätinyhteys Eckerön ja Signillskärin välille optinen lennätinyhteys Pietarin Kronstadtin ja Hanko-niemen välille. Viesti kulki välin jopa alle puolessa tunnissa. Sähkömagnetismiin perustuva tietoliikenne Samuel Morse sai lennättimelle patentin Maailman ensimmäinen lennätinyhteys otettiin kaupalliseen käyttöön Washingtonin ja Baltimoren välillä Ensimmäinen Euroopan ja Amerikan välinen kunnolla toiminut lennätinyhteys otettiin käyttöön Siirtotienä oli Atlanttiin laskettu merikaapeli. Suomen ensimmäinen langallinen lennätinyhteys otettiin käyttöön 1855 Helsingin ja Pietarin välillä avautui ensimmäinen kansainvälinen lennätinyhteys Tornion ja Haaparannan välille. Lennättimessä tiedonsiirto tapahtui morsettamalla. Lennätinlaitoksen kehittyminen vaikutti myönteisesti maamme talouselämän kehitykseen. Michael Faraday huomasi 1831, että johtimessa syntyy sähkömotorinen voima, kun sen läheisyydessä liikkuu magneetti tai virrallinen johdin. Tämä havainto sähkömag-neettisesta induktiosta oli tärkeä puhelinta edeltävä keksintö. Alexander Graham Bell tutki mahdollisuutta siirtää puhetta sähkövirran värähtelyinä johtoyhteyttä pitkin hän havaitsi, että sähkömagneettiseen induktioon perustuva laite soveltuu sekä mikrofoniksi että kuulokkeeksi hän onnistui luomaan puhelinyhteyden kahden huoneen välille. Ensimmäinen käsivälitteinen keskus otettiin käyttöön Yhdysvalloissa Tilaajia oli 8 kpl. Ensimmäinen automaattikeskus otettiin käyttöön jo 1892! Tällöin puhelimessa oli jo valintalevy. Suomen ensimmäinen puhelinyhteys sijaitsi H:gissä Ensimmäinen käsikeskus avattiin 1881 Turussa ja automaatti-keskus 1922 Helsingissä. Ouluun puhelinlaitos saatiin

3 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tietoliikennejärjestelmät / JPR 3 Radiotekniikan historiaa Skottilainen Maxwell ja saksalainen Hertz osoittivat teorioillaan ja kokeillaan sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon. Maxwell loi 1864 sähkömagneettisen aaltoteorian, jonka mukaan on olemassa näkymätöntä säteilyä, joka pystyy etenemään lähettimen ja vastaanottimen välisenä aaltoliikkeenä ilman läpi. Hertz suoritti ensimmäisen Maxwellin teorioiden mukaisen kokeen Italialainen Marconi onnistui siirtämään varsinaista informaatiota. Patentin langattomalle lennättimelle Marconi sai hän sähkötti radiosignaaleita Atlantin yli ensimmäinen radiolähetys (puhetta ja musiikkia) Yhdysvalloissa Myös television perusteet kehitettiin jo 1800-luvulla. Ensimmäisen käyttökelpoisen laitteen esitteli jo 1884 saksalainen Nipkow. Säännölliset lähetykset aloitettiin Saksassa luvulla tapahtui televisioiden maailmanlaajuinen läpimurto. Suomessa yleisradiolähetykset alkoivat 1923, Yleisradio perustettiin Ulalähetykset aloitettiin 1953, stereolähetykset 1967 ja digitaaliset radiolähetykset Suomessa säännölliset televisiolähetykset alkoivat 1958, väritelevisiolähetykset 1969 ja digitaaliset lähetykset alkoivat vuonna Kaikkeen tietoliikennetekniikan kehitykseen on suuresti vaikuttanut elektroniikan komponenttien kehitys: 1906 keksittiin elektroniputket 1947 transistorit, jotka mahdollistivat digitaalitekniikan kehittymisen 1959 integroidut mikropiirit 1971 suorittimet eli mikroprosessorit 3

4 Nykyään on keskitytty pääosin langattoman tietoliikenteen kehittämiseen Tietoliikennejärjestelmät / JPR 4 Tietoliikenteen merkitys: Tietoliikenneverkot muodostavat maailman monimutkaisimman laitteen. Pelkästään tavallisessa puhelinverkossa ja matkapuhelinverkoissa on reilusti yli 2 miljardia yksilöllisen osoitteen liittymää, jotka voidaan kytkeä toisiinsa. Lisäksi moni muu verkko voi välittää tietoa puhelinverkkojen kanssa. Tietoliikennepalveluiden olemassaololla on suuri merkitys yhteiskunnan kehittymiseen. Esimerkiksi puhelintiheyden (penetraation) perusteella voidaan arvioida maan teknisen ja taloudellisen kehityksen tasoa. Kehitysmaissa kiinteän lankaverkon penetraatio on tyypillisesti alle 1 %, kun se kehittyneissä maissa on % ja matkapuhelintiheys on nykyään reilusti yli 90 %. Yleensä tietoliikenteeseen investoidut rahat tulleet takaisin bruttokansantuotteen kasvuna (esim. Itä-Eurooppa). Moderni yhteiskunta perustuu paljolti kehittyneen tietoliikennetekniikan käyttöön. Yritysten lähiverkot, Internet jne. mahdollistavat tehokkaat työskentelyolosuhteet eri osapuolten kanssa. Olemme jo pitkään tottuneet käyttämään matkapuhelimia, faxeja ja sähköpostia päivittäin asioidemme hoitamiseen. Melkein kaikki käyttävät myös päivittäin tietoliikenteeseen perustuvia palveluita hyväkseen. Näitä ovat mm. pankkiautomaatit, polttoaineautomaatit, kassapäätteet, erilaiset varausjärjestelmät, viranomaisten tietojärjestelmät sekä yritysten palvelujärjestelmät. Telealan taloudellinen merkitys on suuri ja suhteellisen vakaa. Esim. Nokialla ollut aiemmin jopa yli 50 % vuosittaista kasvua aina viime vuosiin saakka, mutta tällä hetkellä tilanne selvästi muuttunut varsinkin matkapuhelinpuolella. Sen sijaan verkkopuolen viimeaikaiset uutiset kertovat selvästä piristymisestä. 4

5 Pääsyverkko (access network) ja runkoverkko Tietoliikennejärjestelmät / JPR 5 Verkkoja voidaan tarkastella yleisesti, oli kysymyksessä puhelinverkko, radioverkko, dataverkko tai laajakaistainen verkko. Tälöin erottuvat verkon runko-osa ja pääsyosa. Etenkin solukkoradioverkkoa voidaan pitää yksinomaan pääsyosana ainakin tukiasemaverkkoon saakka. Myös lähiverkot ovat tyypillisiä pääsyverkkoja Pääsyverkot liittyvät televerkon yhteyksien viimeiseen kilometriin, joka tosiasiassa on kallein osa koko verkkoa. Koska tilaajajohto tarvitaan jokaiselle käyttäjälle erikseen, sitä ei voida jakaa eikä sen käyttö ole kovin tehokasta. Access-verkot Runko-osa sisältää siirtoverkon ja kytkentöjen ohjauksen (esim. puhelinkeskukset) sekä liitynnät muihin verkkoihin ja verkonhallinnan. Siirtotiet voidaan toteuttaa usealla eri tekniikalla (kaapeli, radiolinkki, kuitu). 5

6 Teletoiminta Teletoimintaa Suomessa ohjaa Viestintävirasto ( verkkojen ja päätelaitteiden tekninen toimivuus taloudellinen valvonta radiotaajuuksien käyttö Internetin verkkotunnukset (.fi-juuri) TV- ja radio-ohjelmien ja mainonnan kontrollointi standardoinnin kansallinen koordinointi sähköisen viestinnän yksityisyyden suojan ja tietoturvan koordinointi Tietoliikennejärjestelmät / JPR 6 Viestintäviraston tehtäviin kuuluu viestintäverkkojen teknisestä toimivuudesta huolehtiminen. Lisäksi virasto ohjaa televerkkojen numerointia ja antaa yrityksille niiden tarvitsemat numerot ja tunnukset. Viestintämarkkinoiden taloudellisella valvonnalla varmistetaan, että taloudellinen kilpailu toimii ja että yritykset noudattavat niille säädettyjä hinnoittelu- ja toimintavelvoitteita. Viestintävirasto ohjaa radiotaajuuksien käyttöä Suomessa ja huolehtii Suomen eduista taajuuksien käyttöä koskevassa kansainvälisessä päätöksenteossa sekä valvoo, että radio- ja telepäätelaitteet täyttävät niille asetetut vaatimukset. Tavoitteena on radiohäiriöiden tehokas ennaltaehkäisy sekä mahdollisten häiriöiden selvittäminen radiotarkkailun ja taajuussuunnittelun yhteistyönä. Viestintäviraston tehtäviin kuuluu myös Internetin fi-juuren alaisten verkkotunnusten myöntäminen, verkkotunnusten tekninen rekisterinpito sekä fi-juuren nimipalvelimien hallinnointi. Viestintävirasto valvoo televisio- ja radiomainonnan ja ohjelmistojen sisältöä. Lisäksi virasto antaa lausunnon valtioneuvostolle YLE:n julkisen palvelun kertomuksesta ja kerää toimilupa- ja televisiomaksuja. Viraston tehtäviin kuuluu myös tele- ja postialan standardoinnin kansallinen koordinointi sekä postitoiminnan valvonta ja perillesaamattomien postilähetysten selvittäminen (postin varmennuskeskus). Viestintävirasto hoitaa sähköisen viestinnän yksityisyyden suojaan ja tietoturvaan liittyviä tehtäviä, muun muassa tietoliikenneturvallisuus- eli ns. COMSEC-toimintaa. Virasto hoitaa myös tietoturvaloukkausten havainnointiin ja selvittämiseen liittyviä tehtäviä. Viestintävirasto kattaa toimintansa kustannukset keräämillään maksuilla. Pääosa tuloista kertyy radiolähettimien lupamaksuista, taajuusmaksuista, televerkkojen numerointimaksuista ja postitoiminnan valvontamaksuista sekä Internetin verkkotunnusmaksuista. 6

7 Teleyritykset verkko-operaattorit palveluoperaattorit useat verkko-operaattorit toimivat myös palveluoperaattoreina Teletoimi on viime vuosien aikana kokenut suuria muutoksia yksityistämiset ja monopolien purku fuusiot kansainvälistyminen Aiemmin teletoimi on ollut erittäin tarkasti säädeltyä Tietoliikennejärjestelmät / JPR 7 Verkko-operaattorit omistavat ja ylläpitävät televerkon tai televerkkoja. Ne tarjoavat verkkokapasiteettia palveluoperaattoreiden käyttöön. Palveluoperaattoreiden liiketoiminta perustuu telepalveluiden kehittämiseen ja myyntiin. Teletoimi Suomessa 30-luku: Suomessa paljon pieniä puhelinyhtiöitä. Kaukopuhelut keskitettiin PTL:lle, kuten myös syrjäseutujen paikallispuhelintoiminta Verkon automatisointi pakotti puhelinlaitoksia yhdistymään tarvittavien investointien suuruuden ja tehokkuusvaatimusten vuoksi Verkkoryhmiä oli enimmillään otettiin teleliikennealuejako käyttöön, mikä vastasi suurinpiirtein silloista läänijakoa Säännöstelyn ja monopolien poistaminen alkoi ja 90-luvuilla Laajakaistaisten verkkojen tarve kasvanut oleellisesti suurten datamäärien siirtotarpeiden ja nopeusvaatimusten myötä (esim. grafiikka, liikkuva kuva, jne.). 7

8 2. Perusteoriaa signaaleista Sähköisen signaalin esitys aikatasossa: Tietoliikennejärjestelmät / JPR 8 Signaali on yksikäsitteisesti määritetty, kun siitä tiedetään amplitudi, taajuus (jaksonpituuden käänteisarvo; f=1/t) ja vaihe. Taajuus ja aallonpituus: 1 f = ja toisaalta f = T c λ missä f = signaalin taajuus T = signaalin jaksonpituus c = valonnopeus λ = signaalin aallonpituus 8

9 Signaalin sisältämät taajuudet: Vain puhdas sinisignaali sisältää yhden taajuuden Sakara-aallon muodostuminen 1 sin(2πft) 1 1 sin(2π 3 ft) sin(2πft ) + sin(2π 3 ft) 1 3 Sakara-aalto muodostuu lukemattomasta määrästä harmonisia siniaaltoja k = 1 k = pariton 1 sin(2πkft) k Tietoliikennejärjestelmät / JPR 9 Tietoliikenteessä käytettävien signaalien voidaan ajatella olevan koostunut useista eritaajuisista signaalikomponenteista. Tietoliikennejärjestelmien läpi siirrettävä tieto on luonteeltaan tavallisesti jotakin allaolevista: puhetta liikkuvaa kuvaa (TV tai video) liikkumatonta kuvaa tekstiä musiikkia erilaista tietokonedataa (esim. ohjelmatiedostoja) 9

10 Ihmisen ymmärtämä muoto: jännite vs. aika -esitys Järjestelmien näkemä muoto: teho vs. taajuus -esitys = tehotiheysspektri sinisignaali kanttiaalto Tietoliikennejärjestelmät / JPR 10 Signaalin spektri = signaalin intensiteetti esitettynä taajuuden funktiona 0-taajuus vastaa tasakomponenttia (DC) Taajuus esitetään yleensä logaritmisella asteikolla 10

11 Kaistanleveys: Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tietoliikennejärjestelmät / JPR 11 Kaistanleveydellä tarkoitetaan jonkin siirrettävän signaalin sisältämän taajuusalueen leveyttä. Esim. ihmiskorvan kuuloalue on tyypillisesti 16 Hz 20 khz eli kaistanleveys on Hz Siirtojärjestelmän kaistanleveys on se taajuusalue, jonka järjestelmä pystyy siirtämään. Puhelinverkossa kaista on rajoitettu Hz alueelle eli kaista on 3,1 khz (tyypillinen kapeakaistainen signaali). Digitaalisessa puhelinverkossa puhutaan tarvittavasta siirtonopeudesta, joka on tavallisesti 64 kbit/s (8000 näytettä sekunnissa ja jokainen näyte koodataan 8 bitillä). Yhden liikkuvan TV- tai videokuvan vaatiman informaation välittävä signaali on esimerkki laajakaistaisesta signaalista. Tyypillinen analoginen videosignaali vie kaistaa noin 5 Mhz. Digitaalisessa siirrossa vaadittava siirtonopeus riippuu mm. halutusta kuvan laadusta (resoluutio, värien määrä, virkistystaajuus). Tiedon pakkaus tehostaa tiedonsiirtoa, mutta minimivaatimuksena voidaan pitää 2 Mbit/s siirtonopeutta. 11

12 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tietoliikennejärjestelmät / JPR 12 12

13 Vahvistus Pitkällä matkalla signaali vaimenee eli amplitudi pienenee Eri taajuudet vaimenevat eri tavalla riippuen käytetystä siirtotiestä Koska kaikki taajuuskomponentit eivät käyttäydy samalla tavalla, syntyy vaimennusvääristymää eli signaali muuttaa muotoaan Vahvistus ilmoitetaan yleensä desibeleinä (kyseessä on vaimennus, jos luku on negatiivinen) P P [ ] out = 10lg G db in P in Siirtotie P out missä P out = linjaan syötetty teho ja P in = linjasta saatava teho Tietoliikennejärjestelmät / JPR 13 Desibeli-sääntöjä teholle: 3 db = 2-kertainen 10 db = 10-kertainen -3 db = 1/2 = puolet -10 db = 1/10 Desibeli on suhteen mittayksikkö. Peräkkäiset vahvistukset ja vaimennukset yhdistetään yhteen- ja vähennyslaskulla, kun lasketaan db-suureilla. Jos käytetään paljaita vahvistus/vaimennuslukuja, kerrotaan ne kokonaisvahvistuksen laskemiseksi. Esimerkkejä desibelin käyttökohteista: signaalikohinasuhde vahvistimen vahvistus (P out /P in ) kaapelin tai siirtotien vaimennus 13

14 dbm Saadaan signaalin absoluuttinen tehotaso, kun verrataan signaalin tehoa 1 mw:iin yksikkönä dbm P [ ] = PX dbm 10 log 10 1mW Tietoliikennejärjestelmät / JPR 14 14

15 Kohina: kohina on hyötysignaaliin summautunutta epätoivottua, hyödytöntä signaalia signaali-kohinasuhde (S/N) kertoo yhteyden laadusta S/N ilmaistaan yleensä tehojen suhteena puhdas suhdeluku epäkäytännöllinen S/N ilmaistaan desibeleinä [ ] = PS 10 log S/N db 10 P missä P S = signaalin teho ja P N = kohinan teho N Tietoliikennejärjestelmät / JPR 15 Suodatus: Yo. tapauksessa signaali muuttuu tahattomasti. On olemassa myös tilanteita, joissa signaalista halutaan poistaa joitakin taajuuksia. Yleensä suodatuksen tehtävänä on poistaa signaalista matkan varrella kerääntyneitä häiriötaajuuksia. Lähetys Siirtotie Suodatus Vastaanotto Alipäästösuodatin laskee läpi rajataajuutta pienemmät taajuudet (low pass filter) Ylipäästösuodatin laskee läpi rajataajuutta suuremmat taajuudet (high pass filter) Kaistanpäästösuodatin päästää läpi määrätyn taajuusalueen (band pass filter) Kaistanestosuodatin poistaa määrätyn taajuusalueen (band reject filter) 15

16 Analoginen signaali vs. digitaalinen signaali Analoginen signaali esim. ihmisen puhe signaalilla ääretön määrä mahdollisia tiloja taajuuskaista rajallinen häiriöherkkä Digitaalinen signaali esim. tietokoneen data signaalilla minimissään kaksi mahdollista tilaa 0 ja 1 (äärellinen määrä tiloja) kanttiaaltoa, joka sisältää suuria taajuuskomponentteja Tietoliikennejärjestelmät / JPR 16 Miksi nykyään lähes kaikki järjestelmät tehdään digitaalisiksi? Esimerkiksi: NMT GSM analoginen TV digitaalinen TV LP-levy CD-levy Digitaalisen teknologian etuja: helpompi kasvattaa integrointiastetta => pienempi tilantarve pienempi tehonkulutus, parempi luotettavuus, halvempi toteuttaa siirron laatu lähes riippumaton siirtoketjun pituudesta parempi kohinansieto ideaalinen datansiirtoon helppo toteuttaa uusia palveluja suuri siirtokapasiteetti joustavuus 16

17 Vaimentuneen signaalin kunnostaminen Analoginen signaali voidaan vahvistaa Myös signaaliin summautunut kohina vahvistuu Peräkkäiset vahvistamiset heikentävät signaalin laatua koko ajan Digitaalinen signaali voidaan toistaa eli regeneroida Signaaliin summautunut kohina saadaan eliminoitua pois Peräkkäiset toistamiset eivät heikennä signaalin laatua Tietoliikennejärjestelmät / JPR 17 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House

18 Analogisen signaalin siirto digitaalisessa verkossa Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tietoliikennejärjestelmät / JPR 18 Esimerkiksi puhe on analogista signaalia, mutta siirtojärjestelmät nykyisin digitaalisia, jolloin tarvitaan AD- ja DA-muunnoksia AD-muunnoksessa analogisesta signaalista otetaan tasaisin aikavälein näytteitä, jotka muutetaan digitaalisanoiksi näytteenottotaajuus AD-muunnos Analogisesta signaalista otetaan tasaisin aikavälein näytteitä, jotka muutetaan digitaalisanoiksi => näytteenottotaajuus. Näytteiden arvot muutetaan binäärisiksi (kvantisoidaan eli pyöristetään lähimpään käytettävissä olevaan arvoon) ja siirretään sopivalla tavalla koodattuina säännöllisin välein digitaalisen siirtotien läpi. DA-muunnos Siirtokanavan toisessa päässä näytteiden numeeristen arvojen avulla muodostetaan näytteet uudelleen. Peräkkäisistä näytteistä tehdään mahdollisimman tarkoin alkuperäinen analoginen signaali alipäästösuodattamalla. Käytännön järjestelmissä menetelmät on standardoitu yksityiskohtaisesti, jotta yhteydet eri puolilta maailmaa on saatu toimimaan. Perinteisessä puhelinverkossa käytetään PCMtekniikkaa (pulssikoodimodulaatio) muuttamaan analoginen puhesignaali digitaaliseksi siirtoa varten. 18

19 Laskostuminen (alias-ilmiö) näytteitä otetaan liian hitaasti Tietoliikennejärjestelmät / JPR 19 Nyqvistin kriteeri: Näytteenottotaajuuden on oltava vähintään kaksinkertainen kuvattavan signaalin maksimitaajuuteen verrattuna. Esimerkiksi perinteisessä puhelinverkossa siirrettävä puhesignaalin kaistanleveys on Hz, jolloin näytteenottotaajuuden pitää olla vähintään 6800 Hz. Käytännön järjestelmissä on näytteenottotaajuudeksi sovittu 8 khz. 19

20 Nyqvistin laki: jos käytettävissä on erilaisia signaalitasoja V kpl, on maksimi bittinopeus r b = 2B log 2 V missä r b = yhteyden suurin teoreettinen bittinopeus B = yhteyden kaistanleveys laki antaa luonnon asettaman ylärajan V-tasoisen signaalin datansiirtonopeudelle Tietoliikennejärjestelmät / JPR 20 Nyqvistin laki antaa toivon suurista nopeuksista: kuta suuremmaksi signaalin esitystasoja nostetaan, sitä suuremmaksi saadaan siirtonopeus. Signaalin tasomuutosten lukumäärää sekunnissa sanotaan baudiksi (baud). Se ei tarkoita samaa, kuin siirtotiellä läpikulkevan bittivuon määrä (bps) muuta kuin eräässä harvinaisessa poikkeustapauksessa. Baudista käytetään usein myös nimitystä modulointinopeus tai symbolinopeus ja varsinaisesta kanavakapasiteetista bps nimitystä siirtonopeus. Teoreettisesti suurimman symbolinopeuden r s ja kaistanleveyden välillä pätee r s 2B Todellinen siirtonopeus on aina paljon Nyqvistin lauseen antamaa arvoa pienempi. Se johtuu siitä, ettei ideaalista puhdasta siirtotietä ole, vaan siirtolinjoilla on aina kohinaa, säröä ja vaimennusta, joka sotkee signaalin komponentteja. Yhteisesti tavallista kohinaa, säröä ja vaimennusta nimitetään kohinaksi ja kohinan suhteellista suuruutta mitataan signaalikohinasuhteilla. Kohisevan linjan kapasiteettia säätelee Shannon- Hartley laki. 20

21 Kanavan kapasiteetti C (Shannon-Hartleyn laki): S = N [ bit/s] B log 1 + C 2 missä C = yhteyden suurin teoreettinen siirtokyky B = yhteyden kaistanleveys S/N = signaali-kohinasuhde (lukuarvona) B tai S/N kasvaa => kapasiteetti kasvaa pieni S/N => kapasiteetti pieni B kasvaa, S/N voi pienetä C:n säilyessä vakiona (myös päinvastoin; S/N kasvaa ja B voi olla pienempi) Tietoliikennejärjestelmät / JPR 21 Esim. mikä on puhelinyhteyden teoreettinen siirtokapasiteetti signaalikohinasuhteella 37 db? Kanavan kapasiteetille ei ole teoreettista ylärajaa, vaan kaistaleveyden tai signaalikohinasuhteen kasvaessa kasvaa myös kapasiteetti rajattomasti. Käytännössä kuitenkin kohina rajoittaa kanavan siirtonopeutta Puhelinlinjoilla kohina vaihtelee voimakkaasti riippuen ihan siitä, millaisen linjan sattuu saamaan. Hyvän puhelinlinjan kohinataso on noin 30dB, jolloin S/N-suhteeksi saadaan: 30 db = 10 log10 (S/N) => log10 (S/N) = 3 - eli kantaluku 10 on ollut korotettu potenssiin 3 => S/N = 1000 Siten, jos tällä linjalla ei voi kulkea enempää kuin C < B log2 (1 + S/N) = 3100 Hz log2 ( ) = 3100 x 9,96 = bps Tulos kertoo, että olkoonpa Nyqvistin lain V millainen tahansa, tämä on yläraja-arvo tällä linjalla. Matalilla V-arvoilla Nyqvistin laki on yleensä rajoittava tekijä, mutta korkeilla V-arvoilla ja matalilla S/N-suhteilla Shannon-Hartley -laki rajoittaa. Näitä lakeja on aina tarkasteltava rinnakkain: liikenne ei voi ylittää kummankaan lain antamaa rajaarvoa. Siten fysikaalisista suureista laskettaessa siirtonopeuden yläraja-arvo on laskettava miniminä Nyqvistin lain ja Shannonin lain muodostamasta joukosta: C = min { 2 B log 2 V, B log 2 ( 1 + S /N) } 21

22 Siirtojärjestelmän yleinen rakenne Tulosignaali Lähetin Siirtokanava Vastaanotin Lähtösignaali Signaalin prosessointi siirtoa varten; esim. koodaus ja modulointi Häiriöt Signaalin prosessointi mahd. paljon alkuperäisen kaltaiseksi; esim. suodatus, vahvistus, dekoodaus ja demodulointi Tietoliikennejärjestelmät / JPR 22 Siirtojärjestelmän osat ovat lähetin, lähetyskanava, vastaanotin. Lähetin (transmitter) muuntaa syötesignaalin lähetyskanavalle. Useimmiten mukana enkoodaus ja modulointi. Multipleksointi (kanavointi) mahdollistaa saman taajuusalueen käytön useaan lähetykseen. Lähetyskanava on sähköinen siirtotie. Kanavassa signaali vaimenee tai osa siitä katoaa. Vastaanotin muuntaa siirretyn signaalin viestiksi. Tarvittaessa mukana vahvistus, demodulointi ja dekoodaus sekä suodatus. Lähetyskanavan tuottamia virheitä ovat vaimeneminen (signaalin voimakkuus pienenee), vääristyminen (järjestelmä vääristää signaalia, kanavan vaste on väärä), kohina (satunnainen, ennustamaton häiriö) sekä interferenssi (ulkopuolisten lähteiden tuottamat häiriöt signaaliin). Digitaalisessa kanavassa myös symbolien välillä voi olla interferenssiä. Järjestelmissä käytettävät siirtotavat voidaan jakaa: simplex: yhdensuuntainen half-duplex: kahdensuuntainen eriaikaisesti full-duplex: kahdensuuntainen samanaikaisesti 22

23 Modulointi Lähetin Vastaanotin Viestisignaali Modulaattori Siirtokanava Moduloitu kantoaalto Demodulaattori Ilmaistu signaali Kantoaalto päätarkoituksena muuttaa viestisignaali siirtokanavalle sopivaksi yleensä muutetaan jotakin kantoaallon ominaisuutta (amplitudi, taajuus tai vaihe) viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa muutosta seurataan ilmaisimessa (demodulaattorissa) ja sen perusteella palautetaan alkuperäinen viestisignaali Tietoliikennejärjestelmät / JPR 23 Modulaatiomenetelmällä tarkoitetaan yleensä menetelmää, jolla suurtaajuisen signaalin eli kantoaallon jotakin ominaisuutta (amplitudi, taajuus tai vaihe) vaihdellaan pientaajuisen (=kantataajuisen) signaalin eli viestisignaalin tahdissa. Tällöin viestisignaalin sisältämä informaatio siirtyy kantoaaltotaajuudelle. Kantoaallon ympäriltä tarvitaan alkuperäisen signaalin verran tai enemmän kaistaa riippuen modulointimenetelmästä ja modulaation voimakkuudesta (ts. kuinka voimakkaasti viestisignaali muuttaa kantoaaltoa). Modulointi tehdään lähettimessä tehokkaan ja luotettavan tiedonsiirron aikaansaamiseksi. Vastaanottimessa moduloitu signaali muutetaan takaisin alkuperäiseen muotoon demodulaattorilla eli ilmaisimella (kantoaallon poisto palauttaa signaalin). Tavoitteena on käyttää kaistaa säästäviä modulointimenetelmiä, jolloin kanavakohtaiset kaistanleveydet saadaan mahdollisimman kapeiksi. Modulaatiota käytetään useimmissa tietoliikennejärjestelmissä; mm. radiolinkeissä, matkapuhelinverkoissa, kiinteiden televerkkojen siirtoyhteyksillä (kuidut, kaapelit ja radiotiet), modeemeissa jne. 23

24 Viesti f 1 B = f 2 -f 1 f 2 f Siirtokanava Viesti 1 Viesti 2 taajuusmuutos kanavointi B B Tietoliikennejärjestelmät / JPR 24 Lähettimen tehtävä on kytkeä lähetettävä viesti kanavaan. Helpoimmin tämä tapahtuu ns. kantataajuudella. Tällöin viesti kulkee kanavassa omalla taajuudellaan ja lähettimen tehtäviksi jäävät vahvistus ja suodatus. Tällä tavoin tuhlataan kanavan kaistanleveyttä. Useimpien viestisignaalien (kuten puheen) spektri ulottuu pienille taajuuksille lähelle DC:tä. Kantataajuisessa siirrossa voi kanavassa tällöin kulkea vain yksi viesti kerrallaan taajuusalueen yläpään jäädessä käyttämättä (muutoin useat lähetetyt viestit sotkisivat toisiaan). Nämä ongelmat voidaan välttää sopivan modulaation avulla. Tällöin siirretään kantataajuinen informaatio jollekin toiselle taajuudelle ennen kytkemistä kanavaan. Nyt voidaan siirtää useita viestejä yhtä aikaa ja kanavan kaistanleveys tulee paremmin hyödynnettyä. Toinen tärkeä peruste modulaation käyttämiselle on, että useinkaan kantataajuinen viesti ei parhaalla tavalla (jos ollenkaan) sovi käytettävässä kanavassa siirrettäväksi. Esim. radiojärjestelmissä kanavalle on varattu tietyt taajuudet tietyiltä taajuusalueilta (esim. FM-ularadio MHz). Tällöin modulaation avulla muutetaan paitsi viestin taajuutta myös muokataan viesti kanavan kannalta sopivaan muotoon. Toinen radiotekniikassa tärkeä näkökohta on, että kantataajuinen siirto vaatisi valtavan suuria antenneja, jotka ovat hyötysuhteeltaan huonoja. 24

25 Moduloinnin etuja ja sovelluksia tehokas tiedonsiirto sähkömagneettisena aaltona laitteistorajoitusten voittaminen interferenssin ja kohinan välttäminen taajuuskaistan valinta kanavointi Tietoliikennejärjestelmät / JPR 25 tehokas tiedonsiirto sähkömagneettisena aaltona esim. antenni vähintään 1/10 signaalin aallonpituudesta 100 Hz => 300 km antenni 100 MHz => 1 m antenni laitteistorajoitusten voittaminen absoluuttinen kaistanleveys/keskitaajuus n % korkea tietosisältö => korkea modulointitaajuus tuloksena uusia teknologioita tiedonsiirrossa, esim. valokaapeli interferenssin ja kohinan välttäminen signaalin tehon nosto vähentää häiriöitä kapasiteetti C mahdollistuu B:n ja S/N:n painotuksella taajuuskaistan valinta samalla alueella voidaan lähettää useita signaaleita esim. radio- ja TV-lähetysten kanavavalinta kantoaallon perusteella multipleksointi usean signaalin yhdistäminen välitystä varten samalle siirtotielle FDM: eri kantoaallot käytössä eri signaaleille TDM: signaalien pulssimodulointi erillisiin aikajaksoihin siis samaa taajuuskaistaa voi käyttää useampi samanaikainen käyttäjä 25

26 Modulaatiotyypit Tietoliikennejärjestelmät / JPR 26 Menetelmät voidaan jakaa analogisiin ja digitaalisiin menetelmiin. Analogisia modulaatiomenetelmiä käytetään analogisen viestisignaalin siirtoon esim. radiokanavassa. Tärkeimpiä menetelmiä ovat: amplitudimodulaatio (AM), taajuusmodulaatio (FM) ja vaihemodulaatio (PM). Em. päätyypeillä on lisäksi useita variaatioita. Esimerkiksi AM-modulaation alalajeja ovat ns. tukahdutetun kantoaallon menetelmät DSB: lähetetään vain molemmat sivukaistat (ei kantoaaltoa) SSB: lähetetään vain toinen sivukaista VSB: lähetetään toinen sivukaista ja osa toisesta (sekä kantoaallosta); käytetään esim. analogisten TV-kanavien siirrossa Digitaalisia menetelmiä käytetään digitaalisen viestisignaalin siirrossa. Tarkasti ottaen tämä tarkoittaa sitä, että modulaattorin tulosignaali on digitaalinen. Alkuperäinen informaatio on usein luonteeltaan analogista. Tällöin sille on tehty A/D-muunnos ennen modulaattoria. Kehitys on johtanut digitaalisten modulaatiomenetelmien soveltamiseen uusissa tietoliikennejärjestelmissä. 26

27 Tietoliikennejärjestelmät / JPR 27 ASK PSK FSK (jatkuvavaiheinen) 27

28 Analogiset modulaatiomenetelmät Amplitudimodulaatio (AM) Tietoliikennejärjestelmät / JPR 28 Kantoaallon amplitudia muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa (kantoaalto ja moduloiva signaali kerrotaan keskenään). Moduloidun signaalin taajuus on sama kuin kantoaallolla ja amplitudi vaihtelee moduloivan signaalin amplitudin mukaan. Tällöin viestisignaalin informaatio siirtyy kantoaaltotaajuuden molemmille puolille. Sen kaistaleveystarve B=2*f max. AM on yksinkertaisin modulaatiomenetelmä ja sitä käytetään edelleen AMradiolähetyksissä. AM-modulaation alalajeja ovat ns. tukahdutetun kantoaallon menetelmät DSB: lähetetään vain molemmat sivukaistat (ei kantoaaltoa), käytetään mm. stereoäänen muodostuksessa FM-radiossa SSB: lähetetään vain toinen sivukaista, käytetty aiemmin mm. analogisten siirtojärjestelmien kanavointilaitteissa. VSB: lähetetään toinen sivukaista ja osa toisesta (sekä kantoaallosta); käytetään esim. analogisten TV-kanavien siirrossa 28

29 Taajuusmodulaatio (FM) kantoaallon hetkellinen taajuus vaihtelee viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa moduloidun signaalin amplitudi on vakio Tietoliikennejärjestelmät / JPR 29 Kantoaallon taajuutta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio. Deviaatiolla kuvataan modulaation voimakkuutta eli kuinka paljon kantoaallon taajuutta poikkeutetaan alkuperäisestä taajuudesta. Taajuusmodulaatiota käytetään esim. ULA-lähetyksissä. FM-signaali ei ole kovin herkkä häiriöille (kuten AM), koska kantoaallon amplitudi ei sisällä informaatiota. FM-signaalin spektri on huomattavasti mutkikkaampi kuin AM:n spektri. FM:ssa viestisignaalin spektri ei siirry sellaisenaan kantotaajuuden molemmille puolille, vaan spektriin syntyy teoriassa ääretön määrä sivukaistojen spektripiikkejä, jotka ottavat tehonsa kantoaallosta (jolloin myös kantoaaltoa vastaavan spektripiikin amplitudi vaihtelee). Jos moduloiva signaali on sinisignaali, ovat sivukaistojen spektripiikit moduloivan taajuuden päässä toisistaan. FM tarvitsee isomman kaistanleveyden kuin AM (esim. 15 khz viestisignaalin kaista vaatii tyypillisesti 200 khz kaistanleveyden siirrossa). 29

30 Vaihemodulaatio (PM) Tietoliikennejärjestelmät / JPR 30 Kantoaallon vaihetta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio. Yo. kuvassa kantoaallon vaihe kasvaa, kun viestisignaalin amplitudi kasvaa. Kun viestin amplitudi palaa nopeasti nollaan, muuttuu kantoaallon vaihe myös äkillisesti. 30

31 Digitaaliset modulaatiomenetelmät Johdanto Kanavointimenetelmät Digitaaliset mod.menetelmät Tietoliikennejärjestelmät / JPR 31 Modulaatiotavan valinnassa on yleensä kyse: käytettävissä oleva kaistanleveys vs. kapasiteettitarve tehonkulutus kohinavaikutus kustannukset Digitaalimodulaation käytön etuja ovat: suurempi siirtokapasiteetti yhteensopivuus datapalveluiden kanssa parempi tietoturva parempi siirron laatu nopeampi järjestelmien kehitysaika Viime vuosien aikana digitaaliset modulaatiomenetelmät ovat voimakkaasti tulleet analogisten menetelmien (AM, FM ja PM) tilalle. Esimerkkejä digitaalisista modulaatiomenetelmistä ovat mm. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) FSK (Frequency Shift Keying) MSK (Minimum Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 31

32 Source: Global Wireless Education Consortium ASK (Amplitude Shift Keying) Modulator on off on on off on off off Tietoliikennejärjestelmät / JPR 32 Jos viestisignaali on digitaalinen, kyseessä on ASK-modulaatio. Binäärisissä menetelmissä kantoaaltoa moduloidaan joko ykköseksi tai nollaksi (tai, kuten yo. kuvassa kahdeksi eri amplitudiarvoksi ASK:n tapauksessa). Käytössä on myös useita erilaisia useampitasoisia digitaalisia AM-menetelmiä ja sekamenetelmiä, joissa käytetään esim. digitaalisia AM- ja PM-menetelmiä samanaikaisesti. 32

33 Source: Global Wireless Education Consortium FSK (Frequency Shift Keying) M odulator Tietoliikennejärjestelmät / JPR 33 Digitaalisessa FM:ssa kullekin digitaaliselle symbolille on varattu oma kantoaaltotaajuutensa esim. binäärisessä FSK:ssa tilaa 1 vastaa yksi taajuus ja tilaa 0 toinen Jatkuvavaiheisessa FSK:ssa (CPFSK) taajuudet valittu siten, ettei symbolien rajoilla tapahdu vaihehyppyjä. FSK-menetelmää käytetään esimerkiksi DECT:ssa ja FSK:n muunnosta (GMSK) käytetään GSM:ssä. 33

34 Source: Global Wireless Education Consortium PSK (Phase Shift Keying) Modulator Phase Shift Keying (PSK) Uses Different Phases to Indicate Bits 90 o 180 o o o Tietoliikennejärjestelmät / JPR 34 Binäärinen PSK (BPSK) on yksinkertaisin digitaalinen vaihemodulaatiomenetelmä. Tarvitaan kaksi eri kantoaallon vaihetta, jotka ovat 180º vaihe-erossa toisiinsa nähden. 4-tilaisessa QPSK:ssa käytetään 4 eri kantoaallon vaihetta (jokainen vaihe edustaa kahta bittiä). Monitilaisista menetelmistä on lisää seuraavilla sivuilla. QPSK-menetelmää käytetään mm. UMTS:ssa. 34

35 Monitasoiset modulaatiomenetelmät Source: Global Wireless Education Consortium Modulator Amplitudes 4 Frequencies 4 Phases Tietoliikennejärjestelmät / JPR 35 Yksinkertaisissa järjestelmissä vain yhtä kolmesta muuttujasta (amplitudi, taajuus tai vaihe) muutetaan viestisignaalin muutosten tahdissa ja muut pysyvät vakioina. Monimutkaisimmissa järjestelmissä käytetään muuttujalle useampaa kuin kahta tasoa (esim. QPSK eli 4PSK) ja lisäksi voidaan muuttaa useampaa kuin yhtä muuttujaa kerralla. Tällöin päästään suurempiin siirtonopeuksiin ja parempaan kaistanleveystehokkuuteen. Esimerkiksi QPSK:n datanopeutta voidaan edelleen kasvattaa 8PSK:lla, jossa käytetään 8 eri vaihetta. 8PSK on käytössä Edge-teknologiassa (EGPRS). Kasvanut datanopeus merkitsee toisaalta heikompaa kohinansietoa, koska signaalitilat ovat lähempänä toisiaan. Yleensä ei ole järkevää käyttää useampia vaiheita kuin 8PSK. Sen sijaan AM:n ja PM:n yhdistämisellä saadaan parempi suorituskyky. Menetelmää kutsutaan QAM:ksi (quadrature amplitude modulation). QAM-menetelmiä käytetään monissa digitaalisissa järjestelmissä. Esimerkiksi DVB-T (maanpäällinen digi-tv standardi käyttää 64 QAM:a). 35

36 Hajaspektriperiaate Tietoliikennejärjestelmät / JPR 36 Hajaspektritekniikan perusideana on levittää viestisignaali siirron ajaksi paljon leveämmälle taajuusalueelle kuin itse viestin kaistanleveys on, jollin myös signaalin teho leviää laajalle kaistalle. Vastaanotossa signaali taas palautetaan alkuperäiseksi. Hajaspektritekniikan kaksi yleisintä toteutusperiaatetta ovat taajuushyppelyperiaate (FH- SS) ja suorasekvenssitekniikka (DS-SS). Kummassakin menetelmässä vaaditaan lähettäjän ja vastaanottajan synkronointia ja sovittua menettelyä vastaanoton purkamiseksi. Suorasekvenssitekniikassa käyttäjän informaatiobitit levitetään laajalle kaistalle kertomalla käyttäjädata näennäissatunnaisella bittikuviolla (Spreading Signal). Radiotiellä oleva häiriö levitetään vastaanotossa koko signaalin kaistalle, jolloin sen vaikutus jää pieneksi. Hajaspektritekniikalla saavutetaan seuraavia etuja: tunteettomuus kapeakaistaiselle häiriölle hankala salakuunnella kanavien välinen ylikuuluminen vähäistä periaatetta voidaan käyttää koodijakoisessa monikäyttötekniikassa (CDMA) tukee kahden pisteen välimatkan mittausta voidaan käyttää hyväksi yhteyksiä parantavia diversiteettitekniikoita (monitie-, taajuusja aikadiversiteetti) 36

37 suorasekvenssitekniikka (DS-SS) siirrettävä dataa nopeutetaan levityskoodin avulla, jolloin tarvittava taajuuskaista kasvaa jokaisella kanavalla oma koodinsa Alkuperäinen kapeakaistainen signaali Lähetettävä laajakaistainen signaali (esim. UMTS:ssa 3,84 Mcps) Tietoliikennejärjestelmät / JPR 37 DS-SS: Siirrettävä data käsitellään (=xor-operaatio) levityskoodilla, jolloin saadaan varsinaista modulointia varten nopea signaali. Esimerkiksi UMTS:ssa moduloiva signaali on nopeudeltaan 3,84 Mcps (million chips per second). Edellä bittiä kutsutaan tässä vaiheessa chipiksi. Tämän jälkeen UMTS:ssa varsinainen modulointi tehdään QPSKmenetelmällä. 37

38 taajuushyppelyperiaate (FH-SS) Tietoliikennejärjestelmät / JPR 38 FH-SS: Käytettävissä oleva taajuuskaista jaetaan alitaajuuskaistoihin, joita vaihdellaan lähetyksen edetessä ennalta sovitun järjestyksen mukaisesti. Lähetetyn bittivirran joutuminen "vieraisiin" käsiin on epätodennäköistä, koska vain vastaanottaja tietää taajuuskanavien hyppyjärjestyksen. Tekniikkaa käytetään mm. Bluetoothissa (myös WLAN:ssa aiemmin hitaammilla nopeuksilla). 38

39 Kanavointi yhdistetään useita signaaleja siirrettäväksi samanaikaisesti siirtokanavassa hyödynnetään siirtojärjestelmän (kaapeli, kuitu tai radio) olemassa olevaa kapasiteettia paremmin FDM TDM f 1 f 1 f 2 WDM valokuitu WDM f 2 f n WDM f n Tietoliikennejärjestelmät / JPR 39 FDM (taajuusjakoinen kanavointi) taajuusalue jaetaan kaistoihin eli kanaviin ja signaalit moduloidaan näille käytetty aiemmin laajasti analogisten puhelinverkkojen siirtojärjestelmissä käytetty myös radio- ja TV-signaalien siirrossa sekä NMT-verkossa TDM (aikajakoinen kanavointi) yksi siirtokanava jaetaan aikajaksoihin, joista kukin siirrettävä signaali saa käyttöönsä yhden toistuvan aikavälin puhelinliikenteessä PCM-koodattuja näytteitä lomitellaan aikaväleihin vuorotellen synkronisessa aikajakokanavoinnissa käyttäjäkohtainen siirtonopeus on sama, eikä ole mahdollista ottaa tarpeen mukaan suurempia siirtonopeuksia statistisessa aikajakokanavoinnissa käyttäjä saa hetkeksi käyttöönsä suurimman siirtonopeuden (lähinnä tietokoneiden väliset yhteydet). Menetelmä perustuu oletukseen, etteivät kaikki yhteyden käyttäjät tarvitse yhtä aikaa suurinta siirtonopeutta K1 K2 K3 TDM K1 K2 K3 K1 K2 K3 K1 K2 K3 TDM K1 K2 K3 WDM (aallonpituuskanavointi) FDM-kanavointia valokuidussa 39

40 Koodaus Taxonomy of coding in telecommunications Automatic repeat request (ARQ) coding to correct errors by using a feedback channel Tietoliikennejärjestelmät / JPR 40 Lähteenkoodaus Lähdekoodauksen tarkoituksena on tiedon tiivistäminen tai pakkaaminen siten että tieto vie mahdollisimman vähän tilaa. Siinä käytetään viestin tilastollisia ominaisuuksia hyväksi poistamalla redundanssia, jolloin voidaan pienetää tarvittavaa kaistanleveyttä. Johtokoodaus Digitaalista signaalia ei yleensä kannata siirtää sellaisenaan kantataajuisena esim. pitkät, samaa bittiä sisältävät sekvenssit vaikeuttavat vastaanottimen tahdistumista. Sen vuoksi signaalit koodataan ns. johtokoodilla siirron helpottamiseksi. Johtokoodin spektri on myös otettava huomioon Kanavakoodaus Lisätään valikoiden redundanssia siirron luotettavuuden lisäämiseksi. Voidaan lisätä tarkistusbittejä tiedonsiirtoon, jolloin tiedon oikeellisuus pystytään tarkistamaan tai jopa korjaamaan virheitä. virheenilmaisevat koodit yksinkertaisimmillaan pariteettitarkistus virheenkorjaavat koodit FEC-koodit eivät tarvitse paluukanavaa ARQ:ssa virhe havaitaan ja pyydetään datan lähetys uudelleen (tarvitaan paluukanava) Menetelmän valinnassa tehdään kompromissi luotettavuuden, tehokkuuden ja monimutkaisuuden välillä 40

41 Johtokoodaus Tietoliikennejärjestelmät / JPR 41 Johtokoodauksen avulla muutetaan siirrettävän signaalin spektrin muoto siirtoyhteydelle sopivaksi, helpotetaan vastaanottimen tahdistumista sekä pienennetään datanopeutta siirrossa. PCM-järjestelmissä 2 Mbit/s nopeudella käytetään HDB3-koodausta kaapeliyhteyksillä. Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House

42 Yhteystyypit Teleyhteydet Kiinteästi kytketyt Valintaiset Piirikytkentäiset Pakettikytkentäiset Esim. Virtuaalikytkentäiset Paketeittain reititetyt Puhelinverkko Matkapuhelinverkko ISDN X.25 ATM LAN Internet Tietoliikennejärjestelmät / JPR 42 Kiinteä yhteys esim. kahden tietokoneen välinen kiinteä yhteys pitkät yhteydet helposti kalliita, kannattaa joskus suurten tietomäärien siirrossa yhteyskumppani aina sama suljettu, turvallinen Valintainen yhteys yhteyskumppanin voi valita => tarvitaan valintainformaatio esim. yleinen puhelinverkko A-tilaaja, B-tilaaja 42

43 Piirikytkentäinen - pakettikytkentäinen Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tietoliikennejärjestelmät / JPR 43 Piirikytkentäinen datasiirto soveltuu parhaiten vakionopeutta vaativiin sovelluksiin esim. ääni ja liikkuva kuva yhteys on avoinna koko istunnon ajan sama kapasiteetti varattuna koko ajan osoitetta ei tarvita muutoin kuin yhteyden muodostamisessa yhteyden muodostamiseen kuluu aikaa Pakettikytkentäinen siirto soveltuu purskeisen datan siirtoon siirrettävä data pätkitään paketeiksi (jotka on varustettava osoitteilla) pakettien pituus vaihtelee käytetyn tiedonsiirtoprotokollan mukaan siirtokapasiteettia kuluu osoite- ja muun ohjausinformaation lähettämiseen (overhead) siirtoon osallistuvien datapäätelaitteiden ei tarvitse käyttää samaa siirtonopeutta eikä samaa protokollaa, sillä pakettiverkko sovittaa osapuolet tarvittaessa yhteen yhteys varaa siirtokapasiteettia vain tarpeen mukaan, eikä yhteys ole koko ajan päällä yhteydellisessä pakettidatasiirrossa (virtual circuits; esim. ATM ja X.25) paketit kulkevat verkossa solmulta toiselle aina samaa reittiä yhteydettömässä pakettisiirrossa (packet by packet routing; esim. IP) pakettien reitti lähettäjältä vastaanottajalle voi vaihdella verkon kuormitustilanteiden mukaan huonona puolena pakettisiirrossa on mahdollisuus yhteyden aikaiseen ruuhkaan pakettien kulkuaika ei ole vakio 43

44 3. Siirtotiet Siirtotien muodostaa lähettimen ja vastaanottimen välinen fyysinen yhteys Siirtotie voi olla: Johtimellinen (parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu) Johtimeton (mikroaaltolinkit, satelliittilinkit, radiotie, infrapunalinkit) Molemmissa tapauksissa tiedonsiirto koostuu sähkömagneettisista aalloista Tietoliikennejärjestelmät / JPR 44 Tiedonsiirtojärjestelmiä on useita erilaisia, mutta kaikissa on kuitenkin ainakin yksi yhteinen piirre - siirtotie. Siirtotiellä tarkoitetaan informaation kulkutietä. Siirtotiet jaetaan langallisiin eli johtimellisiin ja johtimettomiin eli sähkömagneettisten aaltojen vapaaseen etenemiseen perustuviin siirtoteihin, mutta käytännössä molemmat ryhmät sisältävät useita toteutustapoja, joiden ominaisuudet ja käyttösovellutukset vaihtelevat laidasta laitaan. Johtimellisiin kuuluvat erilaiset kierretyt parikaapelit, koaksiaalikaapelit sekä optiset kuidut, joissa siirrettävä signaali liikkuu jonkin välittäjäaineen avulla. Jälkimmäisiin kuuluvat sekä näköyhteydellä toimivat että satelliitteihin perustuvat mikroaaltolinkit ja suuntaamattomiin, eli kaikkiin suuntiin eteneviin, radioaaltoihin perustuva kommunikaatio, joissa signaali liikkuu vapaasti, kuten esimerkiksi ilmassa. Johtimia käyttävässä tiedonsiirrossa itse johtimen ominaisuudet ovat tärkeässä asemassa siirto-ominaisuuksien määräytymisessä, kun taas johtimettomassa siirrossa signaalin kaistanleveys ja lähetysantennin ominaisuudet (esim. suuntaavuus) ratkaisevat. 44

45 Tietoliikennejärjestelmät / JPR 45 45

46 Johtimelliset siirtotiet: Parikaapeli Eniten käytetty johtimellinen siirtotie Koostuu toistensa ympärille kiedotuista kahdesta kuparijohdosta Kierrolla häiriöitä pienentävä vaikutus Useita johtopareja voidaan yhdistää suuremmaksi kaapeliksi Tietoliikennejärjestelmät / JPR 46 Kierretty parikaapeli perustuu kahden tai useamman suojatun kuparijohdinparin säännölliseen spiraalirakenteeseen. Säännöllinen kiertäminen vähentää kaapelin herkkyyttä elektromagneettiselle häiriölle (ylikuuluminen, ympäristön kohinan kytkeytyminen). Häiriösietoisuutta voidaan parantaa myös päällystämällä kaapeli metallipunoksella. Vaimennus parikaapelissa on selkeä taajuuden funktio. Tyypit: Suojaamaton (UTP), edullisempi, helpommin käsiteltävissä, käytetään paljon puhelinkaapelina Kaapelisuojattu (STP), koko kaapeli ympäröity suojavaipalla, suositaan dataverkoissa, koska kestää paremmin ulkoisia häiriöitä Parisuojattu (FTP), jokainen pari kaapelissa on erikseen ympäröity suojavaipalla Parikaapelia käytetään niin puhelin- kuin dataverkoissa yleisesti. Parikaapelilla voidaan välittää sekä digitaalisia että analogisia signaaleita. Puhelinverkkojen siirtojärjestelmissä analogisia signaaleita käytettäessä (ei enää paljoa käytössä) vahvistimien on oltava 5-6 km välein ja digitaalisilla signaaleilla toistinten väli on 2-4 km. Puhelinverkoissa parikaapelia käytetään myös tilaajajohtimena. Myös xdsl-yhteydet on tilaajapäässä toteutettu kuparikaapeleilla. Lähiverkoissa parikaapelilla päästään jopa yli 100 Mbps nopeuteen rajoitetulla etäisyydellä. Yleisesti mitä suurempi tiedonsiirtonopeus, sitä lyhyempi etäisyys. 46

47 Koaksiaalikaapeli Suurtaajuisille signaaleille => suuri siirtokapasiteetti Kaksi johdinta sisäkkäin Sisempi kuparilankaa Ulompi ohuesta kuparilangasta punottua verkkoa Välissä eriste Epäsymmetrinen kaapeli Signaali vaimenee enemmän kuin parikaapelissa Tietoliikennejärjestelmät / JPR 47 Koaksiaalikaapeli on kuin parikaapeli, mutta johdot ovat sisäkkäin. Kaapelilla on jo luontaisesti parempi häiriönsieto. Suurimmat häiriötekijät ovat vaimennus, lämpökohina ja keskeismodulaatiokohina. Koaksiaalikaapelin taajuusvaste on selvästi parikaapelia parempi. Koaksiaalikaapelilla voidaan välittää sekä analogisia että digitaalisia signaaleita. Koaksiaalikaapelia käytetään esimerkiksi TV-jakeluverkoissa, puhelinverkkojen runkoverkoissa (nykyisin kuitu) ja lähiverkoissa (nykyisin on siirrytty paljolti parikaapeliin). Vahvistimet on yleensä sijoitettava parin km välein, toistimet 1 km välein (korkeilla siirtonopeuksilla jopa tiheämpään). 47

48 Optinen kuitu µm 125 µm Tietoliikennejärjestelmät / JPR 48 Optinen kuitu on µm paksuista valoa läpäisevää materiaalia (lasi, muovi, ). Kuitu koostuu ytimestä, heijastuspinnasta ja kuoresta. Ytimessä siirretään valoaallot, heijastuskerroksen tarkoituksena on pitää valo ytimessä ja kuori suojaa kuitua kosteudelta ja vaurioilta. Optiset kuidut toimivat THz alueella (infrapuna ja näkyvä valo). Kuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastukseen. Kuidun etuja ovat suuri kapasiteetti (kaistanleveys, tiedonsiirtonopeus), pieni koko ja keveys (ohut kaapeli), elektromagneettinen häiriönsieto (ei impulssikohinaa tai ylikuulumista, turvallisuus), pieni vaimeneminen (toistinten etäisyys jopa satoja kilometrejä). Optisia kuituja käytetään kolmessa eri taajuusikkunassa infrapuna-alueella johtuen niiden ominaisuuksista (850, 1300, 1550 nm. Useat toteutukset käyttävät LEDiä ja 850 nm aluetta (ei suuria datanopeuksia). Suuret datanopeudet vaativat alempien taajuusalueiden käyttöä (ja mahdollisesti laseria). 48

49 Kuitutyypit: Tietoliikennejärjestelmät / JPR 49 Kuidut voidaan jakaa monimuoto- ja yksimuotokuituihin. Monimuotokuituja on askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia (gradienttikuitu). Monimuotokuiduissa valo siirtyy useiden heijastusten avulla. Ytimen halkaisija on yleensä 50 tai 62 µm. Monimuotokuidut kärsivät signaalipulssin levenemisestä eli dispersiosta johtuen useista säteiden etenemisreiteistä. Asteittaistaitekertoimisella kuidulla on paremmat dispersioominaisuudet kuin askeltaitekertoimisella kuidulla (kulkuaikaerot tasoittuvat, koska säteet kulkevat ulkokerroksissa nopeammin kuin ytimessä). Yksimuotokuidun ytimen halkaisija on yleensä alle 10 µm. Yksimuotokuidun dispersio-ominaisuudet ovat parhaat, koska valo pääsee etenemään kuidussa vain suoraan. Tällöin myös signaalin vaimeneminen on pienintä. 49

50 Sovelluskohteita: Tietoliikennejärjestelmät / JPR 50 Sovellukset: Televerkkojen valokaapelisiirtojärjestelmä (ks. yllä) Optisessa johtopäätteessä sähköinen signaali muutetaan valoksi ja päinvastoin Käytetään kaksitasoista johtokoodia (valoteho ei voi olla negatiivinen) Järjestelmät aina digitaalisia Kuitujen käyttökohteita ovat televerkkojen runkoverkot (kuidut ovat parhaimmillaan suurta kapasiteettia vaativiin olosuhteisiin), kaupunkiverkot (kuituja voidaan käyttää myös lyhyemmillä matkoilla yhdistämään keskuksia), lähiverkot (useat uudet teknologiat perustuvat kuitujen käytölle) sekä tulevaisuudessa myös tilaajajohdot (mahdollistaa todellisen kotimultimedian). Kehityskohteita: Kehitystyötä tapahtuu kuiduissa, pääteyksiköissä ja liittimissä Kuituliittimen mekaniikka hyvin tarkkaa Lähetinosassa valolähteinä loistediodit (LEDit) tai laserit Vastaanottimessa ilmaisimina PIN- tai vyöryfotodiodit Kehitteillä yhä suurempia nopeuksia (nykyisinkin voidaan siirtää jopa satoja tuhansiia puheluita yhdessä kuidussa) WDM 50

51 Tietoliikennejärjestelmät / JPR 51 Parikierretty johdin (parikaapeli) Suojaamaton parikaapeli (Unshielded Twisted Pair), 100 ohm Kategoria 1 - ei suorituskykyvaatimuksia Kategoria 2 - Puhelinjärjestelmät, enintään 1 Mbps Kategoria 3 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 16 Mbps Kategoria 4 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 20 Mbps Kategoria 5 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 100 Mbps Kategoria 6 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 1 Gbps Kategoria 7 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 600 Mbps Suojattu parikaapeli (Shielded Twisted Pair), 150 ohm Kategoria 1 - IBM Token ring 4/16 Mbps Kategoria 9 - IBM Token ring 4/16 Mbps 51

52 Johtimettomat siirtotiet: Tietoliikennejärjestelmät / JPR 52 Johtimettomien siirtoteiden jako Mikroaaltolinkit (suunnattu kommunikointi) Satelliittilinkit (satelliittitiedonsiirto) Radiotie (suuntaamaton kommunikointi) Infrapuna (lyhyen matkan point-to-point) 52