Μάθημα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Transcript

1 Μάθημα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Ενότητα 6η Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Μάθημα 13o ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος 1 Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών

2 Περιεχόμενα Τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και συστήματα Ασύρματα ( RF) συστήματα Μικροκυματικά συστήματα Δορυφορικά συστήματα Άλλες τεχνολογίες Ενσύρματα συστήματα Το κλασσικό τηλεφωνικό δίκτυο Τεχνολογία οπτικών επικοινωνιών Συστήματα WDM Οπτικά δίκτυα 2

3 Δομή τηλεπικοινωνιακών δικτύων Global Network < km < 10 Tbit/s Wide Area Network < 100 km < 1 Tbit/s Metropolitan/Regional Area Optical Network Client/Access Networks Cable modem Networks SDH/ SONET ISP ATM FTTB Gigabit Ethernet < 20 km 100M - 10 Gbit/s ATM Cable FTTH PSTN/IP Mobile Corporate/ Enterprise Clients 3

4 Μητροπολιτικά δίκτυα & τεχνολογίες πρόσβασης Επιχειρήσεις/οικιακοί χρήστες xdsl Access χαλκός Δημόσιες Υπηρεσίες/ Επιχειρήσεις Επιχειρήσεις/οικιακοί χρήστες FTTH Οπτική ίνα Hotspot Customer Premises Equipment Metro Edge Metro core Metro Edge Οπτική ίνα Ethernet over dark fiber IP Backbone 4

5 ΔΙΚΤΥΟ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ και Ευρυζωνικότητα Ενσύρματη Πρόσβαση ADSL2+ σήμερα VDSL2 σήμερα EPON ή/και P-to-P Ethernet στο εγγύς μέλλον (οπτικα δικτυα πρόσβασης) VDSL2+ vectoring, GFast στο μέλλον Ασύρματη Πρόσβαση GPRS, WiMAX σήμερα HSDPA/HSUPA LTE σήμερα WiMAX e (?) Flarion (802.20), HSDPA MIMO στο εγγύς μέλλον 5

6 Οι τάσεις... Στο ΔΙΚΤΥΟ ΚΟΡΜΟΥ IP/MPLS, SDH σήμερα ALL-Optical Switching? Σύμπτυξη επιπέδων δικτύου? Στην ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ WiFi ή 3G access point IP net TDM Voice και VoIP σήμερα IMS, NGN αύριο UMA / GAN αύριο Ενιαία ολοκλήρωση δημόσιων & ιδιωτικών δικτύων? Handover GSM or UMTS Mobile Operator IP multimedia subsystem - Next generation network- Unlicensed Mobile Access - Generic Access Network 6

7 IMS 7 The IP Multimedia Subsystem (IMS) is a concept for an integrated network of telecommunications carriers that would facilitate the use of IP (Internet Protocol) for packet communications in all known forms over wireless or landline. Examples of such communications include traditional telephony, fax, , Internet access, Web services, Voice over IP (VoIP), instant messaging (IM), videoconference sessions and video on demand (VoD).

8 GAN - UMA 8 Generic Access Network or GAN is a telecommunication system that extends mobile voice, data over IP networks. Η εμπορική του ονοασία είναι UMA Unlicensed Mobile Access or UMA, is the commercial name used by mobile carriers for external IP access into their core networks technology provides access to GSM and GPRS mobile services over unlicensed spectrum technologies, including Bluetooth and

9 Ραδιο-Μικροκυματικά Συστήματα Ιστορική αναδρομή - Βασικές έννοιες 1867 (Maxwell), 1888 (Hertz), 1895 & 1901(Marconi) 1957: Εκτόξευση του Sputnik : κινητές επικοινωνίες (mobile), 1992 GSM (Eu) 2002: CDMA network Wireless και Mobile LMDS και μικροκύματα είναι ασύρματες, αλλά όχι κινητές τεχνολογίες (Fixed Wireless) Κυψελωτά/PCS τηλέφωνα και δορυφόροι είναι ασύρματες και κινητές τεχνολογίες Βαθμοί κινητικότητας Τα ασύρματα τηλέφωνα έχουν μικρή κινητικότητα, τα κυψελλωτά έχουν μεγαλύτερη κινητικότητα Κυψελωτά Είναι μία ασύρματη υποδομή που σχηματικά μοιάζει με ένα σύνολο κυψελών. 9

10 Fixed wireless. Σύνοψη Οι Network operators προτιμούν τις fixed wireless όταν οι κλασσικές γραμμές χαλκού ή ίνας έχουν υψηλό κόστος, είναι συμφορημένες ή μη διαθέσιμες Η τεχνολογία Fixed wireless είναι ιδανική για παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών (Διαδίκτυο, δεδομένα, φωνή και βίντεο) σε επιχειρήσεις και συνδρομητές Τα συστήματα Fixed wireless χρησιμοποιούν το φάσμα συχνοτήτων από 2 GHz εως 40 GHz Περιλαμβάνουν τις τεχνολογίες: LMDS (local multipoint distribution service), MMDS (multi-channel multipoint distribution service) 10

11 LMDS και ΜΜDS. Σύνοψη 11

12 WLAN - Πρότυπα ασύρματης πρόσβασης Πρότυπο Συχνότητα (GHz) Μέγιστος ρυθμός δεδομένων (Mbps) Φυσικό επίπεδο (PHY) Πολλαπλή πρόσβαση IEEE ,4 2 DSSS, FHSS CSMA/CA IEEE b 2,4 11 DSSS/CCK CSMA/CA IEEE a 5 54 OFDM CSMA/CA IEEE g 2,4 54 OFDM CSMA/CA IEEE >70 Απλού Φέροντος TDMA IEEE a (OFDM, 7 MHz) Απλού Φέροντος, OFDM, OFDMA TDMA ETSI HIPERLAN/ OFDM TDMA ETSI HIPERACCESS >70 Απλού Φέροντος TDMA 12 ETSI HIPERMAN (7 MHz) OFDM TDMA

13 Μobile -Κυψελωτά δίκτυα 1979 Αναλογικό σύστημα μετάδοσης IMTS (1G) Χρήση κυψελών (ΑΤ&Τ ΒELL) AMPS (USA) 1992 Δεύτερη Γενιά (2G): ψηφιακή μετάδοση Τρίτη Γενιά (3G): ψηφιακή μετάδοση, επιτρέπει την παροχή broadband υπηρεσιών (voice, data, and multimedia streams) σε ρυθμούς 144Kbps - 384Kbps, έως και 2Mbps 2.5G: προσφέρει κάποιες βελτιώσεις στην παροχή data services στις υπάρχουσες 2G ψηφιακές πλατφόρμες 3G τεχνολογίες 4G - LTE 13

14 Μobile -Κυψελωτά δίκτυα 14

15 5G και Τεχνολογίες υλοποίησης 15

16 Δορυφορικά συστήματα Η ιδέα της χρήσης ενός τεχνητού γήινου δορυφόρου στο διάστημα ως επικοινωνιακού κόμβου μεταξύ δύο επίγειων απομακρυσμένων σταθμών ανήκει στον συγγραφέα βιβλίων επιστημονικής φαντασίας Arthur C. Clarke. Extra - Terrestrial Relays (Wireless World 1945). Sputnik 1 της τότε ΕΣΣΔ. από τις 4 Oκτωβρίου του 1954 και για 21 μέρες εξέπεμπε δεδομένα τηλεμετρίας, Explorer I (31 Ιανουαρίου 1958) ΗΠΑ Το 1964 ο δορυφόρος σειράς SYNCOM III, χρησιμοποιείται για την κάλυψη των Ολυμπιακών Αγώνων του Τόκιο (γεωσύγχρονος). COMSAT στις ΗΠΑ το 1963 ΙΝΤELSAT ο Διεθνής Συνασπισμός Τηλεπικοινωνιών μέσω Δορυφόρου (1964 με απόφαση των Ηνωμένων Εθνών) INMARSAT και τοπικοί οργανισμοί όπως ARABSAT, EUTELSAT, ASIASAT, HELLASSAT 16

17 Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα δορυφορικών επικοινωνιών Πλεονεκτήματα Η απόσταση μεταξύ των επικοινωνούντων επίγειων σταθμών δεν παίζει κανένα ρόλο. Το κόστος χρήσης είναι ανεξάρτητο της απόστασης των συνδεόμενων σταθμών. Είναι η μόνη λύση για την τηλεπικοινωνιακή κάλυψη, δύσβατων περιοχών όπου η χρήση καλωδιακών συστημάτων είναι αδύνατη ή έχει εξαιρετικά υψηλό κόστος Μειονεκτήματα Μεγάλος χρόνος μετάδοσης. Για να σταλεί και να επιστρέψει ένα σήμα στη γη απαιτούνται περίπου 0.54 s, πρόβλημα στην επικοινωνία H/Y Ζήτημα ασφάλειας στην πληροφορία που παρέχει ο δορυφόρος. (εξειδικευμένες τεχνικές κρυπτογράφησης) Υψηλό κόστος της τοποθέτησης σε τροχιά καθώς και περιορισμένος χρόνος ζωής των δορυφορικών σταθμών ( 7-16χρόνια) 17

18 Δορυφορικές Υπηρεσίες I Σταθερές δορυφορικές υπηρεσίες (FSS - Fixed Satellite Services) Σύνδεση με το συμβατικό επίγειο τηλ/κό δίκτυο (τηλεφωνία, τηλεγραφία/telex, τηλεόραση, μετάδοση δεδομένων, ολοκληρωμένες υπηρεσίες ISDN και μετάδοση επειγόντων περιστατικών) Δορυφορικές υπηρεσίες άμεσης εκπομπής (DBSS - Direct Broadcast Satellite Services) Κινητές δορυφορικές υπηρεσίες (ΜSS - Mobile Satellite Services) Δορυφορική υπηρεσία ραδιοεντοπισμού και ραδιοπλοήγησης (GPS) Μετεωρολογική δορυφορική υπηρεσία Δορυφορική Υπηρεσία έρευνας διαστήματος και εξερεύνησης της γης VTC (Video TeleConference), SNG (φορητό uplink- Fixed receive only terminal) 18

19 H Ελληνική πραγματικότητα (ΟΤΕ) είναι ιδρυτικό μέλος του INMARSAT Οι δορυφορικές μας επικοινωνίες εξυπηρετούνται από 12 δορυφορικούς σταθμούς εδάφους των οποίων οι κεραίες στοχεύουν δορυφόρους των οργανισμών ΙNTELSAT, EUTELSAT και INMARSAT και τον HELLASSAT O πρώτος Ελληνοκυπριακός δορυφόρος, διαθέτει 30 αναμεταδότες με δύο σταθερές δέσμες που καλύπτουν την Ευρώπη και δύο κινητές με δυνατότητες κάλυψης περιοχής όπως Άπω Ανατολή, Αφρική και Μέση Ανατολή. Ο Hellas-Sat 2 είναι ιδανικός για DTH ραδιοφωνικές υπηρεσίες, διανομή των τηλεοπτικών και ραδιοφωνικών σημάτων, των στοιχείων και των υπηρεσιών IP, και των προηγμένων τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών όπως τα δίκτυα VSAT 19

20 Δορυφορικές υπηρεσίες στην Ελλάδα Δορυφορικές Τεχνολογίες (Hellas- Sat): Η δορυφορική τεχνολογία προσφέρει αμφίδρομες ευρυζωνικές υπηρεσίες μετάδοσης φωνής, δεδομένων, εικόνας και video μέσω του δορυφόρου [τεχνολογία DVB-RCS]. Οι υπηρεσίες της HELLAS SAT είναι διαθέσιμες τόσο σε περιοχές όπου οι επίγειες ευρυζωνικές συνδέσεις δεν υπάρχουν όσο και σε περιοχές όπου δεν υπάρχει επίγεια τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Hellas SAT net! HOME Ταχύτητα Download 512kbps 1 Mbps Ταχύτητα Upload 96kbps 128kbps Απεριόριστη Πρόσβαση Account Pop/ Web Mail 2 4 Web Hosting 50 MB 100 MB Τιμή/Μήνα 39,90* 49,90* Κόστος Εξοπλισμού 399* Κόστος Ενεργοποίησης 59* Αγορά Αγορά 20

21 Γιατί Οπτικά συστήματα; 21 Η οπτική εξασθένιση στα 1,3 μm και 1,55 μm είναι πολύ μικρότερη από την ηλεκτρική εξασθένιση σε οποιοδήποτε καλώδιο στις χρησιμοποιούμενες συχνότητες μετάδοσης Επίτευξη μεγαλύτερων αποστάσεων μεταξύ των οπτικών αναγεννητών απ ό,τι μεταξύ των ηλεκτρικών αναγεννητών Μεγάλο Εύρος ζώνης Οι οπτικές συχνότητες είναι πολύ υψηλότερες από τις συμβατικές μικροκυματικές Υψηλότερες συχνότητες διαμόρφωσης και υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης Στις οπτικές συνδέσεις, το εύρος ζώνης εξαρτάται πολύ λιγότερο από το μήκος τους αντίθετα με τις συμβατικές εν/ασυρματες ζεύξεις Η οπτική εξασθένιση είναι ανεξάρτητη από τη συχνότητα διαμόρφωσης Ένα οπτικό σύστημα επικοινωνιών μπορεί να αναβαθμιστεί σε υψηλότερο bandwidth αντικαθιστώντας τις τερματικές διατάξεις αποστολής και λήψης και όχι το μέσο μετάδοσης

22 Οπτικό σύστημα επικοινωνιών 22

23 ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ - Παράμετροι λειτουργίας Οπτικές ίνες Οπτικές πηγές : Laser 1060 nm-1600nm, 2mW-10mW, (SM/0.1) Φωτοφωρατές PIN, APD Ενισχυτές (ΟΕ - ΕΟ, SOA, EDFA) Αναγεννητές (OE-EO) Τεχνικές μετάδοσης Ψηφιακή διαμόρφωση (ΟΟΚ-SCM), bit rate: 2.5 Gbps 40 Gbps BER 10-9 ή Παθητικά στοιχεία (φίλτρα, συζεύκτες, οπτικοί διαμορφωτές) Με πολυπλεξία είναι εφικτοί ρυθμοί της τάξεως των Tbps 23

24 Εύρος ζώνης-χωρητικότητα ΟΣ 24 Tο τεράστιο εύρος ζώνης της οπτικής ίνας συνδυαζόμενο με τη υψηλή φέρουσα συχνότητα (250 ΤHz): R b >>1Tbps. Στην πράξη διασπορά και electronic bottle neck R b ~40Gbps Η χρήση πολλαπλών καναλιών (ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ) είναι ο απλούστερος τρόπος για την πληρέστερη εκμετάλλευση του τεράστιου εύρους ζώνης ενός ΟΣ TDM 1. Electrical TDM Κανάλια δεδομένων συνδυάζονται ηλεκτρονικά και διαμορφώνουν την οπτική φέρουσα (SCM) 2. Optical TDM (OTDM) Κανάλια δεδομένων με παρεμφερή bitrates συνδυάζονται οπτικά στην ίδια οπτική φέρουσα FDM 1. Electrical FDM Κανάλια δεδομένων προκύπτουν διαμορφώνοντας διαφορετικές μικροκυματικές φέρουσες και συνδυάζονται σε ένα bit-stream που διαμορφώνει την οπτική φέρουσα (SCM) 2. Optical FDM (OFDM) Πολλαπλά οπτικά Κανάλια (μήκη κύματος) διαμορφώνονται από διαφορετικά bitstreams που στη συνέχεια συνδυάζονται οπτικά στην ίδια οπτική ίνα: WDM Αρκετες100δες κανάλια μπορούν να μεταδοθούν με αυτό το τρόπο

25 OTDM systems Ελκυστική τεχνική για μετάδοση data με ρυθμούς > 40 Gbps Δυνατότητα μετάδοσης 1 Τbps σε ένα μήκος κύματος Δυνατότητα συνδυασμού με WDM Χρήση low speed electonics Απαραίτητη η χρήση του RZ format Ακριβής έλεγχος της καθυστέρησης (Delay) Υψηλός extinction ratio (30dB) 25

26 WDM systems 26 Ο ρυθμός μετάδοσης παραμένει ο ίδιος (2.5 ή 10 Gbps) και προστίθενται περισσότερα λ με καθένα να μεταφέρει δεδομένα σε αυτό το ρυθμό Όχι επίδραση της χρωματικής διασποράς και της PMD Η χωρητικότητα αυξάνεται βηματικά (modular) Τα συστήματα WDM είναι διαφανή (διαφορετικά λ μεταφέρουν διαφορετικά bit rates και πρωτόκολλα) Απλή διαδικασία Αdd/drop ένα σύστημα WDM χρειάζεται: Ν Rx, Τx Ν MUX/DEMUX Περιορισμοί χωρητικότητας ΒW Οπτικών ενισχυτών Μη γραμμικά φαινόμενα Αστάθεια μήκους κύματος εκπομπής Χtalk (διαφωνία)

27 CWDM -DWDM 27

28 WDM δομικά στοιχεία ΙΙ ADM Add/drop mux Προσθαφαίρεση ενός ή περισσότερων καναλιών Απαραίτητος για την αξιοποίηση των μηκών κύματος Star coupler ΜxN συνδυάζει Μ εισόδους και τις ισοκατανέμει σε Ν εξόδους Wavelength Router star coupler +MUX/DEMUX Στατική διάταξη Οπτικός διασταυρωτήρας OXC μη στατικός wavelength router 28

29 Τυποποίηση WDM ITU-T draft Rec. G.mcs: Optical Interfaces for Multichannel Systems with Optical Amplifiers Διάστημα μηκών κύματος: 1530 to 1625 nm 100 GHz (0.8 nm) απόσταση καναλιών, 50 GHz proposed THz ( nm) μήκος κύματος αναφοράς 29

30 Περιορισμοί των οπτικών δικτύων DWDM Η υψηλή ισχύς σε μια SM οπτική ίνα προκαλεί Stimulated Brillouin scattering (SBS) Stimulated Raman scattering (SRS) Four wave mixing (FWM) Self-phase and cross-phase modulation (SPM, CPM) Μέγιστη ισχύς σε μια ίνα: +17 dbm Διαθέσιμη ισχύς ανά κανάλι: 50/N mw (N = αριθμός καναλιών) 30

31 Aσύγχρονα δίκτυα -PDH Τα πρώτα ψηφιακά δίκτυα (1970): Κάθε μεταδιδόμενο σήμα έχει το δικό του σήμα χρονισμού προσανατολισμένα στη μετάδοση και πολυπλεξία ψηφιοποιημένης φωνής (64 kbps) Στηρίζονται στο πρότυπο PDH (Plesiochronous digital Hierarchy). Υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης προκύπτουν ως πολλαπλάσια του βασικού ρυθμού DS0 = 64 kbps [US: DS1=1.544 Mbps, DS2= Mbps DS3= 45 Mbps, EU: E1=2.048 kbps, E2= kbps ] Οι οπτικές ίνες αρχίζουν να εντάσσονται στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα στις αρχές της δεκαετίας του

32 Ρυθμοι μετάδοσης στο PDH 32

33 Σύγχρονα δίκτυα SONET/SDH Ανάπτυξη του προτύπου (πρωτοκόλου) SONET (US) και του πανομοιότυπου SDH (EU). Όλα τα μεταδιδόμενα σήματα στο δίκτυο συγχρονίζονται σύμφωνα με ένα Master clock Απλοί MUX/DEMUX Οι ρυθμοί μετάδοσης είναι ακέραια πολλαπλάσια του βασικού ρυθμού ΟC1=51.84 Mbps ή του STM1=155.5Mbps (EU) Δεν υπάρχει ανώτατο όριο στο ρυθμό σηματοδοσίας Εύκολη διαχείριση, αποκατάσταση δικτύου (<60ms) Πλήρης εκμετάλλευση των Οπτικών δικτύων 33

34 Ρυθμοί Μετάδοσης SONET/SDH rates: - OC Mb/s (STS1) OC-3, STM-1: Mb/s OC-12, STM-4: Mb/s OC-48, STM-16: Mb/s OC-192, STM-64: Mb/s Datacom rates (LAN): FDDI: 125 (100) Mb/s Fibre Channel: Mb/s Ethernet: 10 or 100 Mb/s G-Ethernet: 1250 Mb/s PDH: North America: DS1: Mb/s DS2: Mb/s - DS3: Mb/s DS4: Mb/s Europe: E Mb/s E2: Mb/s E3: Mb/s E4: Mb/s 34

35 Το ενσύρματο δίκτυο πρόσβασης Το δίκτυο πρόσβασης (Αccess Network) είναι το Last mile δικτύου που συνδέει τον συνδρομητή με το πρώτο POP Έχει σχεδιαστεί για την παροχή τηλεφωνίας (POTS) 35

36 Η οπτική τεχνολογία στα δίκτυα πρόσβασης Η χρήση των οπτικών ινών στο δίκτυο πρόσβασης υλοποιείται από την τεχνολογική πλατφόρμα FITL (Fibre Into The Loop). Ξεκίνησε στις αρχές του 1990 (ΗΠΑ, Ιαπωνία, Ευρώπη) Υψηλό κόστος FTTH (to The Home) Τεχνικές επιλογές FTTx FTTB (to The Building) FTTC (to The Curb) ONU Optical Network Unit ή ΜΟΔ: Αντιστοιχούν στους συμβατικούς υπαίθριους κατανεμητές (διατηρούν το υφιστάμενο χάλκινο δίκτυο υποδομής και ανάλογα με το βαθμό διείσδυσης x εξυπηρετούν από συνδρομητές) (ΑDM+MUX/DMUX) 36

37 ΑΟΝ και PON 37

38 PON 38

39 Τεχνολογία FTTx : Ρυθμοί - αποστάσεις Bitrate(Mbps) Οπτική ίνα FTTH 1000 FTTH G.Fast FTTB G.Fast FTTC VDSL2 35b SuperVect VDSL2 17a Vectored VDSL2 UnVectored FTTB FTTC FTTC FTTC FTTC 1 Gbps symmetric Mbps 100~500Mbp 100~300Mbp Χαλκός Distance (m) Οι ρυθμοί του G.Fast / VDSL εξαρτώνται από την ποιότητα και το μήκος του χαλκού