Kanavointi (multiplexing)

Transkriptio

1 CT30A2003 Tietoliikennetekniikan perusteet Kanavointi (multiplexing) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 1

2 Multiple Access Links and Protocols Two types of links : point-to-point PPP for dial-up access point-to-point link between Ethernet switch and host broadcast (shared wire or medium) old-fashioned Ethernet upstream HFC wireless LAN shared RF (satellite) humans at a cocktail party (shared air, acoustical) shared RF (e.g., WiFi) shared wire (e.g., cabled Ethernet) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 2

3 Yleistä Usein kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei vie koko siirtojärjestelmän kapasiteettia => Siirtokapasiteettia voidaan jakaa useamman siirrettävän signaalin kesken Tätä jakoa kutsutaan multipleksoinniksi eli kanavoinniksi Käytetään esim. kuituihin, koaksiaalikaapeliin tai mikroaaltolinkkeihin perustuvissa runkoverkoissa myös radiotiellä kuten esim. matkaviestinverkoissa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 3

4 Yleistä Kanavointi perustuu ns. multipleksereiden käyttöön (n syötettä yhdistetään yhdelle linjalle lähetyspäässä ja vastaanottopäässä ne jälleen puretaan) Yhdellä linjalla monta kanavaa käytössä Multipleksoinnin perusteet: Kustannustehokkuus: mitä suurempi kokonaisdatanopeus, sitä pienempi hinta per bps Yksittäiset sovellukset tarvitsevat vain osan siirtojärjestelmän kaistasta Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 4

5 Kanavointi Yksinkertainen kuva kanavoinnista, n syötettä kuljetetaan yhden linkin n kanavassa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 5

6 Kanavoinnin jaottelu Kanavointi voidaan jakaa seuraaviin luokkiin: Taajuusjakokanavointi (FDMA, Frequency Division Multiple Access) Aikajakokanavointi (TDMA, Time Division Multiple Access) Synkroninen Asynkroninen (tilastollinen) Koodijakokanavointi (CDMA, Code Division Multiple Access) Aallonpituusjakokanavointi (WDMA, Wavelength Division Multiple Access) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 6

7 FDMA Kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle eli kanavalle Perustuu eri signaalien modulointiin eri taajuisille kantoaalloille kanava = kantoaallon kohdalle keskittynyt kaistanleveys Eri kanavien väliin jätetään riittävän suuri ns. varmuusväli estämään kanavien väliset häiriöt Vaatimus FDMA:lle Siirtotien kapasiteetin tulee ylittää siirrettävien signaalien yhteenlasketut kaistanleveysvaatimukset Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 7

8 FDMA Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 8

9 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 9

10 FDMA Syötettävä data voi olla digitaalista tai analogista Perustuu modulointiin, joten signaali on aina analoginen Käytetään esim. TV-kanavien välittämiseen Kanavat erotellaan toisistaan 6 MHz taajuuskaista/kanava musta-valko-kuva, värisignaali, ääni Vastaanottopäässä käytetään kaistanpäästösuodattimia erottamaan oikea signaali Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 10

11 FDMA Kantoaaltojen taajuudet f i on valittava niin, että signaalien kaistanleveydet eivät ylitä toisiaan merkittävästi Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 11

12 FDMA käyttökohteita Television radio- ja kaapelilähetys toimii FDMperiaatteella Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 12

13 FDMA käyttökohteita Analogiset kuljetusjärjestelmät (analog carrier systems): puhekaistan siirtoon, 4 khz:n kaistanleveys yhdessä kanavassa Hierarkkinen FDMA, muodostuu eri tason FDM-ryhmistä (group = 12*kanava; supergroup = 5* group, 60 kanavaa; mastergroup = 10*supergroup, 600 kanavaa, jumbogroup = 4 * mastergroup USA:ssa AT&T:n maanlaajuinen järjestelmä samankaltainen kansainvälinen ITU-T:n standardoimana (mastergroup pienempi kuin AT&T, lisäksi supermaster group, jumbogroup puuttuu) alkuperäinen signaali saatetaan moduloida monta kertaa, data voi vääristyä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 13

14 Analog carrier systems Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 14

15 ADSL Asymmetric digital subscriber line jakelusuunta laajempi kuin paluusuunta Tarjoaa nimensä mukaisesti ratkaisun tilaajan ja etäverkon välille Käyttää olemassa olevaa puhelinkäyttöön (4 khz) tarkoitettua parikaapelia kaapeleissa voidaan kuitenkin siirtää paljon laajempikaistaista signaalia (yli 1 MHz) Alun perin suunniteltu video-on-demand palveluille Sittemmin Internet-käyttö tullut pääasialliseksi palveluksi Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 15

16 Digital Subscriber Lines A typical ADSL equipment configuration. Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 16

17 ADSL Tyypilliseen Internet-käyttöön asymmetriset kaistat sopivia http-pyynnöt palvelimelle (upstream) www-sivut palvelimelta (downstream) Käyttää taajuusjakokanavointia 25 khz varattu puheelle (sis. suojakaistan) kaiun poistolla tai taajuusjakokanavoinnilla upstream/downstream jako käytetään FDM:ää vielä sisäisesti downstream- ja upstream kanavilla Toimintamatka noin 5,5 km Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 17

18 ADSL kaiun poistossa lähetin poistaa oman lähetyksen kaiun tulevasta signaalista kaiun poistoa käyttäessä upstream ja downstream limittyvät pienempi taajuus -> pienempi vaimentuma sujuvampi upstreamin kapasiteetin muutos Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 18

19 ADSL ADSL käyttää Discrete multitone (DMT) tekniikkaa monta kantosignaalia eri taajuuksilla bitit jaetaan tasan 4 khz alikanaville modeemi tarkistaa alikanavien signaalikohinasuhteen ennen datan jakamista, parempiin kanaviin enemmän dataa alikanavien datanopeudet 0-60 kbps ADSL/DMT suunnittelussa on käytössä 256 downstreamalikaistaa, teoreettinen datanopeuden maksimi 15,36 Mbps (256x60k) siirtotien haittatekijät huomioon ottaen maksimi käytännössä 1,5 Mbps - 9 Mbps Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 19

20 Digital Subscriber Lines (2) Operation of ADSL using discrete multitone modulation. Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 20

21 Discrete Multitone (DMT) multiple carrier signals at different frequencies divide into 4kHz subchannels test and use subchannels with better SNR 256 downstream subchannels at 4kHz (60kbps) in theory 15.36Mbps, in practice 1.5-9Mbps Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 21

22 ADSL Tietovirta jaetaan ensin rinnakkaisiksi alivirroiksi, jotka muutetaan analogiseksi signaaliksi alikanaville Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 22

23 xdsl (ADSL, HDSL, SDSL, VDSL) ADSL on osa nopeiden digitaalisten tilaajalinjatekniikoiden joukkoa (xdsl) HDSL symmetrinen, max 2,048 Mbps, 3,7 km, 2 kaapeliparia, digitaalinen signalointi SDSL kuten HDSL, mutta 1 kaapelipari, max 3 km VDSL on kehitettävä standardi, Mbps downstream, 1,5-2,3 Mbps upstream, 1,4 km, signalointi analoginen Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 23

24 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 24

25 TDMA Voidaan käyttää digitaalisille signaaleille tai digitaalista dataa kuvaaville analogisille signaaleille Perustuu eri signaalien viipalointiin (aikajako) Viipalointi voi tapahtua Bittitasolla Tavutasolla Suuremmissa yksiköissä Siirtotien kapasiteetin ylitettävä siirrettävien signaalien kapasiteettivaatimukset Synkroninen / tilastollinen TDMA Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 25

26 TDMA Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 26

27 Synkroninen TDMA N syötettä yhdistetään siirtotielle Tuleva data puskuroidaan Multiplekseri käy puskureita läpi peräkkäisesti ja muodostaa puskureiden sisällöistä siirrettävän signaalin Puskureiden läpikäynnin on oltava riittävän nopea Datan oltava digitaalista Signaali voi olla digitaalinen tai analoginen Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 27

28 Synkroninen TDMA Siirrettävä data muodostaa kehyksiä (frame) Kehykset muodostuvat aikaviipaleista Lähteet voivat varata itselleen useampia aikaviipaleita kehyksestä ja sitä kautta nopeuttaa kommunikointiaan Nyt yhden lähteen varaamia aikaviipaleita kutsutaan kanavaksi Vastaanottopäässä aikaviipaleet ohjataan oikealle vastaanottajalle Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 28

29 Synkroninen TDMA Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 29

30 Synkroninen TDMA Synkronisessa TDMAssa aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi Hukkaa kapasiteettia, jos dataa ei joskus olekaan tarjolla (vastaavasti FDMA:ssa) Synkroninen TDMA mahdollistaa eri nopeuksilla toimivien lähteiden yhdistämisen Varataan eri määrät aikaviipaleita kullekin yhteydelle nopeuden mukaan Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 30

31 Synkroninen TDMA, linkin hallinta Synkronisessa TDMAssa ei tarvita ohjausinformaatiota datan yhteydessä Ei tarvita linkkiprotokollaa Linkin vuonvalvonta tarpeetonta (kiinteä nopeus) Ongelmatilanteissa vain yksittäisiä yhteyksiä hallitaan (yhden lähteen aikaviipale tyhjillään) Vastaavasti virheen korjaukselle HUOM : Kehystason tahdistus vaaditaan, esim. vaihteleva (010101) tai jokin muu tunnistettava bittijono merkkinä yhdessä viipaleessa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 31

32 Framing no flag or SYNC chars bracketing TDM frames must still provide synchronizing mechanism between source and destination clocks added digit framing is most common one control bit added to each TDM frame identifiable bit pattern used as control channel alternating pattern unlikely to be sustained on a data channel receivers compare incoming bits of frame position to the expected pattern

33 Pulse Stuffing Pulse Stuffing is a common solution have outgoing data rate (excluding framing bits) higher than sum of incoming rates stuff extra dummy bits or pulses into each incoming signal until it matches local clock stuffed pulses inserted at fixed locations in frame and removed at demultiplexer - problem of synchronizing various data sources - variation among clocks could cause loss of synchronization - issue of data rates from different sources not related by a simple rational number

34 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 34

35 TDM-käyttökohteita, Digital Carrier systems Hierarkkinen TDM-järjestelmä USA:ssa, Kanadassa ja Japanissa käytössä DS-1 -järjestelmä (24 kanavaa) sekä puhe- että digitaalisen datan käytössä (puhe pulse code modulation - DS-1 paketteja voidaan yhdistellä => enemmän kanavia (vrt. supergroup) ITU-T määritellyt samankaltaisen (ei identtinen) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 35

36 Digital carrier systems Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 36

37 Time Division Multiplexing The T1 carrier (1.544 Mbps). Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 37

38 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 38

39 ISDN Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 39

40 SONET/SDH ANSI:lla Synchronous Optical Network / ITU-T:llä yhteensopiva Synchronous Digital Hierarchy Määrittelee digitaalisen siirron optisen kuidun yli datanopeuksien hierarkkinen kokoelma alimman tason STS-1 (OC-1) voi kuljettaa DS-3 signaalia tai ryhmän DS-1 signaaleja STS-1-kehys muodostuu 810 tavusta STS-1 signaalien data voidaan yhdistää STS-N signaaleiksi limittämällä data N kpl STS-1 signaalista Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 40

41 SONET/SDH Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 41

42 SONET/SDH Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 42

43 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 43

44 GSM Global System for Mobile Communications GSM uses 124 frequency channels, each of which uses an eight-slot TDM system Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 44

45 GSM (2) A portion of the GSM framing structure. Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 45

46 Statistical TDM in Synchronous TDM many slots are wasted Statistical TDM allocates time slots dynamically based on demand multiplexer scans input lines and collects data until frame is full line data rate lower than aggregate input line rates may have problems during peak periods must buffer inputs

47 Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA Synkronisen TDMA:n ongelmana on kehyksen aikavälien tuhlaaminen Suurimman osan ajasta joku/jotkut yhteydet ovat tyhjillään => Ratkaisuna tilastollinen l. asynkroninen l. älykäs TDMA Aikavälit varataan dynaamisesti tarpeen mukaan Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 47

48 Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA Yhdistetään jälleen useita lähteitä useisiin kohteisiin Koska tilastollinen TDMA käyttää hyödykseen siirtojen taukoja, siirtotien kapasiteetti voi olla pienempi kuin lähteiden nopeuksien summa Normaalitilanteessa kaistanleveyden lisäys Aiheuttaa hankaluuksia suurilla kuormituksilla Käytetään lähetyspuskureita multiplekserissä Tilastollinen TDMA vaatii ohjausinformaatiota (aikajaksoihin) datan yhteyteen Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 48

49 Tilastollinen TDMA t1 t2 A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 Synkroninen TDMA t1 t2 A1 B1 C2 D2 lisäkaistanleveys Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 49

50 Statistical TDM Frame Format

51 Cable Modems Downstream cable scheduler delivers data in small packets active subscribers share downstream capacity also allocates upstream time slots to subscribers Upstream user requests timeslots on shared upstream channel headend scheduler notifies subscriber of slots to use -dedicate two cable TV channels to data transfer -each channel shared by number of subscribers using statistical TDM

52 Cable Spectrum Division to support both cable television programming and data channels, the cable spectrum is divided in to three ranges: user-to-network data (upstream): 5-40 MHz television delivery (downstream): MHz network to user data (downstream): MHz

53 Kaapelimodeemin toiminta Kaapelimodeemikäytössä palveluntarjoaja varaa 2 kanavaa (yksi molempiin suuntiin) datakäyttöä varten Joka kanava on jaettu tilaajien kesken (yleensä asynkroninen TDMA) Vahvistinasema (headend scheduler) jakaa datat pieninä paketteina jos useampi käyttäjä aktiivisena, murto-osa kaistasta käytössä 500kbps 1,5 Mbps datanopeudet tyypillisiä jakelusuunnan (downstream) kaistaa käytetään myös upstream-kaistan varaamiseen (monta käyttäjää käyttää samaa upstream-kaistaa) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 53

54 Kaapelimodeemin kaaviokuva Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 54

55 Spectrum Allocation Frequency allocation in a typical cable TV system used for Internet access Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 55

56 Cable Modems Typical details of the upstream and downstream channels in North America. Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 56

57 CDMA & Spread Spectrum important encoding method for wireless communications two approaches, both in use: Frequency Hopping Direct Sequence analog & digital data with analog signal makes jamming and interception harder spreads data over wide bandwidth

58 Pseudorandom Numbers starting from an initial seed need to know algorithm and seed to predict sequence only receiver can decode signal

59 General Model of Spread Spectrum System

60 Spread Spectrum Advantages immunity from noise and multipath distortion can hide / encrypt signals several users can share same higher bandwidth with little interference CDM/CDMA Mobile telephones

61 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) signal is broadcast over seemingly random series of frequencies receiver hops between frequencies in sync with transmitter eavesdroppers hear unintelligible blips jamming on one frequency affects only a few bits

62 Frequency Hopping Example

63 FHSS (Transmitter)

64 Frequency Hopping Spread Spectrum System (Receiver)

65 Slow and Fast FHSS commonly use multiple FSK (MFSK) have frequency shifted every T c seconds duration of signal element is T s seconds Slow FHSS has T c T s Fast FHSS has T c < T s FHSS quite resistant to noise or jamming with fast FHSS giving better performance

66 Slow MFSK FHSS

67 Fast MFSK FHSS

68 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) each bit is represented by multiple bits using a spreading code this spreads signal across a wider frequency band has performance similar to FHSS

69 Direct Sequence Spread Spectrum Example

70 Direct Sequence Spread Spectrum System

71 DSSS Example Using BPSK

72 Approximate Spectrum of DSSS Signal

73 Code Division Multiple Access (CDMA) a multiplexing technique used with spread spectrum given a data signal rate D break each bit into k chips according to a fixed chipping code specific to each user resulting new channel has chip data rate kd chips per second can have multiple channels superimposed

74 CDMA Example

75 CDMA Example

76 Koodijakokanavointi, CDMA CDMA, Code Division Multiple Access Käytetään johtimettomilla siirtoteillä (radiotie) Käytetään koko taajuusalue sekä kaikki aikaviipaleet Etuja: Teoreettisesti tehokkaampi ja taajuuksien käytöltään joustavampi Useat CDMA-järjestelmät voivat toimia samalla alueella => verkkosuunnittelu helpottuu Häiriöiden vaikutus pienenee Laitteet kuluttavat vähemmän tehoa Analogista tai digitaalista dataa analogisella signaalilla Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 76

77 Koodijakokanavointi, CDMA Taajuus- ja aikajakokanavoinnissa kanavoinnista huolehtii multiplekserilaite Yhdistää ja erottelee usealta laitteelta tulevat signaalit Koodijakokanavoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite Vastaanottajan pitää olla tarkasti selvillä käytetystä koodaustekniikasta voidakseen vastaanottaa saapuvan signaalin koodausavaimena yksilöllinen tieto, esim. laiteosoite (Bluetooth) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 77

78 WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Laajakaistainen koodijakokanavointi, sama kaistanleveys kaikille datanopeuksille (pienemmille suurempi signaalinvahvistus) signaalinvahvistus auttaa häiriöitä vastaan, vahvistus on W/R (W = koko kaistanleveys, R = käyttäjän informaatiokanava) Käytetään esimerkiksi UMTS/3G-verkoissa Laajakaistainen DSSS, kanavat 5 Mhz fyysinen maksimidatanopeus ~2.3Mbps, aluksi käytössä hitaampi Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 78

79 Aallonpituusjakokanavointi, WDM Optinen kuitu saadaan tehokkaasti käyttöön vasta, kun saadaan siirrettyä useita signaaleja samassa kuidussa Käytetään eri taajuisia valonsäteitä, jotka muodostavat kukin oman kanavansa Eräänlainen FDMA, mutta käytetään termiä WDM, Wavelength Division Multiplexing Käytetään yksimuotokuidussa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 79

80 Wavelength Division Multiplexing (WDM) multiple beams of light at different frequencies carried over optical fiber links commercial systems with 160 channels of 10 Gbps lab demo of 256 channels 39.8 Gbps architecture similar to other FDM systems multiplexer consolidates laser sources (1550nm) for transmission over single fiber optical amplifiers amplify all wavelengths demultiplexer separates channels at destination Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) use of more channels more closely spaced

81 Aallonpituusjakokanavointi, WDM Esimerkkejä: 1997 Bell labs: 100 sädettä, kunkin säteen datanopeus 10 Gbps => yhteensä 1 Tbps Nykyään kaupallisia sovelluksia luokassa 160 sädettä, 10 Gbps per säde Alcatel laboratorio-oloissa: 256 sädettä, 39,8 Gbps per säde => 10,1 Tbps (yli 100 km matkan) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 81

82 Aallonpituusjakokanavointi, WDM Perusteet tekniikan käytölle: 2,4 Gbit/s tekniikan jälkeen kustannukset kasvavat voimakkaasti ja toimivuus heikkenee Suuremmilla nopeuksilla toimivien liitäntäkorttien elektroniikka on vielä suhteellisen kallista Useiden eri valokaapeleiden veto ei kannata (kalleus / hitaus) DWDM (dense wavelength ) -termiä käytetään, mikäli kanavia erityisen tiheästi Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 82

83 Ongelmat/Haitat kanavointitekniikoissa FDMA:ssa on 2 yleistä ongelmaa kanavien ylikuuluminen, mikäli kantoaaltojen taajuudet liian lähellä toisiaan pitkillä matkoilla signaalia vahvistettaessa toisen kanavan vahvistus voi luoda taajuuskomponentteja myös toisiin kanaviin synkr. TDMA soveltuu huonosti tietokonekäyttöön (epäsäännölliset lähetykset) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 83