1 η Γραπτή Εργασία ΠΛΗ 23 Υποδειγµατική Λύση Ακαδηµαϊκό Έτος 2003-2004 (Τόµος Α, Κεφάλαια 1-3) Άσκηση 1 Η τεχνολογία του Ασύγχρονου Τρόπου Μεταφοράς (Asynchronous Transfer Model, ATM) εφαρµόζει πολυπλεξία και συνδυάζει κυψέλες (cells), οι οποίες περιέχουν διαφορετικές πληροφορίες, από διαφορετικές πηγές, πάνω στην ίδια φυσική γραµµή, όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.7. του Τόµου Α. Θεωρείστε ότι κάθε κυψέλη ΑΤΜ µεταφέρει 384 bit (48 bytes) πληροφορίας, καθώς και 40 επιπρόσθετα bits για άλλους λόγους ως επικεφαλίδα (header). (α) Να απεικονίσετε διαγραµµατικά, µε τρόπο παρόµοιο µε αυτόν του Σχήµατος 2.7. του Τόµου Α, τον τρόπο µε τον οποίο η τεχνολογία ΑΤΜ συνδυάζει πάνω στην ίδια φυσική γραµµή κυψέλες που προέρχονται από δύο πηγές πληροφορίας Α και Β (δηλαδή να προσδιορίσετε σε συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα πόσες κυψέλες Α και πόσες κυψέλες Β υπάρχουν στην κοινή γραµµή). ιευκρινίζετε ότι η πηγή Α έχει ρυθµό µετάδοσης πληροφορίας (information bit rate) 64 Kb/s, ενώ η πηγή Β έχει ρυθµό µετάδοσης πληροφορίας 6 Mb/s. Να δώσετε σε κάθε κυψέλη το όνοµα Α ή Β ανάλογα µε την προέλευσή της και να θεωρείσετε ως µονάδα µέτρησης του χρόνου το µίκρο-δευτερόλεπτο (microsecond, µs, όπου 1 µs = 10-6 sec). (β) Ο ρυθµός µετάδοσης της φυσικής γραµµής που χρησιµοποιείται για την από κοινού µετάδοση των κυψελών Α και Β είναι 53 Mb/s. Να εξετάσετε αν επαρκεί για τη χωρίς προβλήµατα εξυπηρέτηση των πηγών Α και Β. Απάντηση Ερώτηση (α) Αφού η Πηγή Α έχει ρυθµό µετάδοσης πληροφορίας 64 Kb/s και κάθε κυψέλη µεταφέρει 384 bit πληροφορίας, τότε σε 1 sec παράγονται: [(64 * 10 3 ) / 384] cells/sec = 166,7 cells/sec, δηλαδή παράγεται µια κυψέλη κάθε: (10 6 / 166,7) µs 6000 µs Αφού η Πηγή B έχει ρυθµό µετάδοσης πληροφορίας 6 Mb/s και κάθε κυψέλη µεταφέρει 384 bit πληροφορίας, τότε σε 1 sec παράγονται: [(6 * 10 6 ) / 384] cells/sec = 15625 cells/sec, δηλαδή παράγεται µια κυψέλη κάθε: (10 6 / 15625) µs 64 µs 1
Εποµένως, κάθε 6000 µs υπάρχει µία (1) κυψέλη Α και 6000 / 64 = 93,75 κυψέλες Β. Αυτό σηµαίνει ότι, κάθε 24000 µs (24 ms) υπάρχουν 4 κυψέλες Α και 4 * 93,75 = 375 κυψέλες Β. Κατά συνέπεια, διαγραµµατικά: B A B B B B A B B B B B B B B B A B B B B B B A B A B B B B B B B B A B 0 6000 12000 18000 24000 30000 36000 T Στο χρόνο Τ = 24000 µs υπάρχουν 4 κυψέλες Α και 375 κυψέλες Β. Ερώτηση (β) Xρόνος (µs) Από το προηγούµενο ερώτηµα έχει προκύψει ότι κάθε 24000 µs στην τελική φυσική γραµµή υπάρχουν 4 κυψέλες Α και 375 κυψέλες Β, δηλαδή συνολικά 379 κυψέλες. Αυτές, αντιστοιχούν σε: [379 * (384 + 40)] bit = 160696 bit Εποµένως, κάθε 1 sec απαιτείται η µετάδοση: 160696 / 0,024 bit 6,695 Μb/s Eναλλακτική προσέγγιση: Από την Πηγή Α κάθε 1 sec παράγονται 64 * 10 3 bit πληροφορίας και [(64 * 10 3 ) / 384] * 40 bit επικεφαλίδας, δηλαδή συνολικά: [64 * 10 3 ] + {[(64 * 10 3 ) / 384] * 40} = 70666,67 bit Από την Πηγή B κάθε 1 sec παράγονται 6 * 10 6 επικεφαλίδας, δηλαδή συνολικά: bit πληροφορίας και [(6 * 10 6 ) / 384] * 40 bit [6 * 10 6 ] + {[(6 * 10 6 ) / 384] * 40} = 6625000 bit Εποµένως, κάθε 1 sec απαιτείται η µετάδοση: (70666,67 + 6625000) bit 6,695 Mb/s Άρα, ο απαιτούµενος ρυθµός µετάδοσης είναι πολύ µικρότερος από τον υποστηριζόµενο, ο οποίος σαφώς επαρκεί για τη χωρίς προβλήµατα εξυπηρέτηση των πηγών Α και Β. 2
Άσκηση 2 Αφού διαβάσετε το επεξηγηµατικό κείµενο που ακολουθεί την εκφώνηση και το οποίο αφορά την κωδικοποίηση Huffman, απαντείστε τα ακόλουθα ερωτήµατα: (α) Ποιός είναι ο κώδικας Huffman που είναι αναγκαίος για τη µετάδοση µηνυµάτων τα οποία αποτελούνται από τα σύµβολα Α, Β, Γ,, Ε και Ζ µε πιθανότητες εµφάνισης 0,60, 0,30, 0,05, 0,02, 0,02, και 0,01 αντίστοιχα; (β) Ποιός είναι ο συντελεστής συµπίεσης Σ, δηλαδή ο αριθµός των bit ανά σύµβολο σε µία απλή δυαδική κωδικοποίηση προς τον αριθµό των bit ανά σύµβολο στην κωδικοποίηση κατά Huffman; Επεξηγηµατικό Κείµενο: Κωδικοποίηση Huffman Υπάρχει µια γενική µέθοδος που είναι σχεδιασµένη για να ελαχιστοποιεί το µέσο αριθµό bit που απαιτούνται για να µεταδοθεί ένα σύµβολο, όταν πρέπει να µεταδοθούν πολλά ανεξάρτητα και στατιστικά ισοδύναµα α- ντίγραφα αυτού του συµβόλου. Αυτή η µέθοδος, που ονοµάζεται κωδικοποίηση Huffman, καθορίζει πώς πρέπει να αναπαρασταθούν οι διάφορες τιµές του συµβόλου από συρµούς bit. Η κωδικοποίηση Huffman µπορεί να χρησιµοποιηθεί µε τις µεθόδους που περιγράφηκαν προηγουµένως. Για να καταλάβουµε τη µέθοδο, ας υποθέσουµε ότι πρέπει να στείλουµε ένα σύµβολο Χ, που µπορεί να πάρει οποιοδήποτε από τις Ν τιµές {Χ 1, χ 2,... χ π } µε διαφορετικές πιθανότητες, έστωσαν ρ 1, ρ 2,... ρ π, αντίστοιχα. Η κωδικοποίηση Huffman βασίζεται στην ιδέα της χρήσης µικρών κωδικών λέξεων για τις συχνές τιµές του Χ και µεγάλων κωδικών λέξεων για της πιο σπάνιες τιµές. Παραδείγµατος χάριν, έστω ότι υπάρχουν τέσσερεις τιµές Χ 1,...,χ 4 µε αντίστοιχες πιθανότητες 0,5, 0,3, 0,15, 0,05. Αν κάποιος χρησιµοποιήσει τις κώδικες λέξεις 00 01, 10 και 11 για να αναπαραστήσει τις τιµές Χ 1,... χ 4, τότε θα χρειαστούν 2 bit για να µεταδοθεί η τιµή του Χ. Όµως, αν κάποιος χρησιµοποιήσει 0 για να αναπαραστήσει το Χ 1, 10 για το χ 2, 110 για το χ 3 και 111 για το χ 4, τότε βρίσκουµε ότι χρειάζονται, κατά µέσον όρο 0.5x1 + 0.3x2 +0.15x3 + 0.05x3 = 1.7 bit. Ο κώδικας που χρησιµοποιήσαµε σ αυτό το παράδειγµα έχει µεταβλητό µήκος. Αν, όµως, στείλουµε διαφορετικές τιµές του Χ κωδικοποιηµένες όπως στο παράδειγµα, τότε δε χρειάζονται διαχωριστικά σύµβολα. Επί παραδείγµατι, η ακολουθία χ 3 χ 1 χ 4 χ 3 χ 3 χ 2 κωδικοποιείται ως 110011111011010, και µπορεί να αποκωδικοποιηθεί µόνο σωστά. Ο λόγος για τον οποίο κάτι τέτοιο λειτουργεί σωστά είναι ότι µπορεί κανείς πάντοτε να διαπιστώσει πότε τελειώνει µια κωδική λέξη: καµµία κωδική λέξη δεν είναι αποτελεί αρχή µιας άλλης. Ο κώδικας που έχει αυτή την ιδιότητα ονοµάζεται κώδικας προθέµατος. Ο κώδικας Huffman είναι εκείνος ο κώδικας προθέµατος που απαιτεί το µικρότερο µέσο αριθµό bit ανά σύµβολο. Αυτός ο κώδικας παράγεται ως εξής: Πρώτα, βρίσκουµε τα δύο σύµβολα χi και χj µε τις µικρότερες πιθανότητες. Μετά τα αντικαθιστούµε µε γi0 και γi1. Κατόπιν διαγράφουµε τα χi και χj από την λίστα και προσθέτουµε το yi, µε το οποίο συσχετίζουµε το άθροισµα των πιθανοτήτων pi + pj. Μετά συνεχίζουµε µέχρι να εξαντληθούν όλα τα σύµβολα. Η δοµή του κώδικα Huffman παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήµα για το παράδειγµα που δόθηκε παραπάνω. 3
Οι δύο λιγότερες πιθανές τιµές Χ 3 και χ 4 οµαδοποιούνται και αντικαθίστανται από ένα νέο σηµείο Α που σηµειώνεται µε το άθροισµα των πιθανοτήτων του (0.2). Κατόπιν θεωρούµε τα τρία σηµεία χ 1, χ 2 και Α. Τα δύο σηµεία µε τις µικρότερες πιθανότητες χ 2 και Α οµαδοποιούνται και αντικαθίστανται από ένα νέο σηµείο β, που σηµειώνεται µε το άθροισµα των πιθανοτήτων (0,5). Τα δύο τελευταία χ 1 και Β ενώνονται στο C, όπως φαίνεται στο σχήµα. Ο κώδικας καθορίζεται από τη διαδροµή από το C προς κάθε µία από τις αρχικές τέσσερεις τιµές χ 1 έως χ 4. Η σύµβαση που χρησιµοποιείται είναι ότι ένα κατερχόµενο βήµα προς τα δεξιά αναπαριστάται µε το 1, ενώ ένα κατερχόµενο βήµα προς τα αριστερά αναπαριστάται µε 0. Παραδείγµατος χάριν, η τιµή χ 3 προσεγγίζεται από το C µε την ακολουθία δεξιού, δεξιού και αριστερού βήµατος. Άρα αναπαρίσταται µε τα bit 110. Απάντηση Ερώτηση (α) Κατασκευάζουµε το σχετικό δένδρο σύµφωνα µε το υπόδειγµα του επεξηγηµατικού κειµένου. Πιο συγκεκριµένα, τοποθετούµε στη σειρά τα σύµβολα Α, Β, Γ,, Ε, Ζ και καταλήγουµε µε τις εξής κωδικολέξεις: Ερώτηση (β) Σύµβολο Α Β Γ Ε Ζ Πιθανότητα Εµφάνισης 0,6 0,3 0,05 0,02 0,02 0,01 Κωδικός 0 10 110 1110 11110 11111 Για την αποστολή µηνύµατος µε την ανωτέρω πιθανότητα εµφάνισης των συµβόλων, θα χρειαστούµε κατά µέσον όρο : 0,6*1 + 0,3*2 +0,05*3 + 0,02*4 + 0,02*5 + 0,01*5 = 1,58 bit, για κάθε σύµβολο Χωρίς κωδικοποίηση θα χρειαζόµασταν 3 bit για κάθε σύµβολο. Εποµένως ο συντελεστής συµπίεσης είναι Σ = 3/1,58 = 1,899 1,9. 4
Άσκηση 3 Τρεις πόλεις Π1, Π2, Π3 συνδέονται τηλεφωνικώς µεταξύ τους µέσω ενός υπεραστικού τηλεφωνικού κέντρου. Η πόλη Π3 έχει διπλάσιο πληθυσµό από την Π1 και από την Π2. Το υπεραστικό κέντρο Υ µπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα 1000 συνδιαλέξεις. Οι συνδροµητές συνδέονται στα αστικά κέντρα των 3 πόλεων Α1, Α2 και Α3 µέσω γραµµών των 4 ΚHz. Οι γραµµές είναι αµφίδροµες. Κάθε συνδροµητής χρησιµοποιεί το τηλέφωνό του για µια ώρα την ηµέρα κατά µέσο όρο. Η ηµέρα θεωρούµε ότι έχει 20 ώρες κατά τις οποίες οι συνδροµητές χρησιµοποιούν τη συσκευή τους. Το 25% των τηλεφωνηµάτων είναι υπεραστικά (δηλαδή κατευθύνονται προς το υπεραστικό κέντρο). Υποθέτουµε ότι όλοι οι κάτοικοι είναι συνδροµητές της τηλεφωνικής υπηρεσίας. (α) Πόσους κατοίκους έχουν συνολικά και οι 3 πόλεις ; (β) Μπορείτε να εντοπίσετε περιπτώσεις καταµερισµού χρόνου ή συχνότητας στην άσκηση αυτή ; Υπόδειξη: Θεωρείστε ότι οι γραµµές είναι διαρκώς απασχοληµένες (δηλαδή θεωρείστε συνθήκες υψηλού φορτίου). Αν ένας συνδροµητής βρεί την γραµµή κατειληµµένη, ξανακαλεί αργότερα µέχρι να εξυπηρετηθεί. Απάντηση ΥΠΕΡΑΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ Υ 4 KHz ΑΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ 1 ΑΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ 2 4 khz ΑΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ 3 4 khz Ερώτηση (α) Το υπεραστικό κέντρο µπορεί να εξυπηρετήσει 1000 ταυτόχρονες συνδιαλέξεις, από τις οποίες, 500 προέρχονται από την Π3, 250 από την Π1 και 250 από την Π2. Αφού η Π3 παράγει 500 ταυτόχρονες υπεραστικές συνδιαλέξεις (που αποτελούν το 25%, δηλαδή το 1/4 των τηλεφωνηµάτων), οι συνολικές ταυτόχρονες συνδιαλέξεις της Π3 είναι 4*500 = 2.000. 5
Αυτοί οι 2.000 συνδροµητές απασχολούν το αστικό τηλεφωνικό κέντρο Α3 για 1 ώρα την ηµέρα, δηλαδή καταλαµβάνουν το 1/20 του διαθέσιµου χρόνου. Άρα το Α3 µπορεί να απασχολήσει σε 20 ώρες (1 ηµέρα) 20*2.000 = 40.000 συνδροµητές, δηλαδή κατοίκους. Άρα συνολικά και οι 3 πόλεις έχουν 40.000 + 2*20.000 = 80.000 κατοίκους. Ερώτηση (β) Καταµερισµό χρόνου έχουµε στα Αστικά Κέντρα µεταξύ των µη ταυτόχρονων συνδροµητών. Καταµερισµό συχνότητας έχουµε στα Αστικά Κέντρα και στο Υπεραστικό Κέντρο µεταξύ των ταυτόχρονων συνδροµητών. 6
Άσκηση 4 Ενας Στεφανειογράφος ενός Κέντρου Υγείας (ΚΥ) συνδέεται µε γραµµή µεταφορά ISDN (ρυθµού µετάδοσης 128kbps), στο Υπολογιστικό Σύστηµα της Καρδιολογικής Κλινικής ενός Περιφερειακού Πανεπιστηµιακού Νοσοκοµείου (ΠΠΝ). Στόχος της σύνδεσης αυτής είναι η συνεργασία των ειδικών ιατρών στα πλαίσια της αναβάθµισης της διάγνωσης ασθενειών και της ελαχιστοποίησης των µετακινήσεων των ασθενών στα µεγάλα νοσοκοµεία. Η εξέταση ενός συγκεκριµένου ασθενή µε χρόνια πάθηση, περιλαµβάνει τις παρακάτω φάσεις: 1) Καθετηριασµό: H Εξέταση αυτή προϋποθέτει την χρήση του ειδικού διαγνωστικού µηχανήµατος του Στεφανειογράφου, όπου ο καρδιολόγος µε την χρήση ειδικών καθετήρων εντός των αρτηριών του ασθενή παρακολουθεί την εξέλιξη της στένωσής των. Η παρακολούθηση της κίνησης των καθετήρων πραγµατοποιείται µε Σύστηµα Τηλεόρασης, όπου το κάθε πλαίσιο της οθόνης αποτελείται από 640x480 εικονικά στοιχεία και µε βάθος χρώµατος 3 bytes. Επιπλέον, ο ρυθµός ανανέωσης των πλαισίων είναι 25 fps. Ο συνολικός χρόνος του καθετηριασµού διαρκεί 10 min. 2) Κείµενο (text): Το περιεχόµενο του κειµένου είναι τα αποτελέσµατα διαφόρων παθολογικών και αιµατολογικών εξετάσεων καθώς και του καρδιογραφήµατος. Το πληροφοριακό µέγεθος του κειµένου είναι 100 ΚΒ. 3) Στατικές Εικόνες (still images): Οι στατικές εικόνες, αφορούν εικόνες που έχουν ληφθεί από άλλα διαγνωστικά µηχανήµατα (π.χ αξονικός τοµογράφος, µαγνητικός τοµογράφος, κ.λ.π). Το πληροφοριακό µέγεθος των στατικών εικόνων είναι 1 MΒ. H ανωτέρω συνολική πληροφορία, µεταφέρεται και καταγράφεται στο υπολογιστικό σύστηµα της κλινικής του ΠΠΝ. Ζητείται να υπολογισθούν: (α) Ο χρόνος µεταφοράς (σε ώρες [h]) της συνολικής πληροφορίας από το ΚΥ στο ΠΠΝ. (β) Πόσα CD-ROM, χωρητικότητας 650 MΒ εκάστου, θα χρειασθούν για να καταγραφεί η ανωτέρω πληροφορία από το υπολογιστικό σύστηµα της κλινικής του ΠΠΝ; (γ) Εάν εφαρµοσθεί αλγόριθµος συµπίεσης της συνολικής πληροφορίας 200:1, πόσος γίνεται ο αντίστοιχος χρόνος µεταφοράς της συνολικής πληροφορίας (σε ώρες [h]); Απάντηση Ερώτηση (α) Υπολογισµός του συνολικού όγκου της πληροφορίας της συγκεκριµένης εξέτασης του ασθενούς: Υπολογισµός του πληροφοριακού όγκου της διαδικασίας του καθετηριασµού: Το µέγεθος του αρχείου το οποίο περιέχει ένα λεπτό κινούµενης εικόνας, µε πλαίσια 640x480 εικονικών στοιχείων, ρυθµού ανανέωσης πλαισίων 25fps και 24 bit (3 byte) ανά εικονικό στοιχείο είναι: [25 (frames/sec)]x[(640x480x3 (byte/frame))x60 (sec/min)] = 1318,359375 MΒ/min ή περίπου 1318 MΒ/min Επειδή ο συνολικός χρόνος του καθετηριασµού, διαρκεί 10 min, τότε η συνολική πληροφορά έχει όγκο: 1318 (MΒ/min) x 10 min = 13180 MΒ 7
Υπολογισµός του Συνολικού Πληροφοριακού όγκου της όλης ιατρικής εξέτασης: Ι συνολική = 13180 MΒ + 100 ΚΒ + 1 MΒ = 13180 MΒ + 0.098 ΜΒ + 1 MΒ = = 13181, 098 MΒ Υπολογισµός του χρόνου µεταφοράς της συνολικής πληροφορίας από το ΚΥ στο ΠΠΝ: Η γραµµή µεταφοράς για την σύνδεση του ΚΥ και του ΠΠΝ, είναι τύπου ISDN, µε ρυθµό µετάδοσης 128kbps. Αυτό σηµαίνει ότι µε την συγκεκριµένη ISDN γραµµή, µεταφέρονται στο 1 sec, 128k bit. Επίσης, η Ι συνολική, σε µονάδες kbit, είναι: 1 MΒ = (1024) 2 x 8 bit = 8.388.608 bit = 8.388,608 kbit Αρα, η συνολική πληροφορία σε kbit είναι: Ι συνολική = (13181, 098) x (8.388,608) kbit = 110571064,131 kbit Εποµένως, απαιτείται συνολικός χρόνος µεταφοράς: T συνολικός = [110571064,131/128] = 863836,43 sec = [863836,43/60] min = 14397,27 min = = [14397,27/60] h = 239,9545 hours Ερώτηση (β) O αριθµός των απαιτούµενων CD-ROMs για την αποθήκευση της Ι συνολικής είναι: N CD-ROMs = [13181, 098 MΒ] / [650 MΒ/CD-ROM] = 20,27 ή 21 CD-ROMs Ερώτηση (γ) Στην ερώτηση (α), υπολογίσαµε ότι η συνολική παραγόµενη πληροφορία είναι: Ι συνολική = 110571064,131 kbit Με εφαρµογή διαδικασίας συµπίεσης, 200:1, η Ι συνολική είναι: Ι συνολική = [110571064,131 kbit] / 200 = 552855,32 kbit Εποµένως, για τα νέα αυτά δεδοµένα, ο συνολικός χρόνος µεταφοράς της πληροφορίας είναι: T συνολικός = [552855,32 /128] = 4319,18 sec = [4319,18/60] min = 71,98 min = = [71,98/60] h = 1.199 hours ή 1.2 hours 8
Άσκηση 5 Ένας από τους πιο ενδιαφέροντες τύπους τεχνολογίας για την παροχή ψηφιακών υπηρεσιών µέσω του τοπικού βρόχου είναι η λεγόµενη τεχνολογία DSL (Digital Subscriber Line - ψηφιακή συνδροµητική γραµµή). Υπάρχουν µάλιστα πολλές παραλλαγές. Επειδή τα ονόµατά τους διαφέρουν στην πρώτη λέξη, οι τεχνολογίες αυτές ονοµάζονται συλλογικά τεχνολογίες xdsl. Ίσως η πιο ενδιαφέρουσα από τις τεχνολογίες xdsl (http://www.dslforum.org/) είναι το ασύµµετρο DSL (Asymetric Digital Subscriber Line, ADSL, το οποίο παρέχεται και από τις ελληνικές εταιρείες τηλεπικοινωνιών. (α) Να περιγραφεί ο τρόπος λειτουργίας, η απαιτούµενη υποδοµή και η βασική αρχιτεκτονική που χρησιµοποιείται από το ασύµµετρο DSL, καθώς και ο τρόπος µε τον οποίο επιτυγχάνονται οι υψηλοί ρυθµοί µεταφοράς δεδοµένων. (β) Θεωρώντας ότι το Κέντρο Υγείας (ΚΥ) που περιγράφεται στην Άσκηση 4 συνδέεται στο Υπολογιστικό Σύστηµα της Καρδιολογικής Κλινικής ενός Περιφερειακού Πανεπιστηµιακού Νοσοκοµείου (ΠΠΝ) χρησιµοποιώντας ADSL σύνδεση, ποιος είναι ο χρόνος µεταφοράς (σε ώρες [h]) της συνολικής πληροφορίας από το ΚΥ στο ΠΠΝ; (Υπόδειξη: Θεωρήστε ότι η γραµµή ADSL παρέχει τον µέγιστο ανοδικό ρυθµό µεταφοράς.) Απάντηση Ερώτηση (α) Από την άποψη του συνδροµητή, το ADSL παρέχει τη δυνατότητα να στέλνονται και να λαµβάνονται ψηφιακές πληροφορίες µε υψηλή ταχύτητα. Όµως, όπως υπονοεί και το όνοµα, η υπηρεσία αυτή είναι ασύµµετρη. Στην περίπτωση του ADSL, η ασυµµετρία βρίσκεται στο ρυθµό µεταφοράς bit - το διαθέσιµο εύρος ζώνης διαιρείται έτσι ώστε ο ρυθµός µεταφοράς bit προς τη µία κατεύθυνση να είναι πολύ υψηλότερος από ό,τι προς την άλλη κατεύθυνση. Για να καταλάβουµε τους λόγους της ασυµµετρίας, αρκεί να σκεφτούµε τον τρόπο µε τον οποίο ο µέσος άνθρωπος χρησιµοποιεί το Intemet. Η περισσότερη κυκλοφορία δεδοµένων δηµιουργείται όταν το άτοµο περιηγείται στον Ιστό ή κατεβάζει αρχεία. Και στις δύο περιπτώσεις, η κυκλοφορία δεδοµένων που στέλνει ο χρήστης προς το Internet αποτελείται από σύντοµες αιτήσεις (π.χ. από µερικά bytes δεδοµένων). Όµως, η κυκλοφορία δεδοµένων µε κατεύθυνση από το Internet προς το χρήστη µπορεί να περιέχει εκατοµµύρια byte δεδοµένων (π.χ. ψηφιοποιηµένες εικόνες). Για να ξεχωρίζουν τις δύο κατευθύνσεις, οι επαγγελµατίες χρησιµοποιούν τον όρο καθοδική (downstreαιn) κυκλοφορία όταν αναφέρονται σε δεδοµένα που ρέουν προς το χρήστη, και ανοδική (upstreαm) κυκλοφορία όταν αναφέρονται σε δεδοµένα που ρέουν από το χρήστη. Ο συνδροµητικός βρόχος µπορεί να βελτιστοποιηθεί για την ασύµµετρη κυκλοφορία δεδοµένων, µε κατανοµή του εύρους ζώνης έτσι ώστε να παρέχεται υψηλός ρυθµός µεταφοράς bit στην καθοδική κατεύθυνση. Από την άποψη του χρήστη, η βελτιστοποίηση αυτή έχει το πλεονέκτηµα ότι επιτρέπει να εµφανίζονται οι σελίδες του Ιστού πιο γρήγορα από ό,τι θα επέτρεπε µια συµµετρική λύση. Φυσικά, η ασυµµετρία κάνει το ADSL ακατάλληλο για συνδέσεις που στέλνουν περισσότερα δεδοµένα από όσα λαµβάνουν. Για παράδειγµα, µια επιχείρηση που διαθέτει έναν ηλεκτρονικό κατάλογο διαθέσιµο για τους πελάτες της δε θα έχει όφελος από το ADSL, επειδή συνήθως θα στέλνει περισσότερα δεδοµένα από όσα θα λαµβάνει. Τι ταχύτητα έχει το ADSL; Ο µέγιστος καθοδικός ρυθµός µεταφοράς φτάνει στην εκπληκτική τιµή των 6,144 Mbps, και ο µέγιστος ανοδικός ρυθµός µεταφοράς φτάνει στα 640 Kbps. Επειδή υπάρχει ένα υποχρεωτικό κανάλι ελέγχου του δικτύου που απαιτεί 64 Kbps, η πραγµατική ανοδική ταχύτητα για τα δεδοµένα του χρήστη είναι 576 Kbps. 9
Αν και οι ρυθµοί µεταφοράς δεδοµένων είναι εξαιρετικά υψηλοί, το πιο εκπληκτικό χαρακτηριστικό του ADSL είναι η φυσική καλωδίωση µέσω της οποίας επιτυγχάνει αυτούς τους ρυθµούς µεταφοράς δεδοµένων, και o τρόπος µε τον οποίο χρησιµοποιεί την καλωδίωση. Το ADSL δε χρειάζεται καµία αλλαγή στην καλωδίωση του τοπικού βρόχου, επειδή είναι σχεδιασµένο να λειτουργεί µε την ίδια καλωδίωση συστρόφου ζεύγους που είχε εγκατασταθεί από την αρχή για την αναλογική τηλεφωνική υπηρεσία. Ακόµα, το ADSL δεν καταλαµβάνει τον τοπικό βρόχο - µπορεί να λειτουργεί ταυτόχρονα µε την κανονική τηλεφωνική υπηρεσία µέσω των ίδιων συρµάτων! Έτσι, το ADSL έχει ένα προφανές οικονοµικό πλεονέκτηµα: Οι τηλεφωνικές εταιρίες µπορούν να το χρησιµοποιούν για να παρέχουν ψηφιακές υπηρεσίες υψηλής ταχύτητας χωρίς να αλλάξουν την καλωδίωση του τοπικού βρόχου. Το πιο πάνω σχήµα δείχνει πώς τα µόντεµ ADSL συνδέονται στην υπάρχουσα τηλεφωνική καλωδίωση παράλληλα µε τον τρέχοντα αναλογικό τηλεφωνικό εξοπλισµό. Επειδή η υπηρεσία αυτή είναι ασύµµετρη, τα µόντεµ που χρησιµοποιούνται στα δύο άκρα µιας γραµµής είναι λίγο διαφορετικά. Πώς επιτυγχάνει το ADSL υψηλούς ρυθµούς µεταφοράς δεδοµένων µέσω καλωδίου συστρόφου ζεύγους; Αρχικά, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ένας µηχανισµός όπως το ADSL µπορεί να είναι εφικτός επειδή πολλοί τοπικοί βρόχοι έχουν δυνατότητα να εξυπηρετούν σήµατα µε συχνότητες υψηλότερες από εκείνες που χρησιµοποιούνται από τα τηλεφωνικά συστήµατα. Η λύση του ADSL είναι σύνθετη, επειδή δύο τοπικοί βρόχοι δεν έχουν ποτέ ακριβώς ίδια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Η ικανότητα µεταφοράς σηµάτων εξαρτάται από την απόσταση, από το πάχος των συρµάτων που χρησιµοποιούνται, και από το επίπεδο των ηλεκτρικών παρεµβολών. Γι' αυτό, οι σχεδιαστές δεν µπορούσαν να επιλέξουν ένα συγκεκριµένο σύνολο συχνοτήτων φερόντων κυµάτων ή τεχνικών διαµόρφωσης που να είναι κατάλληλο για όλες τις περιπτώσεις. Για να αντιµετωπιστούν οι διαφορές στα χαρακτηριστικά των τοπικών βρόχων, το ADSL είναι προσαρµοστικό (adaptiνe). ηλαδή, όταν τα µόντεµ ADSL ξεκινούν, εξετάζουν τη γραµµή µεταξύ τους για να βρουν τα χαρακτηριστικά της, και έπειτα συµφωνούν να επικοινωνούν χρησιµοποιώντας τις βέλτιστες τεχνικές για τη συγκεκριµένη γραµµή. Ειδικότερα, το ADSL χρησιµοποιεί µια µέθοδο που λέγεται διακριτή πολυτονική διαµόρφωση (Discrete Multi Tone modulation, DMT), η οποία συνδυάζει τεχνικές πολύπλεξης µε διαίρεση συχνοτήτων και αντίστροφης πολύπλεξης. Η πολύπλεξη µε διαίρεση συχνοτήτων στη διαµόρφωση DMT υλοποιείται µε υποδιαίρεση του εύρους ζώνης σε 286 ξεχωριστές συχνότητες ή υποκανάλια (subchannels) από τις οποίες οι 255 συχνότητες χρησιµοποιούνται για καθοδική µετάδοση δεδοµένων και οι 31 για ανοδική µετάδοση δεδοµένων, ενώ 2 κανάλια δεσµεύονται για πληροφορίες ελέγχου. Μπορούµε να θεωρήσουµε ότι υπάρχει ένα ξεχωριστό µόντεµ στο κάθε υποκανάλι, το οποίο έχει 10
δικό του διαµορφωµένο φέρον κύµα. Τα φέροντα κύµατα έχουν συχνότητες που απέχουν µεταξύ τους 4,1325 ΚΗΖ, ώστε να µην προκαλούνται αµοιβαίες παρεµβολές µεταξύ των σηµάτων. Ακόµα, για να εξασφαλιστεί ότι δεν προκαλούνται αµοιβαίες παρεµβολές µεταξύ των µεταδόσεων και των αναλογικών τηλεφωνικών σηµάτων, το ADSL αποφεύγει να χρησιµοποιεί το εύρος ζώνης κάτω από τα 4 ΚΗΖ. Όταν ξεκινά το ADSL, και τα δύο άκρα ελέγχουν τις διαθέσιµες συχνότητες για να προσδιορίσουν ποια σήµατα περνούν και ποια υφίστανται παρεµβολές. Εκτός από την επιλογή των συχνοτήτων, τα δύο άκρα εκτιµούν την ποιότητα του σήµατος στην κάθε συχνότητα, και τη χρησιµοποιούν ως κριτήριο για να επιλέξουν µια µέθοδο διαµόρφωσης. Αν µια συγκεκριµένη συχνότητα έχει υψηλό λόγο σήµατος προς θόρυβο, το ADSL επιλέγει µια µέθοδο διαµόρφωσης που να κωδικοποιεί πολλά bits ανά baud αν η ποιότητα µιας δεδοµένης συχνότητας είναι χαµηλή, το ADSL επιλέγει µια µέθοδο κωδικοποίησης που να κωδικοποιεί λιγότερα bits ανά baud. Το αποτέλεσµα της προσαρµογής είναι µια εύρωστη τεχνολογία που µπορεί να προσαρµόζεται αυτόµατα σε διάφορες συνθήκες της γραµµής. Από την άποψη του χρήστη, η προσαρµογή έχει µια ενδιαφέρουσα ιδιότητα: Το ADSL δεν εγγυάται κάποιο συγκεκριµένο ρυθµό µεταφοράς δεδοµένων. Μπορεί να εγγυηθεί µόνο ότι θα λειτουργεί όσο καλύτερα του επιτρέπουν οι συνθήκες της γραµµής να εφαρµόζει τις τεχνικές που χρησιµοποιεί. Γι' αυτό, ο καθοδικός ρυθµός µεταφοράς ποικίλλει από 32 Kbps µέχρι 6,4 Mbps, και ο ανοδικός ρυθµός µεταφοράς από 32 µέχρι 640 Kbps. Ερώτηση (β) Σύµφωνα µε την απάντηση της Ερώτησης (α) της Άσκησης 5, o συνολικός πληροφοριακός όγκος της όλης ιατρικής εξέτασης είναι: Ι συνολική = 13180 MΒ + 100 ΚΒ + 1 MΒ = 13180 MΒ + 0.098 ΜΒ + 1 MΒ = 13181, 098 MΒ Υπολογισµός του χρόνου µεταφοράς της συνολικής πληροφορίας από το ΚΥ στο ΠΠΝ: Η γραµµή µεταφοράς για την σύνδεση του ΚΥ και του ΠΠΝ, είναι τύπου ADSL. O µέγιστος ανοδικός ρυθµός µεταφοράς στην τεχνολογία ADSL φτάνει στα 640 Kbps. Επειδή υπάρχει ένα υποχρεωτικό κανάλι ελέγχου του δικτύου που απαιτεί 64 Kbps, η πραγµατική ανοδική ταχύτητα για τα δεδοµένα του χρήστη είναι 576 Kbps. Αυτό σηµαίνει ότι µε την συγκεκριµένη σύνδεση, µεταφέρονται στο 1 sec, 576 kbit. Επίσης, η Ι συνολική, σε µονάδες kbit, είναι: 1 MΒ = (1024) 2 x 8 bit = 8.388.608 bit = 8.388,608 kbit Άρα, η συνολική πληροφορία σε kbit είναι: Ι συνολική = (13181, 098) x (8.388,608) kbit = 110571064,131 kbit Εποµένως, απαιτείται συνολικός χρόνος µεταφοράς: T συνολικός = [110571064,131/576] = 191963,65 sec = [191963,65 /60] min = = 3199,39 min = [3199,39 /60] h = 53,32 hours Εναλλακτική Λύση O µέγιστος ανοδικός ρυθµός µεταφοράς στην τεχνολογία ADSL φτάνει στα 640 Kbps. Επειδή υπάρχει ένα υποχρεωτικό κανάλι ελέγχου του δικτύου που απαιτεί 64 Kbps, η πραγµατική ανοδική ταχύτητα για τα 11
δεδοµένα του χρήστη είναι 576 Kbps. Αυτό σηµαίνει ότι µε την συγκεκριµένη σύνδεση, µεταφέρονται στο 1 sec, 576 kbit. Επειδή η χρήση της ADSL σύνδεσης επιταχύνει την διαδικασία µετάδοσης της πληροφορίας κατά 4,5 φορές (= 576 kbit/128 kbit), o χρόνος που απαιτείται για την συνολική µετάδοση της πληροφορίας θα είναι: T συνολικός(adsl) = T συνολικός(isdn) / 4,5 = 239,9545 hours / 4,5 = 53,32 hours Παρατήρηση: Σύµφωνα µε σχετική διευκρίνιση που έγινε στο δικτυακό τόπο της ΠΛΗ23 είναι σωστή η επίλυση του 2ου ερωτήµατος της Άσκησης 5 αν θεωρήσετε µέγιστο ανοδικό ρυθµό µεταφοράς 640 Kbps. 12
Κριτήρια αξιολόγησης: Άσκηση 1 (Σύνολο) 20 0 Ερώτηση (α) 0 12 Ερώτηση (β) 0 8 Άσκηση 2 (Σύνολο) 20 0 Ερώτηση (α) 0 10 Ερώτηση (β) 0 10 Άσκηση 3 20 0 Ερώτηση (α) 0 10 Ερώτηση (β) 0 10 Άσκηση 4 (Σύνολο) 20 0 Ερώτηση (α) 0 12 Ερώτηση (β) 0 3 Ερώτηση (β) 0 5 Άσκηση 5 20 0 Ερώτηση (α) 0 10 Ερώτηση (β) 0 10 0 0 ΣΥΝΟΛΟ 100 100 Ο συνολικός βαθµός θα διαιρεθεί δια 10, ώστε να προκύψει ο τελικός βαθµός της εργασίας. 13