Tietoliikennetekniikan perusteet 1 Tietoliikennetekniikan perusteet Markus Peuhkuri 26.2.1998 1 Tilaajaverkot Tilaajaverkko liittää tilaajat (asiakkaat) muuhun televerkkoon. Tilaajaverkko on televerkon kalliimpia osia, koska yhteys on vedettävä jokaiselle asiakkaalle. Sen kokonaisvaltainen uusiminen, kuten laajakaistaista verkkoa varten näytti välttämättömältä, olisi hyvin kallis operaatio: maailmanlaajuisesti puhutaan triljoonien (10 15 ) dollarien kustannuksesta. 1.1 Tilaajaverkkojen rakenne Nykyisellään puhelinverkko muodostuu teleliikenealueitain seuraavasti ylimmältä hierarkiatasolta lähtien [5]xs: kansainvälisen liikenteen keskus (KLK) teleliikennealuekeskus (TLAK) aluekeskus (AK) solmukeskus (SK) päätekeskus (PK) Tilaajat liittyvät päätekeskuksiin, jotka liittyvät solmukeskuksiin. Nämä vuorollaan liittyvät ainan ylemmän hierrarkiatason keskukseen. Järjestys ei ole kuitenkaan näin jäykkä, vaan päätekeskus voi liittyä suoraan esimerkiksi aluekeskukseen. Myös saman tason keskusten välillä on suoria yhteyksiä, samoin kuin keskus on usein liittynyt vähintään kahteen ylemmän tason keskukseen luotettavuussyistä. Eräs trendi on ollut keskusten määrän vähentäminen ja solmu- ja päätekeskusten korvaaminen etäistilaajaportailla ja keskittimillä. Tavoitteena on hallinnan yksinkertaistaminen: keskusten kapasiteetti riittää nykyään hoitamaan suuretkin tilaajamäärät.
Tietoliikennetekniikan perusteet 2 Etäistilaajaporras keskuksen maantieteellinen laajennus PCM-yhteyden avulla: tavoitteena on lyhentää tilaajajohtojen pituutta sekä niiden määrää: tyypillisesti 256 tilaajaliittymää liitetään keskukseen yhdellä PCM-yhteydellä. Etäistilaajaporras on riippuvainen keskusyhteyden toiminnasta. Keskitin on toiminnallisesti pieni keskus, josta kuitenkin puuttuu osa varsinaisen keskuksen toiminnoista, kuten laskutus. Keskitin näkyy puhelinkeskukseen kuten se olisi normaali tilaajaporras. Keskitin pystyy välittämään paikalliset puhelut, vaikka yhteys keskukseen katkeaisikin. Keskittimeen voidaan edelleen liittää etäistilaajaportaita. 1.2 Tilaajajohto Tilaajajohto ulottuu tilaajalta lähimpään (etä)tilaajaportaaseen. Keskustilaan on sijoitettu ristikytkentä, johon tuodaan yhteydet suoraan tilaajaportaasta. Ristikytkennästä lähtee kaapelointi, joka menee jakokaappeihin, joiden ristikytkennästä yhteydet edelleen jatkuvat talojakamoihin. Talojakamojen ristikytkennästä yhteydet menevät asuntoihin ja toimistoihin. Suomessa tilaajaliittymät vedetään kahdella parilla, vaikka vain yhdelle yhteydelle olisi tarvetta. Tämä mahdollistaa kahden liittymän tuomisen asuntoon. Tilaajajohtojen pituus vaihtelee asutustiheyden mukaan: Suomessa tilaajajohdoista yli 95 % on alle 5km. Kuparijohtoon perustuvan liitännän etuna on, että yhteys ei ole riippuvainen tilaajan sähkönsyötöstä vaan tarvittava sähkövirta pystytään siirtämään yhteysjohtoja myöten. Nopeimmat tekniikat kuluttavat tosin niin paljon energiaa, että sähkönsyöttö on järjestettävä muilla tavoilla. [2] 1.3 V5-liityntä Erilaisten verkkopalvelujen yleistyessä tulee tarvetta välittää samalle tilaajalle tai alueelle erilaisia palveluja, esimerkiksi perinteisiä puhelinyhteyksiä, ISDN-yhteyksiä ja kiinteitä yhteyksiä, esimerkikisi Frame Relay-yhteyksiä. Erillisten yhteyksien luominen kaikille palveluille voi olla tarpeettoman monimutkaista, etenkin jos käytössä oleva kaistanleveys on rajallinen. ITU-T:n ja ETSI:n määrittelemät V5.1 ja V5.2-rajapinnat pohjautuvat 2 Mb/s PCM-yhteyksiin. V5.1 pysyy hyödyntämään yhden PCM-yhteyden kun taas V5.2 on huomattavasti joustavampi tukien jopa tuhatta PCM-yhteyttä. [2] 2 Modeemit Modeemi on nykyään hyvin yleinen mikrojen varuste, etenkin kodeissa: yleistymiseen on vaikuttanut Internetin käytön räjähdysmäinen lisääntyminen.
Tietoliikennetekniikan perusteet 3 2.1 Toimintaperiaatteet Modeemi (modem, modulator/demodulator) tarvitaan, jotta digitaalinen tietokonedata voidaan välittää analogisen signaalin siirtoon tarkoitettuja puhelinlinjoja pitkin. Lähettävä modeemi muuntaa digitaalisen signaalin analogiseksi (moduloi) ja vastaanottava modeemi vastavuoroisesti muuntaa analogisen signaalin takaisin digitaaliseksi (demoduloi).puhelinverkko on nimensä mukaan suunniteltu siirtämään puhesignaalia, jonka taajuusalueeksi on sovittu 300 3400 Hz. Tämä alue on sopiva puheen välittämiseen, siten, että puhe on ymmärrettävää ja että puhuja voidaan tunnistaa. Puhelinverkon vahvistimet ja taajuusmoduluointi (multipleksausta varten) suunniteltiin tämän taajuuskaistan käyttöön. Digitalisoitaessa puhelinverkko pitäydyttiin samassa taajuusalueessa: puhesignaali näytteistettiin 8000 kertaa sekunnissa ja tämä kvantisointiin 8 bitin tarkkuudella (7 bittiä Pohjois-Amerikassa). Tästä saadaan datanopeudeksi 64 000 (56 000) bittiä sekunnissa. Tässä pystyttäisiin toistamaan taajuusalue 0 4000 Hz, mutta tilaajaportaassa oleva suodatus häiriöiden poistamiseksi rajoittaa tämän kuitenkin alkuperäiseen taajuusalueeseen. Modeemin nopeus ilmoitetaan yleensä bitteinä sekunnissa [bit/s, bps, b/s]. Usein modeemin nopeudesta puhutaan baudeina, joka on kuitenkin symbolia sekunnissa: yhdestä symbolista usein tulkitaan monta bittiä. 2.1.1 Modulointi Digitaalisen signaalin modulointiin on käytettävissä kolme eri teknologiaa: Amplitudimodulointi (AM) Signaain voimakkuus vaihtelee lähetettävän informaation tahdissa. Yksinkertaisimmillaan lähetetään ei lähetetä. Taajuusmodulointi (FM) Kantoaallon taajuutta vaihdellaan riippuen lähetettävästä informaatiosta. Yksinkertaisesta muodosta (kaksi taajuutta käytössä) käytetään nimitystä taajuuseromodulointi (FSK). Vaihe-eromodulointi (PSK) Signaalin vaihetta käännetään (ts. sinimuotoisen signaalia edistetään tietty astemäärä).eri modulointitapoja voidaan myös yhdistää, nopeimmissa modeemiteknologioissa (> 1200 b/s) käytetään QAM-modulointia, jossa vaiheen ja voimakkuuden yhdistelmällä voidaan yhdellä symbolilla esittää useita (4 10) bittejä. 2.2 Standardit ja suositukset Modeemien määrittelystä vastaa ITU-T (International Telecommunications Union), entiseltä nimeltään CCITT (International Telephone and Telegraph Consultative Committee), johon saattaa vielä törmätä, etenkin vanhempien suositusten yhteydessä. ITU- T ei tee standardeja vaan suosituksia. Modeemisuositukset kuuluvat V-sarjaan.
Tietoliikennetekniikan perusteet 4 V.21 Kaksisuuntaista asynkronista modeemia koskeva suositus. Modulointitekniikka on nimeltään binäärinen taajuuseromodulointi (FSK). Nopeudella 300 b/s toimiva perusmodeemi. Käytetyt taajuudet poikkeavat hiukan eurooppalaisessa ja amerkikkalaisessa (Bell) versiossa. V.22 Suositus kaksisuuntaiselle 1200 b/s:n modeemille, jossa käytetään nelitasoista vaihe-eromodulointia (PSK). V.22bis Nopeudella 2400 b/s siirtävä modeemi. Modulointitekniikkana käytetään 16-tasoista amplitudi- ja vaihe-ero modulointia. Se toimii myös alanopeudella 1200 b/s yhdessä V.22 modemin kanssa. V.23 Yleisessä puhelinverkossa käytettäväksi tarkoitettu nopeutta 600 tai 1200 b/s käyttävä vuorosuuntainen asynkroninen modemi. Paluukanavan nopeus 75 b/s. Tunnetaan myös videotekstimodeemina. V.32 1200, 2400, 4800 ja 9600 b/s siirtävä modemi,joka on tarkoitettu valintaiseen puhelinverkkoon. Se on yhteensopiva vastaavilla nopuksilla V.22 ja V.22bis -modemien kanssa. Suuremmilla nopeuksilla käytetään kaiuneliminointitekniikkaa. Modemi soveltuu sekä asynkroniseen että synkroniseen liikennöintiin. Synkroninen käyttötapa puuttuu lähes kaikista huokeimmista V.32 -modemeista. V.32bis Suositus kaksisuuntaisesta 14 400 b/s siirtävästä menetelmästä, joka sisältää alinopeuden 12 000 b/s ja on yhteensopiva V.32:n kanssa V.32terbo Laajennettu edellisestä lisäämällä nopeudet 16 800, 19 200 ja 21 600 b/s. Runsaasti valmistajakohtaisia variaatioita markkinoilla. V.34 Suosituksen valmistuminen viivästyi, joten koodaus ja signaalinkäsittely poikkeaa täysin ensimmäisistä 28800 b/s:n modeemeista (teollisuusmäärittelyn nimi V.fast). Toinen esiversio oli V.fc. V.34bis Suositus, jolla modeemin nopeus nostettiin lähelle teoreettista maksimia (33 500 b/s). Käyttö edellyttää hyvin ideaalisia olosuhteita. V.pcm Uusin suositus (hyväksytään kevään 1998 aikana), jossa liikennöinti on asymmetristä ja jossa hyödynnetään digitaalisen puhelinverkon ominaisuuksia. Nopeus parhaimmillaan 56 000 b/s. HST ja PEP ovat valmistajakohtaisia toteutuksia, nopeudeltaan 14 400 b/s ja 19 600 b/s. 2.2.1 V.34 tekniikka V.34-modeemeissa käytetään normaalitilanteessa modulointitaajuutena 3200 baudia, jokainen symboli edustaa yhdeksää bittiä, jolloin nopeudeksi tulee 28 800. Modulointina käytetään yhdistettyä vaihe-ero- ja amplitudimodulaatiota eli QAM-modulaatiota. Koska usein linjaolosuhteet eivät ole ihanteelliset, modeemit voivat kaventaa käytettyä taajuusaluetta ja laskea nopeutta 2400 b/s portain kuten taulukossa 1 on esitetty.
Tietoliikennetekniikan perusteet 5 Taulukko 1: Eri modeeminopeuksien vaatimat taajuusalueet Modeemi nopeus taajuuskaistavaatimus V.34 28800 b/s 3200 Hz (320 3520 Hz) V.34 26400 b/s 3000 Hz (375 3375 Hz) V.34 24000 b/s 2800 Hz (467 3267 Hz) V.32terbo 19200 b/s 2400 Hz (600 3000 Hz) V.32 9600 b/s 2400 Hz (600 3000 Hz) 2.2.2 V.pcm eli x2 ja 56flex Suosituksen V.34bis katsottiin olevan modeemikehityksen päätepiste: olihan päästy tasolle, joka oli hyvin lähellä puhelinverkon taajuusalueen ja Hartley-Shannonin lain (1) määräämää maksimitiedonsiirtokapasiteettia: kanavan kapasiteetti on C [ b/s] kaistanleveydellä B [Hz] ja signaali-kohinasuhteella S=N. C = B S log 2 1+ N (1) Puhelinverkko on nykyisellään (länsimaissa) kokonaan digitaalinen tilaajaliityntää lukuunottamatta, mikä tarjosi mahdollisuuden hyödyntää sen tarjoamia ominaisuuksia, jolloin suorituskyky on parempi kuin mitä suositukset edellyttävät. Normaalisti puhelinyhteydellä modeemia käytettäessä tapahtuu digitaali-analogiadigitaali-muunnosketju molemmissa tilaajaliitynnöissä. Modeemipalvelimien kehittyessä toinen muunnoksista jäi pois kun modeemit liitettiin suoraan PCM-yhteksiin. Tilaajalle päin tapahtuvassa digitaali-analogiamuunnoksessa ei tapahdu suodatusta. Kun tilaajan modeemi varustetaan paremmalla analogiadigitaalimuuntimella, pystytään alkuperäisen signaalin jännitetasot eroittelemaan hyvin tarkasti ja vastaanottaja voi synkronoitua lähettäjän signaalin. Toiseen suuntaan tämä ei ole mahdollista, koska näytteistyksestä huolehtii puhelinkeskus suosituksien mukaisella esisuodatuksella. 2.3 Virheenkorjaus Käytettäessä analogista siirtoa, etenkin se ominaisuuksien äärirajoilla, siirtovirheitä tulee usein. Virheenkorjaus voitaisiin tietenkin hoitaa sovellustasolla (useimmiten kannattaa joka tapauksessa), mutta se taas tekee järjestelmästä huomattavasti monimutkaisemman käyttää, erityisesti perinteisillä pääteyhteyksillä Virheenkorjaus voidaan saavuttaa kahdella tavalla: signaaliin voidaan liittää tietoa, jonka avulla viesti voidaan palauttaa alkuperäiseksi vaikka yksi tai kaksi bittiä luettaisiinkin väärin. Toinen tapa on varustaa tieto tarkistussummalla ja mikäli se ei täsmää, pyydetään uudelleenlähetystä. Näitä voidaan käyttää myös yhdessä, jossa etukäteiskorjaus varustetaan yhden bitin virheitä varten.
Tietoliikennetekniikan perusteet 6 Modeemeissa käytetään virheenkorjausprotokollina: NMP 1-4 (Microcom Network Protocol) Eri tasoja, joista korkeimmat jopa nopeuttavat tiedonsiirtoa poistamalla ylimääräiset aloitus- ja lopetusbitit. NMP 10 Erityisesti radioyhteyksille suunniteltu virheenkorjausprotokolla. Mm. lyhyempi kehys. LAP-M (Line Access Protocol for Modems) ITU:n kehitettämä protokolla. V.42 ITU-T:n suositus virheenkorjauksesta. Menetelmä sisältää LAP-M:n lisäksi myös teollisuusstandardiksi muodostuneen Microcomin MNP-tasot 1-4. 2.4 Pakkaus Modeemiin nopeudesta pyritään saamaan kaikki mahdollinen irti. Usein siirrettävä tieto sisältää toistoa eli redundanssia, joka voidaan tiivistää. Pakkausta on kahta tyyppiä, häviötöntä, jota käytetään datalle ja häviöllistä, jota käytetään esimerkiksi äänelle ja (valo)kuviin. Häviöttömässä pakkauksessa tieto voidaan palauttaa entiselleen ja ainoastaan tätä menetelmää käytetään modeemeissa. Häviöllinen pakkausmenetelmä on yleensä huomattavasti tehokkaampi: saavutettava pakkaussuhde on tyypillisesti 10:1 verrattuna häviöttömän 2:1-suhteeseen. Häviöllinen pakkaus perustuu aistien huijaamiseen: esimerkiksi ihmisen silmä on selvästi herkempi valoisuuden kuin värisävyjen vaihteluille, joten värit voidaan esittää pienemmällä tarkkuudella kuin valoisuus. Tätä on käytetty pitkään esimerkiksi analogisessa PAL TV-signaalissa, jossa väriarvon taajuuskaista on vain puolet kirkkausinformaation taajuuskaistasta. Häviöttömän pakkauksen eräs alatyyppi on tiedon rakenteeseen perustuva pakkaus, jota käytetään erityisesti tiedonsiirtoprotokollien pakkaukseen. Protokolla voidaan koodata lyhyemmin poistamalla turha tai toistuva tieto. Tämä on mahdollista, koska protokollan rakenne tunnetaan. Tällä päästään parempiin pakkaussuhteisiin kuin yleisellä merkkien pakkauksella. Ehkä tunnetuin pakkausmenetelmä TCP/IP protokollan yhteydessä on VanJacobson-pakkaus; myös X-ikkunointiprotokollalle on olemassa pakkausmenetelmiä. 2.4.1 Pakkauksen teoria: Huffman Helposti ymmärrettävä pakkausmenetelmä on Huffman-pakkaus, jota myös muut käytetyt menetelmät muistuttavat. Tämä perustuu yleisemmin esiintyvien merkkijonojen korvaamiseen lyhyemmillä versioilla. Sanan teletekniikkakurssi merkkijakauma on taulukossa 2. Tästä nähdään, että yleisin merkki on k, joka esiintyy neljä kertaa, niinpä sille asetetaan tunnus 0. Seuraavat kaksi merkkiä e ja i esiintyvät yhtä monta kertaa, joten toinen korvataan tunnuksella 10 ja toinen 110 ja näin jatketaan, kunnes kaikille merkeille on asetettu koodi.
Tietoliikennetekniikan perusteet 7 Taulukko 2: Merkkijakauma sanaan teletekniikkakurssi merkki määrä koodi k 4 0 e 3 10 i 3 110 t 2 1110 s 2 11110 l 1 1111100 n 1 1111101 a 1 1111110 r 1 11111110 u 1 11111111 Paljonko tästä sitten hyödyttiin? Kaikkiaan pituudeksi tulee 74 binaarimerkkiä. Mikäli jokainen merkki olisi koodattu viidellä bitillä (32 symbolia, riittää aakkosiin) olisi tarvittu 95 binarimerkkiä ja kahdeksalla bitillä yli kaksinkertaisesti, 152 binaarimerkkiä. 2.4.2 Modeemeissa käytettävät pakkausmenetelmät Modeemaissa käytetään yleisesti kahta pakkausmenetelmää: NMP 5 Microcomin kehittämä pakkausmenetelmä, jota käytetään yhdessä V.42bis ITU-T:n hyväksymä tiedonpakkausmenetelmä, joka sisältää MNP-5:n. Esipakattua tietoa siirrettäessä NMP5 saattoi jopa hidastaa tiedonsiirtoa. Tätä ei tapahdu V.42bis:n kanssa, joka uudempana ei yritä pakata tietoa, jota se ei kykene tiivistämään. Teoreettinen maksimipakkaus V.42bis:llä on 4:1, tosin tähän päästään käytännössä hyvin harvoin (miljoona a -kirjainta). Käytänön pakkaussuhde on tyypillisesti 1,5:1 2:1 tekstillä ja dokumenttitiedostoilla. 2.5 Kantataajuusmodeemit Käytettäessä suoraa sähköistä yhteyttä (ts. galvaaninen yhteys), ei olla riippuvaisia puhelinverkon rajoitteista vaan voidaan hyödyntää suurempaa taajuuskaistaa. Tälläinen yhteys on esimerkiksi vuokrajohto tai itse rakennettu yhteys. ITU-T on standardoinut eräitä kiinteille yhteyksille tarjoitettuja modeemeita (taulukko 3). Näiden nopeus on nykyisen mittapuun mukaan varsin vaatimatonta, joten paikallisyhteyksisin käytetään muita vaihtoehtoja.
Tietoliikennetekniikan perusteet 8 Taulukko 3: Kiinteiden yhteyksien (4-johdin) modeemit ITU-T Suositus Nopeus [ b/s] Modulointi V.26 2400 PSK 1200 baud V.27 4800 PSK 1600 baud V.27bis 2400 4800 PSK 1600 baud V.29 4800 9600 QAM 2400 baud V.33 9600 14400 QAM 2400 baud Yleisiä siirtonopeuksia ovat 144 kb/s, jossa voidaan hyödyntää ISDN:n piirejä, 384, 512, 768 kb/s sekä 1 Mb/s ja 2 Mb/s. Valmistajakohtaisesti on myös muita nopeuksia käytössä. Valtaosa modeemeista on synkronisia, joskin hitaimmassa luokassa (alle 57 kb/s) on joitakin asynkronisia tuotteita tarjolla. Modulointina käytetään hitaimmilla nopeuksilla suoraa kantataajuista mudulointia ja suuremmilla nopeuksilla kehittyneempiä modulointitapoja (kts. kappale 4, s. 10). 3 N-ISDN ISDN on ensimmäinen digitaalinen tilaajaliitäntä (DSL, digital subscriber line) lähtöisin 1980-luvun alkupuolelta. ISDN perustuu normaalin puhelinverkon tarjoamiin 64 kb/s kanaviin, tästä käytetään nimitystä N-ISDN erotuksena kehitteillä olevasta laajakaistaisesta B-ISDN:stä. [7, 6] ISDN on määritelty ITU-T:n I-sarjan suosituksissa. Varsin moni suositus on rinnakkainen Q-sarjan (merkinanto) kanssa. ISDN hyödyntää nykyaikaisen puhelinverkon digitaalisuutta ja yhteiskanavamerkinnannon (YKM, SS#7) joustavuutta, mikä mahdollistaa eri palvelujen käytön. Merkinanto on tilaajalle asti, mikä mahdollistaa helposti erilaiset lisätoiminteet. 3.1 Diginet Ennen ISDN:n kehittymistä käytössä oli Diginet, joka on Suomessa esi-isdn:lle annettu nimi. Muualla palvelu tunnettiin nimellä IDN 64000 (Ruotsi), IDA (Englanti), Transcom (Ranska) ja Accunet (Yhdysvallat). Diginet tarjosi käyttäjälle yhden 64 kb/s kanavan: tilaajaliityntä oli digitaalinen nopeudeltaan 80 kb/s, josta 16 kb/s oli merkinannon käytössä. 3.2 Tekniikka ISDN-liitttymiä on kahta tyyppiä: perusliittymä (BRI: Basic Rate Interface), joka tarjoaa kaksi 64 kb/s B-kanavaa käyttäjälle ja yhden 16 kb/s D-kanavan liittymän merkinantoa varten, sekä järjestelmäliittymä (PRI: Primary Rate Interface), joka tarjoaa 30
Tietoliikennetekniikan perusteet 9 64 kb/s B-kanavaa ja yhden 64 kb/s D-kanavan merkinannolle. 3.2.1 Perusliittymä Tilaajaliitynnässä on kaksi tärkeää rajapintaa: U ja S. Tilaajan verkkopääte liittyy puhelinkeskukseen U-rajapinnan kautta. U-rajapinnassa käytetään 2B1Q-linjakoodausta yhdellä parilla. Tieto liikkuu 160 bitin suuruiissa kehyksissä, joista 16 on kehyksen tahdistus- ja ohjausbittejä: nopeus on siis 160 kb/s. Tilaajan laitteet liittyvät verkkopäätteeseen S-rajapinnalla suosituksen I.430 mukaan. Liittiminä käytetään yleisesti kahdeksannapaisia ISO 8877 -modulaariliittimiä eli RJ45-liittimiä (kts. kappale 6, s. 16). S-rajapinta on nelijohtiminen (molempiin suuntiin oma pari) ja nopeutena on 192 kb/s: 48 bitin kehystä toistetaan 4000 kertaa sekunnissa. 3.2.2 Järjestelmäliittymä Järjestelmäliittymällä liitetään yleensä puhelinkeskuksia ja nykyisin yhä useammin modeemipalvelimia puhelinkeskuksiin. Liittymänä käytetään 2 Mb/s PCM-yhteyttä, josta siis saadaan 30 B-kanavaa, yksi D-kanava ja yksi 64 kb/s on synkronointia ja yhteyden hallintaa varten. 3.3 Nykytila ISDN on saavuttanut suosiota erityisesti Saksassa ja muuallakin Internetin ja ISDN-reitittimien ansiosta erityisesti datasiirrossa. ISDN:n edut verrattuna muihin tekniikoihin voidaan tiivistää: Analogisiin modeemeihin verrattuna nopeampi yhteydenmuodostus datasiirrossa (0,5 3 s verrattuna noin 30 s). Siirtonopeus ei ole riippuvainen paikallisista linjaolosuhteista kuten erityisesti 56 kb/s modeemeilla. A-tilaajan tunnus samoin kuin puhelun laskutus voidaan siirtää päätelaitteelle. Toinen kanavista voi olla vapaana esimerkiksi puhelin- tai faxiliikenteelle toisen ollessa dataliikenteen käytössä. Toinen kanava voidaan ottaa lisäkapasiteetiksi tarvittaissa; edelleen saadaan tieto tulevista puheluista ja toinen kanava voidaan vapauttaa puheluun vastaamikseksi. Kulut ovat pienemmät kuin kiinteällä (esimerkiksi FrameRelay) yhteydellä, mikäli käyttö on enintään kohtuullista. Samalla liittymällä voidaan olla yhteydessä eri paikkoihin.
Tietoliikennetekniikan perusteet 10 N-ISDN-liittymän suurimmat ongelmat ovat: Nopeus (perusliittymällä max. 128 kb/s) ei riitä vaativimpiin sovelluksiin. Mikäli yhteyksiä on tiheästi tai ne kestävät pitkään, yhteyskulut kasvavat suuriksi, molempia kanavia käytettäessä kaksinkertaiseksi. Kuukauden perusmaksu sekä yhteysmaksut ovat usein kalliimpia. Päätelaitteet PC-datasovittimia lukuunottamatta ovat huomattavasti kalliimpia kuin vastaavat analogiset. 4 xdsl ISDN:n perusliittymän tarjoama 128 kb/s ei riitä kovin vaativiin multimediasovelluksiin. Vaikka esimerkiksi videon tiivistämistekniikat ovat kehittyneet voimakkaasti, ei tällä nopeudella siirrettyn videokuvan laatua voi pitää kovin riittävänä viihdekäyttöön. Laskelmat osoittivat, että kuidun vetäminen joka kotiin on hyvin kallista, joten halvempiin vaihtoehtoihin oli tarvetta. Asennettujen kupariparien hyödyntäminen oli tietenkin houkutteleva vaihtoehto, olihan niihin sijoitettu hyvin suuria rahasummia. Tämä tunnetaan viimeisen kilometrin ongelmana. ADSL ja VDSL ovat epäsymmetrisiä: tilaajalle päin kaistanleveys on suurempi kuin päinvastoin (taulukko 5, s. 11): kuluttajasoveluksissa tilanne onkin usein näin. 4.1 ADSL ADSL:n (Asymmetric Digital Subscriber Line) idea kehitettiin BellCoren laboratoriossa 1980-luvun puolivälissä ja toteutui 1990-luvun alussa signaaliprosessorien ja -prosessointitekniikan kehityttyä riittävästi. 4.1.1 Toimintaperiaate Ensimmäisenä pistää esiin huikea nopeus, jopa 8 Mb/s verrattuna nopeimpiin modeemitekniikoihin, jotka jäävät alle sadasosan nopeuksiin. Erona on se, että DSL-tekniikat eivät ole rajoittuneita kytkentäjärjestelmän kaistanleveyteen (300 3400 Hz) vaan käytetyn kaapelin kaistanleveyteen, joka ulottuu 1 Mhz:n taajuuteen asti. ADSL-tekniikka on suunniteltu käytettäväksi eri pituisilla tilaajayhteyksillä aina 5,5 kilometriin saakka kahdessa eri vyöhykkeessä, joista lyhyempi ulottuu noin kolmeen kilometriin riippuen käytetystä kaapelointityypistä (taulukko 4). ADSL:n tulee sopeutua hyvin erilaisiin häiriöihin, koska yhteyden pituus voi olla muutamasta kymmenestä metristä aina maksimiin asti.
Tietoliikennetekniikan perusteet 11 Taulukko 4: ADSL-tavoitenopeudet Nopeus Etäisyys Kaapeli 1,5 2 Mb/s 5500 m 0,5 mm 2 1,5 2 Mb/s 4600 m 0,4 mm 2 6,1 Mb/s 3700 m 0,5 mm 2 6,1 Mb/s 2700 m 0,4 mm 2 Taulukko 5: ADSL-nopeusluokat (ANSI ja ETSIn lisäykset Tilaajalle Tilaajalta 6,144 Mb/s 640 kb/s 4,608 Mb/s 384 kb/s 3,072 Mb/s 160 kb/s 1,536 Mb/s 64 kb/s Tilaajalle Tilaajalta 8,192 Mb/s 640 kb/s 6,144 Mb/s 384 kb/s 4,096 Mb/s 160 kb/s 2,048 Mb/s 16 176 kb/s Vaimeneminen riippuu luonnollisesti yhteyden pituudesta, kolmen kilometrin yhteydellä resistiivinen vaimentuminen voi olla jopa 50 db 300 khz:n taajuudella. Vaimeneminen vaihtelee voimakkaasti eri taajuusalueilla yhteyden rakenteesta riippuen. Hajonta eli pulssien leviäminen aiheuttaa sekaantumista peräkkäisten symbolien häiritessä toisiaan. Heijastukset syntyvät kaapelin epäjatkuvuuspisteissä kuten ristikytkennöissä ja kaapeliliitoksissa, missä kaapelin impedanssi vaihtuu. Kohina samoin kuin interferenssi syntyy kun kaapelit toimivat sekä vastaanottavina että lähettävinä anteeneina. Yleinen ympäristön kohina (valkoinen kohina) häiritsee kaikilla taajuusalueilla. Suurimmat häiriöt syntyvät lähipään ylikuulumisesta (NEXT: Near End Crosstalk), eli saman pään lähettimen ja vastaanottimen häiritessä toisiaan. Etäpään ylikuuluminen (FEXT: Far End Crosstalk) vaatii paljon kaiunpoistolta. Eräillä alueilla AM-radion ja matkapuhelinjärjestelmien aihetamat häiriöt voivat olla hyvinkin suuria. ADSL-järjestelmän toimintaa rajoittaa pituuden aiheuttamien ongelmien (vaimeneminen, hajonta ja heijastukset) seuraavaksi eniten ylikuuluminen. ADSL-järjestelmässä käytetään taajuusaluetta, joka ulottuu 30 khz:sta 1,1 MHz:n. Tämä jättää perinteiselle puhelimelle riittävän taajusalueen, joka mahdollistaa passiivisen jakajan avulla saman, paikallisesti virransaannista riippumattoman puhelinyhteyden (elämänlanka POTS) kuten kuvassa 1.
Tietoliikennetekniikan perusteet 12 Kuva 1: ADSL-järjestelmän taajuusjako 4.1.2 Linjakoodaus Linjakoodauksen valinta oli hyvin laajan ja ajoittain kuumankin väittelyn aihe. Kandinaatteja oli kolme: QAM (Quadrature Amplitude Modulation) on parhaiten tunnettuja laajasti käytetty tekniikka. Tekniikkahan on laajalti käytössä yleisen puhelinverkon modeemeissa (kts. kappale 2.1.1, s. 3). CAP (Carrierless Amplitude/Phase) on hyvin lähellä QAM-tekniikkaa, ainoastaan se on tehokkaammin toteutettavissa piille. DMT (Discrete MultiTone) poikkeaa kahdesta edellisestä jakamalla taajuuden useisiin alikanaviin, joita moduloidaan riippumattomasti pitäen huolta että modulointi on ortogonaalista alikanavien kesken. ANSI-standardi jakaa taajuusalueen 255 alikanavaan, joiden kaistanleveys on 4 khz, joita moduloidaan erikseen aina 15 b/hz tietosisältöön asti, tyypillinen arvo hyvällä (häiriöttömällä) on 10 b/hz ja huonommalla 4 b/hz. Tämä mahdollistaa optimaalisen häiriönsiedon kaikilla taajuusalueilla. QAM-tekniikka on taajuusavaruudessa: nopeat symbolit, jotka kestävät lyhyen aikaa suurella kaistanleveydellä. DMT-tekniikka taas on aika-avaruudessa: symboli kestää 250 ms (4 khz) mutta käyttää kapean taajuskaistan. Eri tekniikoiden edut voidaan jakaa seuraavasti: DMT optimoi siirtokapasiteetin paremmin erilaisissa olosuhteissa, hyvissä jopa 8 Mb/s ja aina 32 kb/s portain aina 64 kb/s nopeuteen verrattuna CAP:n 600 kb/s 7 Mb/s 320 kb/s portain. DMT sopeutuu paremmin erilaisiin RF-häiriöisiin. DMT on immuunimpi impulssihäiriöille. DMT on joustavampi. DMT:n linjanmittausta voidaan hyödyntää yhteyksien ehkäisevässä kunnossapidossa ja tunnistamaan häiriölähteitä.
Tietoliikennetekniikan perusteet 13 Taulukko 6: VDSL-tavoitenopeudet Nopeus Etäisyys 13 Mb/s 1500 m 26 Mb/s 1000 m 52 Mb/s 300 m CAP pärjää yksinkertaisimmalla ja nopeammalla alustuksella CAP:n viive on pienempi, tällä voi olla merkitystä joisakin palveluissa. CAP:n huippu-keskimääräistehosuhde on pienempi yksinkertaistaen analogiaosaa ja pienentäen tehotarvetta. CAP on yksinkertaisempi, erityisesti kaiunpoiston osalta. CAP:sta (QAM) on enemmän suunnittelukokemusta, mikä nopeuttaa tuotekehytystä. Molempiin liittyy useita patentteja: tilanne on tässä suhteessa tasan. Suurin osa käytännön kokeista on käyttänyt CAP-tekniikkaa lähinnä siksi koska se on ollut saatavissa. Kansainvälinen standardi 1 kuitenkin toteutuu DMT:n pohjalta, ei vähiten suuremman joustavuuden ansiosta. 4.2 VDSL VDSL (Very high rate Digital Subscriber Line) on suunniteltu lyhyemmille yhteyksille kuin ADSL ja suuremmille nopeuksille. Nopeudet ovat jopa 51 Mb/s, tarkemmin taulukossa 6. Vaikka nopeudet ovat suurempia, odotetaan, että lyhyempi etäisyys ja paremmin hallinnassa oleva ympäristö tekisi toteutuksesta yksinkertaisemman ja halvemman. VDSL-tekniikkaa on suunniteltu käytettäväksi FTTC- ja FTTB-mallien yhteydessä (kts. kappale 7.2, s. 20). Käytetty kaistaneleveys on jopa 10 MHz:n asti. Modulointitapoja on esitetty useita, CAP ja DMT kuten ADSL:ssä, jonka lisäksi myös DWMT (Discrete Wavelet Multitone) ja SLC (Simple Line Code). 4.3 HDSL HDSL (High-bit rate Digital Subscriber Line) on vanhin nopeusta digitaalisista tilaajaliitännöoistä. Muista poiketen liikennöinti on symmetristä, koska liitäntä on tarkoitettu 1 ANSI T1.413; ETSI:n liite European Requrements T1.413:een; ITU-T:n työryhmä 15, kysymys 4/15: V.ADSL pohjautuen ANSI T1.413:een
Tietoliikennetekniikan perusteet 14 puhelinvaihteiden ja muiden perinteisten puhelinjärjestelmien liittämiseen, esimerkiksi useiden puhelinyhteyksien sijoittamiseen samaan parikaapeliin. ANSI:n työryhmä T1E1.4 perustettiin 1988. Linjanopeutena on joko 1,544 Mb/s (T1) tai 2 Mb/s (E1) jopa neljään kilometriin asti hyödyntäen kahta paria. Eräänä vaatimuksena oli, että sen täytyy toimia olemassa olevassa kaapeloinnissa eikä se saa häiritä olemassa olevia palveluita samassa kaapelissa (PSTN, ISDN,...). Linjakoodauksessa oli kaksi kilpailevaa ehdotusta: 2B1Q (2-binary 1-quaternary) ja QAM, joskin myös DMT:tä ehdotettiin. Lopulta päädyttiin valitsemaan NEXT-ominaisuuksien perusteella 2B1Q, jossa kaksi bittiä koodataan neljään jännitetasoon ( 2,5 ja 0,83 V). Tästä koodauksesta on kokemusta ISDN:n yhteydessä. Vanhimmat HDSL-toteutukset käyttivät jopa neljää paria, nykyisin yleisimmin yhtä ja ompa yhdelläkin parilla toimivia versioita. HDSL eroaa perinteisestä parikaapeli-e1 (T1) PCM-yhteydestä siinä, että se on yksinkertaisempi ja luotettavampi eikä vaadi toistimia muutaman sadan metrin välein. E1/T1 käyttää linjakoodina AMI-koodia (Alternate Mark Inversion) ja pareja yksisuuntaisesti. Markkinat ovat hyvässä kasvussa, jo useiden vuosien ajan. Valmistajia ovat mm. NewBridge, Utstar, RAD, Siemens ja PairGain markkinajohtajana. Jatkokehityssuuntana on saavuttaa adaptiiviinen sopeutuminen olosuhteisiin (HDSL2), luultavasti käyttäen 64CAP tai QAM-koodausta. DMT ei soveltune suuremman viiveen takia. Toinen kehityssuunta on hitaammat yhteydet: 768, 512 tai 384 kb/s, jotka riittäisivät vaatimattomampiin sovelluksiin tai parinsäästöön. 4.4 Tilanne tällä hetkellä HDSL on valmis ja koeteltu tekniikka, ADSL on myöskin valmis massamarkkinoille. SDSL on vastaava tekniikka kuin HDSL (symmetrinen), mutta suunniteltu erityisesti yhtä paria käyttäväksi ja adaptiiviseksi. VDSL on vielä alkuvaiheessa, mutta lähiaikoina kehitystä on odotettavissa. 5 Kaapelimodeemit Kaapeli-TV on tarjonnut pitkään laajakaistaisen yhteyden koteihin. Kaapeloinnin ominaisuudet riittävät varsin suureen kaistanleveyteen, käyttäähän yksi TV-kanava noin 6 MHz:n kaistanleveyden. Kaapeli-TV:n käyttökelpoinen taajuusalue myötäsuunnassa ulottuu 50 MHz:n taajuudesta yli 600 MHz:n, uudemmissa jopa 750 MHz:n taajuuteen. Paluusuuntaan käytetään taajuusaluetta 5 30 MHz, joka on huomattavasti herkempi häiriöille. Puhelinverkosta kaapeli-tv-verkon eroittaa rakenne eli topologia. Verkko on rakenteeltaan puumainen rakenteen ja väylän yhdistelmä. Rakenne on hiukan erilainen eri maissa. Rakenne on yleensä hybridi kuitu-koaksiaali eli rakennuksen sisällä käytetään
Tietoliikennetekniikan perusteet 15 koaksiaalikaapelia ja pidempiin yhteyksiin kuitua. Alunperin verkossa olevat vahvistimet ovat yksisuuntaisia: vuorovaikutteisten palvelujen käyttö edellyttää kaksisuuntaisia vahvistimia. 5.1 Toimintaperiaate Kaapelimodeemi liitetään kaapeli-tv-verkkoon kuten normaali kaapeli-tv-pääte. Laite välittää dataliikenteen tietokoneelle ja tietokoneelta. Laitteet voidaan jakaa kolmeen luokkaan: Laitteet, jotka reitittävät vain IP:tä (Internet Protocol). Esimerkiksi Motorola CyberSurfer. Laitteet, jotka tukevat IP:tä ja muita verkkoprotokollia Ethernetin päällä, esimerkiksi Zenith. Laitteet, jotka käyttävät ATM-tekniikkaa. Näitä ei vielä ole vapaasti markkinoilla. Kaapelimodeemi liitetään yleensä Ethernet-liitännällä tietokoneeseen. Tämä mahdollistaa tietokoneessa standardikomponenttien ja -ajureiden käytön. Kaapelimodeemit käyttävät yleensä yhden TV-kanavan taajuuskaistan eli 6 MHz, joka on jaettu useiden käyttäjien kesken. Modeemien nopeudet ovat 500 kb/s ylöspäin, kuitenkin yhdelle käyttäjälle enintään 10 Mb/s vaikka siirtotiellä voi olla kaikkien tilaajien yhteisnopeus 30 Mb/s. Tekniikasta riippuen muut käyttäjät pystyvät lukemaan muiden liikennettä. Osa uudemmista kaapelimodeemeista tukee DES-salausta, joka riittänee kotikäyttöön. Välitettävään signaaliin voidaan liittää myöskin virheenkorjaus (FEC: forward error correction), jolla pystytään korjaamaan yksittäisten bittien virheet. Paluusuunta on myöskin jaettu useiden käyttäjien kesken. Tämä kaista voi olla yhtä suuri kuin myötäsuunta, mutta toisissa ratkaisuissa se on pienempi (esimerkiksi 768 kb/s). Liikennöintitapana paluusuuntaan käytetään yleensä kantoaallon tunnustelua törmäyksen tunnistuksella (CSMA/CD). Laitteen halutessa lähettää, se kuuntele verkkoa ja mikäli mikään toinen laite ei lähetä, se aloittaa lähetyksen. Johtuen verkossa olevasta viiveestä (signaali etenee kaapelista riippuen noin 200 000 km/s: kilometrin matkaan kuluu 5 s) kaksi laitetta voi aloittaa lähetyksen lähes samanaikaisesti, jolloin signaalit törmäävät. Molemmat huomaavat tämän ja odottavat satunnaisen, tormäysten määrän mukaan kasvavan ajan. Tämän jälkeen lyhyimmän aikaa odottanut aloittaa lähetyksen ja toinen odotettuaan pitempään huomaa käynnissä olevan lähetyksen. Kaapelimodeemien standardoinnista vastaa pääasiallisesti IEEE:n työryhmä 802.14 Standard for Cable-TV Based Broadband Communication, joka on perustettu syyskuussa 1996. Useita tuotteita on markkinoilla, mutta ainankin toistaiseksi ratkaisut ovat valmistajakohtaisia.
Tietoliikennetekniikan perusteet 16 6 Standardit, standardiliitäntöjen periaatteet Dataliitännöissä käytetään standardoituja liitäntöjä datapäätelaitteen (DTE: Data Terminal Equipment) ja verkkopäätteen (DCE: Data Circuit-termination Equipment) välillä. Liitännän määrittely muodostuu seuraavista osakokonaisuuksista: Mekaniset ominaisuudet määrittävät liittimen tyypin, liitäntäpiirit ja nastajärjestyksen. Yleisiä datasiirrossa käytettyjä standardoituja liitintyyppejä ovat: 37-napainen D-liitin, ISO 4902 34-napainen liitin, ISO 2593 26-napainen D-liitin, ISO 11569: puolet pienempi kuin 25-napainen D-liitin. Standardoitu lukitus. 25-napainen D-liitin, ISO 2110 15-napainen D-liitin, ISO 4903 8-napainen modulaariliitin, ISO 8877, RJ-45 Sähköiset ominaisuudet määrittävät jännitetasot, loogisia tiloja vastaavat tasot sekä muita sähköisiä ominaisuuksia (esimerkiksi sallitut virrat tai liitännän impedanssi). Toiminnalliset ominaisuudet voidaan jakaa käyttötarkoituksen mukaan seuraavasti: Dataliitäntäpiirit siirtävät varsinaisen datan. Ohjausliitäntäpiirit huolehtivat esimerkiksi vuonohjauksesta ja välittävät tilatietoa jompaan kumpaan suuntaan. Ajastusliitäntäpiirit ovat tarpeen mikäli siirto on synkronista. Kellosignaali saadaan yleensä verkkopäätteeltä (DTE). Liitännät on yleensä sunniteltu siten, että DTE-DCE-liitäntä voidaan tehdä suoralla kaapelilla (nasta 1 menee toisen liittimen nastaan 1, 2 toisen nastaan 2 ja niin edelleen). Mikäli halutaan liittää kaksi päätelaitetta (DTE) suoraan yhteen, vaati tämä joko ristiin kytketyn kaapelin tai ns. nollamodeemin, joka kytkee tarvittavat piirit ristiin. Tietyn liitännän nollamodeemi(kaapelia) ei yleisesti voida käyttää toiseen liitäntään vaikka liittimet olisivatkin fyysisesti sopivia. Datasiirron liitäntöjä määritetään ITU-T:ssä kahdessa eri sarjassa: V-sarjassa, joka on tarkoitettu valintaisen puhelinverkon datasiirtoon sekä X-sarjassa, jotka on tarkoitettu dataverkosa käytettäviksi. Useat V- ja X-sarjojen standardit ovat toisiaan vastaavia. 6.1 V.24: liitäntäpiirien toiminnallinen määrittely Useiden liitäntöjen toiminnalliset ominaisuudet on määritelty ITU-T:n suosituksessa V.24, joka yleensä tunnetaan paremmin sen rinnakkaisstandardin, EIA RS-232C,
Tietoliikennetekniikan perusteet 17 nimellä. Kaikkiaan suosituksessa on määritelty noin 40 erilaista liitäntäpiiriä, joista yleensä käytetään vain pientä osaa: esimerkiksi PC:n modeemiliitännässä on yleensä käytössä 7 johdinta. 6.2 V.28: epäsymmetrinen sarjaliitäntä V.28 määrittelee sarjaliitännän sähkoiset ominaisuudet: 0-bitti tai ON-tila on jännite +3 +25 V, 1-bitti tai EI-tila on vastaavasti -3-25 V. Liitäntä on epäsymmetrinen, koska ainoastaan toisen johtimen (maa) jännitetaso pysyy vakiona (0 V). Liittimenä käytetään 25-napaista D-liitintä (ISO 2110). Suurin määritelty siirtonopeus on 19 200 b/s, mutta nykyään liitäntää käytetään 57 600 ja jopa 115 200 b/s nopeudella. Yleisin käyttöalue on valintaisen puhelinverkon modeemit, mutta myös muut PC-oheislaitteet. 6.3 V.11: symmetrinen sarjaliitäntä Liitäntä on sähköisesti symmetrinen: jokainen signaali kuljetetaan kahdella johtimella: signaalitason vaihtuessa johtimien polariteetti vaihtuu toisiensa suhteessa päinvastaiseksi. Tämä tekee liitännästä häiriösietoisemman: liikennöintinopeudessa päästään aina 10 Mb/s nopeuteen asti. Liittimenä käytetään 37-napaista D-liitintä (ISO 4902). Käytetään nopean datasiirron päätelaitteisiin, kuten kantataajuusmodeemeihin ja ISDN-datasovittimiin. 6.4 V.10: epäsymmetrinen sarjaliitäntä Vastaa muiden kuin symmetrisyyden puolesta V.11-liitäntää, mutta hitaampana (max. 100 kb/s) harvemmin käytetty. 6.5 V.35: osittain symmetrinen sarjaliitäntä Liitännässä data- ja ajastuspiirit ovat symmetrisiä, ohjaussignaalit ovat kuten V.28:ssa. Nopeus on pienempi kuin V.11:ssä eli tyypillisesti enintään 2 Mb/s. Liittimenä käytetään varsin kookasta 34-napaista ISO 4902-liitintä. Käyttöalue on kuten V.11:ssä, mutta sitä ei suositella enää käytettäväksi uusissa toteutuksissa. 6.6 X.21: Valintaisen dataverkon liitäntä Liitännän sähköiset ominaisuudet ovat joko suosituksen X.26 (=V.10) tai X.27 (=V.11) mukaisia. Toiminnalliset ominaisuudet määritellään suosituksissa X.21 ja X.24, liitin on 15-napainen D-liitin (ISO 4903). Liitäntänopeus riippuu sovelluksesta mutta on
Tietoliikennetekniikan perusteet 18 tyypillisesti alle 2 Mb/s. Liitäntää käytetään piirikytkentäisen tai kiinteiden yhteyksien datasiirron liitäntänä. Piirikytkentäisessä verkossa yhteyden merkinantovaiheessa ohjaus tapahtuu synkronisesti käyttämällä IA5 (International Alphabet 5) eli ASCII-merkistöä. Tämän jälkeen liikennöinti on läpinäkyvää. 6.7 X.25: pakettiverkko kiinteällä yhteydellä X.25 tarjoaa pakettipohjaista, luotettavaa datasiirtoa. Kehitettäessä X.25-verkkoa ei datasiirron virheettömyys ollut samaa luokkaa kuin nykyään. Verkko muodostuu solmuista, jotka välittävät datapaketit eteenpääin. Mikäli siirrossa tapahtuu virhe, paketti lähetetään uudeelleen. Solmu pitää paketin muistissaan kunnes on saanut vastapäältä kuittauksen onnistuneesta vastaanotosta. Tämä tekee verkosta päätelaitteen kannalta helpon, koska sen ei tarvitse huolehtia uudelleenlähetyksistä. Vastapuolena on taas verkon monimutkaisuus ja tarvittava datan puskurointi, joka vaikeutuu siirtonopeuksien kasvaessa. Päätelaiteliitäntä on yleensä jokin V-sarja liitäntä, esimerkiksi V.11. Nopeudet ovat tyypillisesti enintään 64 kb/s, mutta jopa 2 Mb/s nopeudella toimivia päätelaitteita on. Linkkikerroksella käytetään HDLC/LAP-B-kehystystä (High level Data Link Control/Link Access Procedure-Balanced), joka mm. varmistaa datan oikellisuuden sekä eroittaa eri kehykset määrätyllä bittijonolla ( 0111 1110 ). 6.8 X.32: pakettiverkko valintaisella yhteydellä X.32-suositus mahdollistaa X.25-pakettiverkon käytön valintaisella, esimerkiksi ISDN-yhteydellä. Muuten vastaa toiminnallisesti X.25:tä. 6.9 X.28: asynkroninen liitäntä X.25-verkkoon X.28-suositus mahdollistaa asynkronisen liikenteen (esimerkiksi pääteyhteys) välittämisen X.25-pakettiverkossa. PAD (Packet Assembler / Disassembler) ottaa vastaan asykronista dataa ja muodostaa siitä paketteja, jotka lähettää verkkoon. Vastaavasti vastaanottaessaan se purkaa datan paketista ja lähettää asynkroniselle yhteydelle. Tähän päätelaite liitetään yleensä V-sarjan asynkronisella liitännällä, X.25-verkkon se liittyy joko X.25 tai X.32-suosituksen mukaan. 6.10 Frame Relay: kevyempi versio X.25:stä Tiedonsiirtonopeuksein kasvaessa X.25 jäi toivottoman raskaaksi. ISDN-verkkoja varten kehitettiin kehysmuotoinen verkkopalvelu (FMBS: Frame Mode Bearer Service), josta yksinkertaistamalla luotiin kehysvälitys, Frame Relay. Oleellisimmat määrittelyt
Tietoliikennetekniikan perusteet 19 ovat I.233.1, Q.922 ja I.370, jotka muodostavat perustoiminnot. Käytännön päätelaiteja verkkoliitännöistä on sovittu Frame Relay Forumissa, joka on valmistajien ja operattoreiden muodostama yhteisö, jossa voidaan toimia joustavammin kuin ITU-T:ssä. Frame Relay mahdollistaa useiden loogisten yhteyksien käytön samalla fyysisellä yhteydellä käyttäen virtuaalikanavia, jotka voivat olla joko kiinteitä tai kytkentäisiä. Verkko ei takaa kehysten perillemenoa vaan mikäli tapahtuu siirtovirhe, verkko pudottaa kehyksen ilmoittamatta siitä kenellekään. Verkko tukee ruuhkanilmaisua sekä lähettäjälle että vastaanottajalle päin. Frame Relay liitännät ovat tyypillisesti 64 kb/s-nopeudesta aina useiden megabittien nopeuksiin saakka. Liitännällä on lisäksi taattu nopeus (yleensä pienempi kuin liittymänopeus), joka voidaan hetkellisesti ylittää: näin Frame Relay tukee purskeista datasiirtoa. 7 Kuituratkaisut Optista tiedonsiirtoa kokeiltiin jo 1900-luvun alussa, mutta tekniset ongelmat olivat liian suuria. Laserin keksiminen 1960-luvulla antoi sysäyksen kuidun kehittämiselle ja 1970 onnistuttiin esittelemään ensimmäinen käyttökelpoinen kuitu. Tämän jälkeen kehitys on edennyt eteenpäin ja nykyään valokuitu on monilta ominaisuuksiltaa ylivoimainen ratkaisu tiedonvälitykseen verrattuna muihin tekniikoihin: Kaistanleveys: yhden kuidun välityskyky on nykytietämyksen mukaan useita terabittejä (10 12 ) sekunnissa. Sormenpaksuiseen kaapeliin voidaan sijoittaa kymmeniä kuituja. On tunteeton sähkömagneettisille ja radiohäiriöille eikä myöskään aiheuta niitä. Ei ole herkkä hapettumiselle. Haittapuolelle voidaan laskea jonkin verran vaikeampi käsittely ja suuremmat puhtausvaatimukset asennuksessa. Energian välittäminen ei onnistu kuidussa kuten kuparissa. 7.1 Kuitutyypit Nykyisin kuituja valmistetaan sekä muovista että lasista. Muovista valmistetut kestävät kovempaa käseittelyä mutta vastavuoroisesti vaimentuminen on huomattavasti suurempi, niinpä ne sopivat vain hyvin lyhyille yhteyksille. Lasikuidut voidaan jakaa yksi- ja monimuotokuituihin. Yksimuotokuidussa kuidun ydin on niin ohut, että valonsade pystyy kulkemaan ainoastaan suoraan, ei taittumaan. Heijastusten puuttuminen pienentää vaimenemista ja hajontaa, jolloin siirtonopeus saadaan suuremmaksi.
Tietoliikennetekniikan perusteet 20 Taulukko 7: Yksimuotokuitujen ominaisuuksia [4]. Standardikuitu Dispressiosiirretty 9/125 m(sm) 9/125 m(ds) Vaimennus 1300 nm < 0,45 db/km < 0,50 db/km 1550 nm < 0,30 db/km < 0,30 db/km Dispressio 1300 nm < 3,5 ps/(nm * km) < 18 ps/(nm * km) 1550 nm < 18 ps/(nm * km) < 3,5 ps/(nm * km) Raja-aallonpituus 1270 nm 1270 nm Taulukko 8: Monimuotokuitujen ominaisuuksia [4]. 62,5/125 m (GK) 50/125 m(gi) 100/140 m (GN) Vaimennus 850 nm < 3,5 db/km < 2,7 db/km < 4,5 db/km 1300 nm < 1,0 db/km < 0,8 db/km < 2,0 db/km Kaistanleveys 850 nm > 200 MHz*km > 400 MHz*km > 100 MHz*km 1300 nm > 500 MHz*km > 600 MHz*km > 100 MHz*km Monimuotokuiduista nykyään käytetään askeltaitteista kuitua, jossa lasin taitekerroin muuttuu kohti reunoja: valonsäde edetessään kohti reunaa taittuu yhä voimakkaammin keskustaa kohti. 7.2 Kuidun käyttö tilaajaverkossa Kuidun oninaisuuksien vuoksi sitä pyritään käyttämään mahdollisuuksien mukaan tilaajaverkossa, jotta saataisiin tulevaisuuden megabittiluokan palvelut ja sovellukset toimimaan. Erilaisia ratkaisuja on esitetty optimaalisen hyöty-kustannussuhteen löytämiseksi. Kuitu kotiin (FTTH: Fiber To The Home) on luonnollisesti suurimman siirtokapasiteetin tarjoava ratkaisu valitettavasti myöskin kallein: maailmanlaajuisesti puhutaan triljoonien (10 15 ) dollarien kustannuksesta. Uudisasennuksien osalta olisi tietenkin houkuttelevaa asentaa valokaapeli joko pelkästään tai kuparin rinnalle. Kuituliitännän ongelmia ovat kuitenkin virransyöttö ja pääte- ja verkkolaitteiden kalleus verrattuna kuparipareihin pohjautuvaan ratkaisuun. Kuitu kauppaan (FTTB: Fiber To The Business) Liiketiloissa on usein suuria tiedonsiirtotarpeita. Niissä on myös suojattuja ympäristöjä sekä fyysisesti että virransyötön osalta. Kuluttajaliitännät olisivat kuparilla käyttäen ADSL ja VDSL-tekniikoita, etuna lyhyemmät kaapeloinnit. Soveltuu erityisesti pientaloalueelle.
Tietoliikennetekniikan perusteet 21 Kuitu taloon (FTTA: Fiber To The Apartment) Talojakamossa päästään lähimmäksi kuluttajaa. Ympäristö ei ole yhtä suojattu kuin liiketiloissa, mutta usein riittävä virransyöttö on tarjolla. Suomessa muutamissa taloyhteiöissä on luotu rakennuksen sisäinen verkko 10BaseT-verkkona hyödyntäen puhelinkaapelointia. Tästä verkosta on sitten reittittimen kautta yhteydet ulkomaailmaan. Kuitu naapuriistoon (FTTN: Fiber To The Neighbourhood) Kuitu kortteliin (FTTC: Fiber To The Curb) Kuitu kaappiin (FTTCab: Fiber To The Cabinett) Nämä vaihtoehdot ovat ympäristöolosuhteiden puolesta vaativimmat. Ristikytkentäkaappi joutuu mm. suurien lämpötila- ja kosteusmuutosten kohteeksi. Virran syöttö ja tuuletus voivat olla vaikeita järjestää. Tälle tekniikalle on suurin vaatimus pientalo- ja haja-asutusalueella. Nämä vaihtoehdot korvautuvat FTTH-vaihtoehdolla kunhan optiset tilaajaliitännät tulevat halvemmiksi volumien kasvaessa. Yhdistetty kuitu-koaksiaali (HFC: Hybrid Fiber and Coax) Kaapeli-TV-verkossa käytettävä vaihtoehto, jossa pitkiä vahvistinketjuja voidaan korvata kuituyhteydellä. Useat peräkkäiset vahvistimet heikentävät järjestelmän luotettavuuden huomattavasti alle yhden vahvistimen luotettavuuden. Yhden koaksiaalikaapeloinnin piirissä on tyypillisesti 500, tulevaisuudessa ehkä vain 100 kotitaloutta. Tämä on huomattavasti vähemmän kuin perinteisissä järjestelmissä, missä voi olla jopa kymmeniä tuhansia yhden koaksiaalikaapeloinnin piirissä. Mikäli tiedon jakeluun käytetään kuidun passiivista haaroitusta, on pidettävä huoli siitä, että jokaista bittiä kohti jää riittävä määrä fotoneja. 7.3 Kuidun käytön tulevaisuudennäkymät Kuitutiedonsiirrossa on kaksi tavoitetta: saada yhä pitempiä yhteysvälejä ilman vahvistusta ja saada enemmän kapasitettia kuituun käyttöön. Yhteysvälien kasvattaminen onnistuu kuidun valmistusteknologian parantuessa: tasaisempi laatu tarkoittaa pienempiä hävilöitä. Laserteknologian kehittyminen kasvattaa kuituun syötettävää tehoa ja vastaanottimien herkkyyden paraneminen taas sallii suuremman vaimenemisen. Siirtokapasiteetin lisäämiseksi voidaan käyttää aallonpituusjakoa eli WDM (Wavelength-Division Multiplexing). Tällöin samaan kuituun voidaan sijoittaa jopa 40 yhteyttä. Tämä mahdollistaa myöskin täysin optisten verkkojen toteuttamisen: verkkojen, jotka kytkevät yhteydet toisille yhteyksille optisesti.
Tietoliikennetekniikan perusteet 22 8 Langattomat vaihtoehdot Langattomilla tilaajaliitännöillä on kaksi pääasiallista sovellusaluetta: luoda nopeasti tietoliikenneyhteyksiä sinne, missä niitä ei ole tai joiden laatu on huono, sekä tarjota kilpaileville operattoreille riippumattomuus paikallisen operaattorin kaapeleista. 8.1 Langaton tilaajaliityntä WLL (Wireless Local Loop) voidaan toteuttaa useilla eri tekniikoilla, riippuen käytettävissä olevasta taajuusalueesta, liikennetiheydestä ja maantieteellisestä laajuudesta. 8.1.1 Matkapuhelinverkot Matkapuhelinverkko voidaan luoda hyvin nopeasti vaatien kiinteää kaapelointia ainoastaan virransyöttöä varten. Esimerkiksi Baltian maissa verkkoja on käytetty NMT 450-verkkoa ja kiinteästi asennettuja puhelimia. GSM-puhelimia on mahdollista käyttää myöskin tilaajaliityntöinä. Hinnoittelulla voidaan vaikuttaa kilpailuasemaan. Näin GSM-puhelut voivat olla edullisempia tiettyllä alueella edullisempi, esimerkiksi kotia lähinnä olevan tukiaseman alueella. Langattomia puhelimia, erityisesti DECT-puhelimia, voidaan myös käyttää tähän tarkoitukseen. Esimerkiksi HPY:llä on Porvoossa DECT-palvelu, hinnoiteltuna kilpailukykyisesti kiinteän liitännän kanssa. Etuna on langattoman tarjoama liikkumavapaus kaupungin alueella. Ongelmana matkapuhelintekniikoissa on huono tuki datasiirrolle, joskin esimerkiksi DECT tukisi satojen kilobittien sekunttinopeutta. 8.1.2 Kiinteästi asennetut linkkitekniikat Kiinteästi asennetut, suunnattuihin anteeneihin perustuvat tekniikat ovat matkapuhelintekniikoinden ohella toinen ratkaisu. Järjestelmä muodostuu tyypillisesti ruokalautasen kokoisesta anteenista, joka suunnataan kohti tukiasemaa. Elektorniikka tarjoaa normaalin analogisen puhelimenliittymän. Yhteys vastaa ominaisuuksiltaan normaalia puhelinliittymää, joten esimerkiksi normaalien modeemien käyttö onnistuu. Suomessa kokeiluja on käynnössä mm. Turussa, jossa Telecom Finland tarjoaa Iomega-pohjaista järjestelmää. 8.2 Satelliittiratkaisut Syrjään asutuilla alueilla satelliittipuhelimesta on tullut väline, jolla päästään luotettavasti liikennöimään. Tarvittavien laitteiden koko on pienentynyt matkalaukkukoosta
Tietoliikennetekniikan perusteet 23 salkkukokoon; valmiina on jo hiukan normaalia matkapuhelinta suuremmilla puhelimilla toimivien järjestelmien prototyyppejä. Näiden ns. LEO-satelliittien arvellaan olevan käytössä vuonna 2000. Siirtonopeudet näissä järjestelmissä ovat kuitenkin melko vaatimattomia, alkaen 2400 b/s nopeudesta. Satelliitteja on kuitenkin käytössä laajakaistaiseen tiedonvälitykseen, joten näiden hyödyntäminen myös datasiirrossa on houkuttelevaa. Suurin ongelma on paluukanava tilaajalta: sateliittilähettimet ovat kalliita verrattuna vastaanottimiin. Ratkaisuna on käytetty paluukanavan toteuttamista modeemin avulla. Tässä modeemin nopeus rajoittaa tiedonsiirtoa: TCP-protokollalla kuittauspakettien kaistanleveys on noin 3 % tiedonsiirrosta. Käytettäessä paluukanavana 28,8 kb/s modeemia, suurin tiedonsiirtonopeus on noin 900 kb/s. Tilaajalta poispäin liikennöintinopeus riippuu yksinomaan modeemista. Yhdysvalloissa DirecPC 2 tarjoaa tilaajalle jopa 400 kb/s nopeutta. Anteenina on puolimetrinen anteeni, joka liitetään PC:n lisäkorttiin. Lisäksi tarvitaan paluukanavaa varten yhteys jollekin Internet-palveluntarjoajalle. Vuosien 2000 2002 aikana Motorolalta ja Teledesiciltä on tulossa matalalla lentäviä (LEO) sateliittejä hyödyntävät versiot, joissa myös paluukanava on sateliitin kautta. Teledisc lupaa useiden megabittien sekunttinopeutta. Lisäksi on suunnitteilla lentokoneisiin ja ilmalaivoihin perustuvia linkkiasemia: tilaajalla on ylös sunnattu anteeni ja korkealla lentävä lentokone välittää datan. 9 Yhteenveto Tilaajaverkkojen kehittyminen yhä nopeampaa datasiirtoa varten on jatkunut viimeaikoina kiivaana. Normaalin puhelintekniikan rajoittamassa datasiirrossa ei enää ole odotettavissa oleellisia parannuksia. ISDN tarjoaa astetta nopeamman ja luotettavamman yhteyden. Tilaajalle tulevasta kuparijohdosta ilmeisesti otetaan kaikki mahdollinen irti ADSL tekniikalla puhelinkeskuksesta asti. Erilaiset kuitu-kupariyhdistelmät mahdollistavat nopeuden lisäämisen edelleen riittäväksi nykyisin näköpiirissä oleviin palveluihin. Kun kuparista on saatu kaikki irti, on siirryttävä täysin optiseen liikennöintiin. Langattomilla järjestelmillä on oma roolinsa kilpailun tehostajina, liikkuvuuden tyydyttäjinä ja harvaanasuttujen alueiden ratkaisuna. Tiheään asutulla alueella radioaallot ovat rajallinen luonnonvara käytettäväksi laajakaistaiseen viestintään. Viitteet [1] Roger L. Freeman. Practical Data Communications. John Wiley & Sons, Inc., 1995. ISBN 0-471-31021-2. 2 Hughes Network Systemssin tuote.
Tietoliikennetekniikan perusteet 24 [2] Alex Gillespie. Access Networks: Technology and V5 Interfacing. Artech House, 1997. [3] Fred Halsall. Data Communications, Computer Networks and Open Systems. Addison Wesley, fouth edition, 1995. ISBN 0-201-42293-X. [4] Helkama valokaapelit tiedonsiirrossa 1995. Helkama Kaapeli, 1995. [5] Risto Hämeen-Anttila, Pertti Hölttä, and Seppo Niinioja. Tietoliikennejärjestelmät. Painatuskeskus, 1993. [6] Kauko Rahko. Tietotekniikka. Osa 4. Digitaalinen monipalveluverkko. Otakustantamo, 1988. [7] Vesa Volotinen. Tietoliikenne: verkot ja päätelaitteet. WSOY, 1991. Tietoliikennetekniikan oppikirjoja Hyvä oppikirja on esimerkiksi [1]. Enemmän tietokoneverkkoihin keskittynyt on [3]. Lähteitä Internetissä Uusimmista tekniikoista saa tietenkin helpoimmin tietoa Internetistä. Alla on muutamia keskeisiä linkkejä, joista tässä mainituista tekniikoista saa lisätietoja. Saatavilla olevaan tietoon kannattaa suhtautua kriittisesti: dokumenttien päiväykset antavat vinkkiä tiedon tuoreudesta. DirecPC: <URL:http://www.direcpc.com> ISDN: <URL:http://www.alumni.caltech.edu/%7Edank/isdn/> ITU: <URL:http://www.itu.int> Kaapelimodeemit: <URL:http://www.walkingdog.com/catv/> Teledesic: <URL:http://www.teledesic.com> V.pcm: <URL:http://www.56k.com> xdsl: <URL:http://www.adsl.com> Laaja linkkikokoelma: <URL:http://www.hut.fi/Misc/Electronics/>