Grundlagen der Kommunikationstechnik
2 Systemsicht © Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler Fakultät Elektro- und Informationstechnik https://www.telecom.hs-mittweida.de
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GRKT 1 ÜberSicht
GRKT 2 SystemSicht
GRKT 3 OSI-Sicht
GRKT 4 SignalSicht
2013-08
Ziel und Inhalt der Vorlesung
Ziel:
Inhalt:
Betrachtung wesentlicher Systemaspekte und einer generischen Architektur für TKSysteme. Überblick zu wichtigen Telekommunikationssystemen, deren konkrete Architektur und Funktionsweise sowie die Dienste, die darüber abgewickelt werden.
Systemaspekte von TK-Systemen ……………….………………………………......….…..…. 3
Geografische Ausdehnung ……………………………………………………………………..…………. 5 Dienste (Tele-, Bearer-, Supplentary-Services) ……………………………………………..…….……. 6 Topologien ………………………………………………………………………………………..….……… 10 WAN-Nachrichtentransport und Routing …..……………………………………………..…………….. 19 WAN-Architekturprinzip …………………………………………………………...………...……….…….. 39
Übertragungsnetze: PDH, SDH, Leased Lines ..........................................................................44 Fernsprechnetz: Prinzip, Adressierung, Architektur, Dienste, DSL.................................................. 56 Funknetze: Übersicht, Generationen, Adressierung, ................................................................... 69 2G-/2,5G-Funknetze: GSM/GPRS Prinzip, Adressierung, Architektur, Dienste ……................... 73 3G-Funknetze: UMTS/HSPA Prinzip, Architektur, Dienste ......................................................... 83 3,9G-Funknetze: LTE Prinzip, Architektur, Dienste ................................................................... 91 4G-Funknetze: LTE Advanced Prinzip, Architektur, Dienste ..................................................... 102 Internet.................................................................................................................................. 108 Global information infrastructure: Prinzip ..............................................................................117
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Systemaspekte von Kommunikationssystemen Telekommunikation ist Kommunikation, wo zur Distanz-Überwindung technische Hilfsmittel genutzt werden. – Endgeräte wandeln, senden|empfangen Nachrichten. – Endgeräte und Telekommunikationsnetz erlauben die Herstellung von Assoziationen zwischen Nutzern mittels Signalgabe.
TK-Netz ist Transportsystem für Nachrichten (u.U. gesteuert durch Signalgabe). TK-System = Endgeräte + TK-Netz TK-Systeme Nutzer
Endgeräte
Mensch
Anwendungsteil Kommunikationsteil
Maschine
Anwendungsteil Kommunikationsteil
Nachrichten Signalgabe
TK-Netz
Endgeräte
TeleKommunikationsnetz (communication network)
Nachrichtentransformation und -transport Herstellen von Assoziationen
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Nutzer
Anwendungsteil Kommunikationsteil
Maschine
Anwendungsteil Kommunikationsteil
Mensch
Nachrichten Signalgabe
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Systemaspekte von TK-Systemen In diesem Script sollen insbesondere Systemaspekte von Wide Area Networks (WAN) betrachtet werden. Dies sind: Geografische Ausdehnung PAN
Dienste Teledienste
LAN MAN WAN GAN
Topologie
Nachrichtentransport
Architektur
Graph
Leitungs- bzw. Kanalvermittelt
Endgeräte
Paketvermittelt
Zugangsnetz
Ring Übertragungsdienste
Stern
Zusatzdienste
Baum
Bus
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Netzabschluss Kernnetz
Zellvermittelt
Übertragungsnetz
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Geografische Ausdehnung GAN (global area network), – Internet, internationales Fernsprechnetz bzw. Funknetz
WAN (wide area network) – Nationale Internets, Fernsprechnetze und Funknetze
MAN (metropolitian are network) – Regionalnetze, Stadtnetze
LAN (local area network) – Rechnervernetzung über Hub, Switch
PAN (personal area network) – Vernetzung von Komponenten
(PC mit Tastatur, Drucker, Maus )
Bei Wireless-Technologien: WGAN, WWAN, WMAN, WLAN, WPAN
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Dienste: Übersicht Der Begriff "Dienste" (services), wird sehr häufig in der KT verwendet. In KT 3 werden OSI-Schicht-Dienste besprochen. Hier aber folgende: Teledienste
Übertragungsdienste
Zusatzdienste
(teleservices)
(bearer services)
(supplementary services)
Fernsprechen WWW E-Mail
Leitungs- bzw. kanalvermittelt (circuit switched, cs)
Paketvermittelt
Faksimile
(packet switched, ps)
Filetransfer
Festgeschaltet (leased lines, ll)
Rückfrage Konferenz Makeln Rückruf wenn frei
Weiterleitung Gebührenanzeige Lesebestätigung
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Dienste: Telekommunikationsdienste Telekommunikationsdienste (teleservices) sind das, was Nutzer oder Anwendungen tun, z.B.: – Telefonie, Video-Telefonie, – Faksimile, – WWW, E-Mail, Voice-over-IP, FTP usw.
Sie sind (waren) oft ein bestimmtes Netz gebunden: – Fernsprechnetz: Telefonie, Fax, DÜ mittels Modem – Funknetz: Telefonie, SMS – Internet: WWW, E-Mail, FTP
Können auch über verschiedene Netze ermöglicht werden, z.B. Fernsprechen über: – analoges Fernsprechnetz, ISDN, – Funknetze, – Internetz.
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Dienste: Übertragungsdienste Übertragungsdienste (bearer services): – sind Voraussetzung für Tele- und Supplementary Services, – ermöglichen den Transport von Nachrichten über Netze, – müssen vor der eigentlichen Kommunikation errichtet bzw. assoziiert werden.
Es gibt drei grundlegende Typen: – Leitungs-, kanalvermittelt
(circuit switched - cs)
• Bandbegrenzter Kanal (z.B. 0,3 bis 3,4 kHz) analoges Fernsprechnetz • 64 kbit/s restricted/unrestricted ISDN - Integrated Services Digital Network
– Paketvermittelt
(packet switched - ps)
• Verbindungslos (connectionless – ps-cl) • Verbindungsorientiert (connection oriented – ps-co) • Zellen- oder Rahmenübertragung (cell-, frame relay)
– Festverbindungen
(leased lines)
• Exklusiv, zeitlich unbegrenzt, • Virtuell, Zuweisung der Übertragungskapazität bei Bedarf
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Dienste: Zusatzdienste , Dienste-Zusammenhang Zusatzdienste (supplementary services): – Ergänzen Teleservices bezüglich deren Benutzbarkeit usw. – Für fast alle Teledienste existieren Zusatzdienste: • Telefonie: Rückfrage, Makeln, Konferenz, Rufweiterleitung, … • E-Mail: Weiterleitung, Lesebestätigung, … • WWW: 301 Moved Permanently, …
Dienste-Zusammenhang:
Teleservices nutzen einen geeigneten Bearer service und werden nutzbarer durch Supplementary services.
z.B. Teleservice Telefonie Bearer service cs
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Bearer service ps
Rückfrage, Rückruf wenn frei, Weiterleitung …
…
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Topologien: Übersicht TK-Systeme bestehen aus End- und Netzeinrichtungen. Diese sollen hier als Knoten bezeichnet werden. Netztopologie ist die Signalübertragungsstruktur zwischen: – Endeinrichtungen untereinander, – Endeinrichtungen und Netzeinrichtung, – Netzeinrichtung und Netzeinrichtung.
Letztere bezeichnet man auch als Backbone. Dominierende Topologien sind: Graph, Ring, Stern, Bus, Baum. In größeren Netzen dominieren Mischstrukturen, die sich aus geografischen und/oder organisatorischen Bedingungen ergeben.
Unterscheidung zwischen physikalischer und logischer Topologie. Ein LAN kann z.B. physikalisch ein Stern oder Bus sein, logisch aber ein Ring usw.
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Topologien: Vollständiger Graph N(N 1) V (n 1) 2 n 1
A
N
N = Anzahl der Knoten V = Anzahl der Verbindungen
A
D
A
D E
B
C
B
C
N=3 V=3
N=4 V=6
B
C N=5 V=10
Alle Knoten sind verbunden, damit keine Wegesuche (routing) erforderlich. Aber, bei Verzicht auf Routing geringe Konnektivität (connectivity). Mit Routing maximale Verbindungssicherheit: – Direktpfad: – Pfade über einen Knoten: – Pfade über zwei Knoten:
1 (N-2) (N-2)* (N-3) …
Bewertung:
– mit Routing optimale Verbindungseigenschaften, – hoher Verbindungsaufwand.
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Topologien: Ring Die Knoten bilden eine geschlossene Kette von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Jeder Knoten empfängt die Signale vom Vorgänger, regeneriert u. wertet aus und schickt regenerierte Signale zum Nachfolger. Damit können große Netze aufgebaut werden.
F
A
E
B D
C
Bei Ausfall eines Knotens oder Link's fällt das gesamte Netz aus. Deshalb oft Ausfallsicherung durch: – Beipässe (bypass) und – Doppelung der Ringe.
Bewertung: – Für großflächige Netze sehr gut geeignet. – Maßnahmen zur Ausfallvermeidung recht aufwändig.
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Topologien: Ring - Ausfallvermeidung Bypassing
Ringeinkopplung
Ringeinkopplung
von Knoten C
zu Knoten F
Ring
Ring R
Knoten D sei aktiv
Ctrl Ctrl
Ring
T
D
R Knoten E sei passiv
Ctrl
T
E
Knoten sind über 3 Leitungen an Koppeleinrichtung angeschaltet: – Empfangsleitung (R, receive), – Sendeleitung (T, transmit), – Steuerleitung (Ctrl, control),
Mittels der Steuerleitung Ctrl können Knoten in den Ring ein- oder ausgefügt werden. Problem bei Knotenausfall: Entfernung zwischen aktiven Knoten vergrößert sich und damit die Signaldämpfung. Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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Topologien: Ring - Ausfallvermeidung Voraussetzung: Ringdopplung und gemeinsames Knotenwissen – Jeder Knoten ist an zwei Ringe angeschlossen und kennt die Adressen seines Vorgängers und Nachfolgers. – Von Knoten zu Knoten werden Datenrahmen (tokens) gesendet. – Jeder Knoten nutzt Timer zur Überwachung der rechtzeitigen Token-Ankunft.
Isolation defekter Links (z.B. C zu D)
Timerablauf bei D: kein Token da! D sendet: "C: nutze standby ring"! D überwacht "standby ring", kommt dort Token an, Fehler isoliert.
Isolation defekter Knoten
A
B
C
A
standby ring
B
C
standby ring
F
E
D
F
E
D
A
B
C
A
B
C
(z.B. E)
Timerablauf: F erhält keinen Token F sendet: "E: nutze standby ring"! Keine Antwort über standby ring F sendet: "Vorgänger von E: nutze standby ring"! Antwort über standby, Fehler isoliert.
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standby ring
F
E
standby ring
D
F
E
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D 14
Topologie: Bus Der Bus ist Signalweg, an den die Knoten im allgemeinen passiv angekoppelt sind. Die Signalausbreitung erfolgt, ausgehend vom Sendeknoten, in alle Richtungen. Routing ist nicht erforderlich.
A
B
C
D
Vor- und Nachteile der passiven Ankopplung an das Medium sind: – keine Rückwirkungen bei Ausfall einer Station, – Beschränkung der Buslänge und der Knotenanzahl.
Bewertung: – – – – –
Für LAN's geeignet, heute häufig in der Automation verwendet, durch passive Ankopplung relativ hohe Betriebssicherheit bei geringen Kosten, lässt sich aber sehr gut "abhören" (Sicherheit), Geringer Datendurchsatz durch Halbduplexbetrieb und Kollisionen, Fehlerdiagnose in größeren Netzen schwierig.
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Topologien: Stern (star) Es existiert eine Zentralstation, über die alle Knoten angeschaltet sind. Verkabelungsaufwand ist hoch. Einfügung neuer Knoten ist einfach, solange noch freie Ports existieren.
Zentralstation (hub) Port
Port
Port
A
B
C
…
Port
Bewertung: – Sternstruktur war/ist die dominierende Struktur in wichtigen WAN, z.B. im Fernsprechnetz. – Die Sterntopologie dominiert zunehmend auch bei LAN's. – Knoten sind isoliert voneinander und können beliebig rangiert werden. – Fehlersuche ist relativ einfach. – Wichtige Teile der Zentralstation (Netzteil, Steuerteil) müssen redundant sein, um Netztotalausfall zu verhindern.
Sternverkabelungen sind aufwändig, aber universell konfigurierbar.
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Topologie: Sternverkabelung ist universell Ringleitungsverteiler
Busverteiler
Switch
Terminator
A
A
B
B
B
C
C
C
D
D
Aus physischem Stern wird logisch ein Ring
A
D
Terminator
Aus physischem Stern wird logisch ein Bus
Hub
A
A
B
B
C
C
D
D
Schalter
Stern bleibt Stern
Hub Logischer Bus durch optische Verteilung
Logischer Bus durch elektrische Verteilung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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Topologie: Baum (tree) Ausgehend von einer Wurzel (root) werden die Knoten über aktive und/oder passive Verzweigungselemente erreicht. Baumstruktur erlaubt optimale Anpassung an Geographie und damit Minimierung der Kabellänge. Eine typische Struktur für Kabelverteilnetze (Rundfunk, Fernsehen).
root
Ist das Baumnetz kein reines Verteilnetz, ist eine Routingfunktion erforderlich.
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WAN-Nachrichtentransport: Übersicht Nachrichtentransport in WAN's Über geschaltete Leitungen oder Kanäle
Über Teilstrecken
(circuit switched – cs)
Standverbindung (fest geschaltet)
Wählverbindung
(bei Bedarf geschaltet: z.B. Fernsprechnetz, Funknetze)
Paketvermittlung (packet switched, ps)
Datagramservice
(connection less, cl: z.B. Internet)
NachrichtenVermittlung
(message switching)
virtuelle Verbindung
(connection oriented, co)
Funknetze, unterstützen bisher mehrere Technologien: – Wählverbindungen (circuit switched) zum Telefonieren, – Paketverbindungen (packet switched) zur Datenübertragung
(z.B. GPRS).
Eindeutiger Trend nur noch ps-cl. Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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WAN-Nachrichtentransport: Kanal-/Leitungsvermittelt, cs N-Layer OVSt
N-layer EE
Wahl, Hörer ab
N-Layer FVSt
N-Layer OVSt
N-layer EE
SETUP SETUP
Ruf
ALERTING Freizeichen
ALERTING CONNECT
Verbunden
CONNECT
Hörer ab
CONNECT ACK
CONNECT ACK
Auflegen
DISCONNECT DISCONNECT RELEASE
RELEASE COMPLETE
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RELEASE
Auflegen
RELEASE COMPLETE
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WAN-Nachrichtentransport: Kanal-/Leitungsvermittelt, cs Jede Verbindung (connection) besteht aus drei Phasen:
– Verbindungsaufbau: A-Teilnehmer (calling subscriber) fordert mittels Signalgabe Verbindung zu B-Teilnehmer (called subscriber). – Kommunikation: den Teilnehmern steht exklusiv ein Kanal (Leitung) zur Verfügung. – Verbindungsabbau: A- oder B-Teilnehmer beenden Kommunikation. Auslösung von A aus Vorwärtsauslösung, löst B aus Rückwärtsauslösung.
Eigenschaften:
– Garantierte Dienstgüte (quality of service QOS) bereitgestellt, – Steuerungsaufwand beim Auf- und Abbau,
Beispielnetze für cs: Fernsprechnetz, ISDN, Funknetze
Das Verbindungsbeispiel – – – – – – –
SETUPu-n: SETUPn-u: ALERTING: CONNECT: DISCONNECT: RELEASE: RELEASE COM:
(vorhergehende Folie) ist
ISDN-like. Darin bedeuten:
Teilnehmer fordert Verbindung an, übergibt A- u. B-Rufnummer, Transportkanaltyp … Netz ruft Teilnehmeranschluss von B mit Zielrufnummer usw., Mindestens ein Endgerät bei B kann den geforderten Dienst erbringen und klingelt. Der gerufene Teilnehmer ist aktiv geworden, und die Verbindung ist hergestellt. Aufforderung, eine bestehende Verbindung auszulösen. Löse aus Ausgelöst
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WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-co N-layer edge router
N-layer DEE
N-layer router router
N-Conn.Rq
CALL REQUEST
R
N-layer edge router
N-layer DEE
router
CR
R
CR
R
INCOMMING CALL
N-Conn.In Annahme des Calls
N-Conn.Cf N-Data.Rq N-Data.Rq N-Data.Rq
N-Disconn.Rq
CONNECT
CA
CA
CALL ACCEPTED
DATA 1(3)
N-Conn.Rs
DATA 1(3)
N-Data.In
DATA 2(3)
N-Data.In
DATA 3(3)
N-Data.In
DATA 2(3)
DATA 3(3) CLEAR REQUEST
CLR
CLEAR CONFIRM
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CLR
CLEAR INDICATION
N-Disconn.In
CLEAR CONFIRM
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WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-co
Jede Verbindung (connection) besteht aus drei Phasen: – Verbindungsaufbau: Die Transportschicht des A-Teilnehmers fordert mit N-Conn.Rq die Herstellung einer Verbindung zu einem B-Teilnehmer. Die Netzschicht baut diese Verbindung mittels Protokollnachrichten (CALL REQUEST, INCOMMING CALL, CALL ACCEPTED, CALL CONNECTED) auf. Mit N-Conn.Cf wird der T-Schicht die Verbindungsherstellung angezeigt. – Kommunikation: Die Datenübertragung erfolgt mit Paketen definierter Länge (z.B. 512, 1480 Byte) über die Route, die beim Aufbau ermittelt wurde. In jedem Knoten wurde dafür Speicherplatz reserviert. – Verbindungsabbau: einer der Teilnehmer beendet die Kommunikation mit N-Disconn.Rq. Die Verbindung wird ausgelöst und der reservierte Speicherplatz freigegeben.
Eigenschaften: – Steuerungsaufwand beim Aufbau (routing) und Abbau erforderlich. – Für jede virtuelle Verbindung wird Speicherplatz, aber keine Übertragungskapazität zwischen den Knoten reserviert. Das Netz garantiert die Einhaltung der Paketreihenfolge. – Eine garantierte Dienstgüte (quality of service) bezüglich Datendurchsatz und Verzögerung der Pakete gibt es daher nicht.
Beispiele für ps-co-Networks: Datex-P-Netz, ISDN. Das Verbindungsbeispiel, eine Folie vorher, ist X.25-like.
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WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-cl
N-layer Router
N-layer DEE
N-Udat.Rq 1(4) N-Udat.Rq 2(4)
N-layer Router
N-layer DEE
DATA
R DATA
R N-Udat.Rq 3(4)
N-layer Router
R
DATA
R
DATA
N-Udat.In 1(4)
R
DATA
N-Udat.In 3(4)
R
DATA
R
DATA
R R N-Udat.Rq 4(4)
DATA
R
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N-Udat.In 4(4)
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WAN-Nachrichtentransport: Paketvermittelt, ps-cl Zwischen den Stationen wird keine virtuelle Verbindung aufgebaut. Die sendende Station zerlegt die Datensendung in konfektionierte Pakete. Jedes Paket, Datagramm genannt, enthält: Ziel-Adresse + AbsenderAdresse + Daten. Im Internet wird jedes Paket mit time-to-live-Feld versehen. Ist die max. TTL abgelaufen, wird das Paket vom Netz entfernt. Jedes Datagramm wird in den Netzknoten neu geroutet. Das Netz ist nicht in der Lage, die Reihenfolge der Pakete zu sichern. Pakete in verbindungslos arbeitenden Paketnetzen können sich überholen, verlorengehen oder gedoppelt werden. Eigenschaften: – Gute Auslastung der Verbindungswege. – Für den Austausch kurzer Datensendungen bevorzugte Übertragungsvariante. – Keine Durchsatz- und Verzögerungsgarantie.
Beispiel für ps-cl-Network: Internet (IP - internet protocol). Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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WAN-Nachrichtentransport: Nachrichtenvermittelt
N-layer Router
N-layer N-Udat.Rq
N-layer Router
EE
N-layer Router
DATA
R R R
DATA
N-Udat.Rq
Bei der Nachrichtenvermittlung wird eine Nachricht geschlossen von Knoten zu Knoten übertragen. Das Prinzip ist identisch mit dem connectionless Service, d.h. die Message enthält neben den Nutzdaten die Zieladresse und Absenderadresse. Nachteile dieses Verfahrens ist der große und wechselnder Speicherbedarf in den Knoten. Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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WAN-Nachrichtentransport: Beispiel BEISPIEL: – Ein File mit 50 kbyte soll • über ein Nachrichtenvermittlungsnetz und • ein Paketvermittlungsnetz (verwendete Paketgröße=16 kbyte) übertragen werden.
– Die Anzahl der Netzknoten betrage in beiden Fällen zwei. Die Übertragungsgeschwindigkeit sei auf allen Strecken gleich und betrage 9,6 kbit/s. – Berechnen Sie die Übertragungszeiten für beide Fälle, wenn in den Netzknoten keine Speicherzeiten der Pakete bzw. der Message auftreten!
Beachte: – Beim Nachrichtenvermittlungsnetz wird die Gesamtnachricht abschnittsweise (Link) übertragen. – Beim Paketvermittlungsnetz wird die Nachricht von 50 kbyte in 4 Pakete zu 16 kbyte aufgeteilt und die einzelnen Pakete übertragen.
Die nächste Folie zeigt den Übertragungsverlauf unter der Annahme, dass in den Knoten keine zusätzlichen Verzögerungen eintreten.
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WAN-Nachrichtentransport: Beispiel DEE N-Udat.Rq
Netzknoten
50
DEE
Netzknoten
NACHRICHTENVERMITTLUNG
Übertragungsabschnitte
1
50
2
50
3
Übertragungsabschnitte
N-Udat.Rq
50 1 2 3 4 5 6
N-Udat.In
50
N-Udat.In
50
PAKETVERMITTLUNG 16 16 16 16
1(4) 2(4) 3(4) 4(4)
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16 16 16 16
1(4) 2(4) 3(4) 4(4)
16 16 16 16
1(4) 2(4)
3(4) 4(4)
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WAN-Nachrichtentransport: Beispiel
Anzahl der Übertragungsschritte Aüs: n = Anzahl der Netzknoten m = Anzahl der Pakete
Die Übertragungsdauer tü folgt aus: Ab = Anzahl der Bit je Paket Vü = Übertragungsgeschwindigkeit in bit/s
Aüs n m Aüs * Ab tü Vü
Im Falle der Nachrichtenvermittlung mit n=2 und m=1 folgt: tü
Aüs * Ab 3 * 50 * 8kbit * s 125s Vü 9,6kbit
Im Falle der Paketvermittlung mit n=2 und m=4 folgt: Aüs n m 2 4 6 Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
tü
Aüs * Ab 6 *16 * 8kbit * s 80s Vü 9,6kbit Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
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WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen
Paketnetze sind Teilstreckenvermittlungsnetze. Optimierungskriterien sind: – Dem Nutzer muss eine hinreichende Dienstgüte (quality of service - QOS) bereitgestellt werden. – QOS-Parameter: Datendurchsatz, Übertragungssicherheit, Antwortzeitverhalten usw. – Die Kosten für den Nutzer und den Betreiber sollen möglichst gering sein. – Netzknoten sollte aus Sicherheitsgründen über mindestens zwei disjunkte Pfade erreichbar sein.
Beim Betrieb von vermaschten Teilstreckenvermittlungsnetzen sind folgende Probleme zu lösen: – Routing: Wegewahl durch das Netz. – Flow control: Vermeidung von Überlastproblemen im Netz (congestion control).
Routing ist die Wahl eines Weges durch das Netz, von einem Quell- zu einem Zielknoten. Optimierungskriterien für diesen Vorgang können sein: – hoher Datendurchsatz der virtuellen Verbindung, – hohe Übertragungssicherheit, – Anzahl der involvierten Teilstrecken (Hop's, Links) soll minimal sein usw.
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WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen
Für ein optimales Routing müßte jeder Knoten die Struktur des Gesamtnetzes (statischer Zustand) und die momentane Verkehrslast (dynamischer Zustand) kennen. Der Austausch von Zustandsinformationen zwischen den Knoten, insbesondere im Überlastfall, und die Optimierungsalgorithmen sind sehr komplex und damit aufwendig. Man kann z.B. innerhalb der Netze Domänen (domains) bilden, optimiert diese Teilnetze und die Wege zu anderen Domänen.
Domäne 1
R
Domäne 2
Oft nutzt man pragmatische Lösungen, indem man statische Routingtabellen verwendet. Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Domäne n
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WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen /KERNER93,152ff/
Für die Ermittlung statischer Routingtabellen gibt es drei Optimierungsfälle: – Ermittlung des kürzesten Weges. Die Gewichte der Teilstrecken ergeben sich: • aus der Übertragungskapazität der Kanäle zwischen den Knoten, • aus den Übertragungskosten, • aus der Länge des verwendeten Links.
– Ermittlung der kürzesten Zeit. Hier kann das erwartete Verkehrsaufkommen berücksichtigt werden. Die Gewichte der Teilstrecken ergeben sich im wesentlichen aus: • Ermittlung des Verkehrsaufkommens, • Ermittlung der Wartezeiten an den Ausgängen der Knoten, • Berechnung der Gesamtverzögerung.
– Mischverfahren zwischen den genannten.
Vorgehensweise: – Ermittlung der Gewichte der Teilstrecken, – Ermittlung des optimalen Weges von einem Knoten zu allen anderen, für jeden Knoten. – Definition der Routingtabellen für jeden Knoten.
A
1
3
B 1
D
2
3
4
C 4
4
4
4
E
Beispielnetz
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WAN-Nachrichtentransport: Paketnetz-Routing,
Dijkstra-Algorithmus
Ein Netz N bestehe aus (vollständig) verbundenen Knoten A,B,C, ... N={A,B,C,...}. Für jede Kante zwischen den Knoten i und j existiere eine Distanz dij. Lege den Knoten i fest, für den die Routingtabelle ermittelt werden soll, und trage diesen Knoten als Element in ein Hilfsnetz P ein P={quelle}. (0) Beschrifte diesen Quellknoten mit (Y , Di) = (-,0), alle anderen mit (Y , Di) = (-, ∞). Dann Start Algorithmus
Start
(1) Bilde vom Quellknoten (Arbeitsknoten) zu allen anderen Nachbarknoten j Dj = min (Dj , Di + dij) für alle j, die nicht Element von P sind (2) Ermittle vom momentanen Arbeitsknoten aus, den nächsten Arbeitsknoten gemäß Di = min Dj für alle j, die nicht Element von P sind. (3) Aktualisiere P mit dem Knoten, der aus Di = min Dj ermittelt wurde P = P {i}
Stop
Ist P = N oder kein unmarkierter Nachbarknoten mehr vorhanden
Y N Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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WAN-Nachrichtentransport: Routing
in Paketnetzen, Beispiel
Gegeben sei folgendes Netz in Form einer Tabelle oder des Graphen
dij A B C D E
A 1 2 4 3
B 3 1 4
C 4 4
D 4
E -
A 1 3
B
≡ 1
D
2
4
4
C 4
3
4
4
E
Für den Knoten A soll die Routingtabelle zu allen anderen Knoten ermittelt werden. Die Frage lautet also: wenn A zu X ein Paket schicken muss, welchem Knoten übergibt er dieses Paket?
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WAN-Nachrichtentransport: Routingbeispiel (0) Initialzustand
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen Nachbar-Knoten die nicht in P sind (-,0)
(-,0)
A
A
1
(-,∞)
1
(-,∞)
2
B
D
4
4
4
3
A
1
C
3
4
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten (3) Aktualisiere P (-,0)
(-,∞)
(-,∞) (A,1)
4
E
B 1
(-,∞)
(-,∞) (A,4)
2
C
3
4
4
D
4
3
(-,∞) (A,2)
(-,∞) (A,1)
4
E
4
P={A}
1
B 1
(-,∞) (A,3)
(-,∞) (A,4)
2
4
4
D
(-,∞) (A,4) (B,2)
2
D
4
4
P={A,B}
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1
C
3 4
E
(-,∞) (A,3)
A
1
4
4
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten (3) Aktualisiere P (-,0)
A
1
3
(-,∞) (A,2)
P={A,B}
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen Nachbar-Knoten die nicht in P sind (-,0)
B
4
4
P={A}
(-,∞) (A,1)
C
3
3
(-,∞) (A,2) (B,4)
(-,∞) (A,1)
4
E
B 1
(-,∞) (A,3) (B,5)
(-,∞) (A,4) (B,2)
2
D
C
3
4
4
4
4
P={A,B,D}
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
3
(-,∞) (A,2) (B,4)
4
E
(-,∞) (A,3) (B,5) 35
WAN-Nachrichtentransport: Routingbeispiel (1) dij vom Arbeitsknoten zu allen Nachbar-Knoten die nicht in P sind (-,0)
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten (3) Aktualisiere P (-,0)
A
A
1
(-,∞) (A,1)
B 1
(-,∞) (A,4) (B,2)
2
C (-,∞)
3 4
4
D
1
4
3
(A,2) (B,4) 4 (D,6)
E (-,∞)
4
(A,3) (B,5) (D,6)
P={A,B,D}
(1) dij vom Arbeitsknoten zu allen Nachbar-Knoten die nicht in P sind (-,0)
(-,∞) (A,1)
B 1
(-,∞) (A,4) (B,2)
2
4
4
D
1
(-,∞) (A,4) (B,2)
D
4
(A,2) (B,4) 4 (D,6)
E (-,∞) (A,3) (B,5) (D,6)
(2) Ermittle nächsten Arbeitsknoten (3) Aktualisiere P (-,0)
STOP, da alle Knoten Mitglied des Hilfnetzes P sind.
A 1
C (-,∞)
3
4
3
P={A,B,D,C}
2
B
4
4
A 1
(-,∞) (A,1)
C (-,∞)
3
4
4
P={A,B,D,C}
3
(A,2) (B,4) 4 (D,6)
E (-,∞) (A,3) (B,5) (D,6) (C,6)
(-,∞) (A,1)
B 1
(-,∞) (A,4) (B,2)
2
4
D
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C (-,∞)
3
4
4
3
(A,2) (B,4) 4 (D,6)
E (-,∞)
4
P={A,B,D,C,E}
(A,3) (B,5) (D,6) (C,6)
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
36
WAN-Nachrichtentransport: Routingbeispiel
Die statische Routingtabelle für den Knoten A würde demnach wie folgt aussehen: Ein Datenpaket vom Knoten A zum Knoten B C D E wird geroutet zu Knoten
Eine alternative Darstellung ist der Routing-Baum: 1 2
B
C
B
E
A B D
C
E
2
3
In jedem Knoten sind Ersatzroutingtabellen vorhanden. Auf diese kann man umschalten, wenn Link's oder Nachbarknoten ausfallen.
Eine Teachware zur Ermittlung der Routingtabellen für Netze bis zu 10 Knoten findet man unter: https://www.telecom.hs-mittweida.de/fileadmin/verzeichnisfreigaben/telecom/winkler/teachware/DijkstraRouting.exe
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
37
WAN-Nachrichtentransport: Weitere dij A B C D
A 3 2 1
B 2 1
C 1
D -
A
dij A A B 1 C 4 D 4 E 4
B 1 4 4
C 1 4
D 4
E -
dij A B C D E
B 2 4 4
C 3 4
D 4
E -
A 1 4 5 6
Routingbeispiele mit Lösungen
1
D
2
B
C
B 2
A B
E
2
C
4
3
D
1
1
D
2
A
C
3
C
2
B 1 2
C A E D
1
B E
5
A
B
D
A
B
C
2
2
1
1
1
1
1
4
2
B A
D
D
E 4
1
B D5
C D
E
1
2
4
4
2 3
B A
D 3
E
1
C
E
A
B
C D
2
B
4
4
4
4
3
A
4
E
C
A
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D
C
A 1
C
E
4
4 5
B A
D 4
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
C
4
38
WAN-Architekturprinzip UNI
Access-Network (Zugangsnetz)
TAE NTBA
(Zugangsnetz)
Übertragungs-Medien
Übergangsverkehr
Cu-DA o. TAL Koax
MUX/DMUX Konzentrator
Vereiniger
Übertragungsnetz 2 5
P
Endgeräte
Access-Network
Verteiler Accesspoint
UNI
7
Endverkehr
NTBBA
Komponenten
Kernnetz
Endverkehr
Endgeräte
NNI
Durchgangsverkehr
NTBA
LWL Richtfunk
Funk
8 0
TAE
CATV
Accesspoint
Netzabschluss
Endgeräte kann man einteilen: •in universelle PC mit Peripherie •in spezielle Mobil, Fax, Telefon, …
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CATV Cu-DA LWL NNI NTBA NTBBA TAE TAL UNI
cable television Kupfer-Doppelader Lichtwellenleiter network network interface network terminator basic access network terminator broadband basic access Telekommunikationsanschlusseinrichtung Teilnehmeranschlussleitung user network interface Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
39
WAN-Architekturprinzip: Vergröberung Ein Aspekt der Systemsicht ist die Systemarchitektur. Man kann zeigen, dass WAN's (Wide area networks, wie Fernsprechnetze, Funknetze, das Internet) eine gleiche oder ähnliche Systemarchitektur haben: Endgeräte
Netzabschluss
Zugangssnetz
Kernnetz
Übertragungsnetz
Komponenten: Spezialisierte Endgeräte, universelle Endgeräte
Komponenten: TAE, NTBA, NTBBA, Wireless Access Point
Komponenten: MUX/DMUX, Konzentrator, Verteiler/Vereiniger, DSLAM Verfahren: FDMA, TDMA, CDMA Medien: CuDA, LWL, Koax, Funk, Richtfunk Komponenten: Vermittlungen, Router, MUX/DMUX Verfahren: cs, ps-cl, ps-co, ll, … Komponenten: MUX/DMUX, Add-Drop-MUX, Cross-Connector, … Verfahren: PDH, SDH, Gigabit-Ethernet, ATM, IP Medien: LWL, CuDA, Koax, Funk, Richtfunk
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
40
WAN-Architekturprinzip: Zugangssnetz, NT, TE Das Zugangssnetz (access network) verbindet Netzabschlüsse mit den Kernnetzkomponenten (Vermittlung, Router, Mux/Demux .. ). Im Fernsprechnetz sind das üblicherweise Kupfer-Doppeladern. • •
In manchen Netzen werden mehrere Fernsprechanschlüsse multiplexiert und gemeinsam bis zum Kernnetz über Richtfunk, LWL oder Cu-DA übertragen. Diese Teilnehmer haben keine durchgängige Cu-DA zwischen NT und Kernnetz. deshalb Probleme bei DSL-Versorgung.
In Funknetzen besteht das Zugangsnetz aus aktiven Komponenten, bei GSM z.B. BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller).
Der Netzabschluss (network temination, NT) gehört i.d.R. dem Netzbetreiber: – Er bildet technisch das UNI (user network interface). – Beispiele: TAE-Dose, NTBA, Splitter, Funk-Sender/-Empfänger usw.
Endgeräte (terminal equipment, TE) gehören i.d.R. dem Nutzer. In vielen Netzen dürfen nur zugelassene Endgeräte betrieben werden, so auch in DE, AT. Zulassungsbehörde ist die Bundesnetzagentur Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
41
WAN-Architekturprinzip: Duplex, Mehrfachzugriff am UNI WAN's müssen vielen Teilnehmern quasigleichzeitig Zugang ermöglichen. Das nennt man Multiple Access (MA). Viele Teleservices (VoIP, WWW, …) erfordern eine Duplexverbindung. Tln. Mehrere Teilnehmer wollen gleichzeitig auf ein Netz zugreifen Multiple Access (MA) Die Teilnehmer wollen dabei eine Duplexverbindung nutzen. In Funknetzen spricht man von Download (DL) und Upload (UL)
Duplexverfahren – – – – –
Tln. Tln.
Kommunikationsnetz
Tln.
SDD (space division duplex): ein Medium (CuDA, LWL) je Richtung FDD (frequency division duplex): eine Frequenz je Richtung TDD (time division duplex): ein Medium zeitlich nacheinander je Richtung EC (echo cancellation): ein Medium, gleiches Spektrum, Echokompensation Brückenschaltungen
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
42
WAN-Architekturprinzip: Duplex, Mehrfachzugriff am UNI Basisverfahren für Multiple Access (MA): – – – – –
SDMA (space division multiple access): MA durch mehrere leitergebundene Medien (CuDA, LWL, …) FDMA (frequency division multiple access): MA durch mehrere Funkmedien TDMA (time division multiple access): MA durch mehrere Zeitschlitze pro Medium CDMA (code division multiple access): MA durch mehrere disjunkte Spreizcodes pro Medium OFDMA (orthogonal frequency division multiple access): MA durch mehrere Teilträgerbereiche
Beispiele: Kommunikationsnetz
Duplex (dx)
Mehrfachzugriff (MA)
Analoges Fernsprechnetz
Brückenschaltung SDMA
ISDN
SDD
SDMA+TDMA
GSM
FDD
FDMA+TDMA
UMTS LTE
FDD oder TDD FDD oder TDD
FDMA+CDMA DL: FDMA+OFDMA+TDMA UL: FDMA+SC-FDMA
SC-FDMA – single carrier frequency division multiple access Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
43
WAN-Architekturprinzip: Kernetz Das Kernnetz wird durch Kanal-Vermittlungen (switches) oder PaketVermittlungen (router) gebildet. Diese Komponenten kann man ihrer Rolle nach einteilen in: – Komponenten für Endverkehr: z.B. OVSt – Ortsvermittlungsstellen oder edge router: • an diese sind die Teilnehmer direkt über ein Medium • oder über weitere aktive Komponenten im Zugangsnetzwerk angeschlossen.
– Komponenten für Durchgangsverkehr: z.B. FVSt - Fernvermittlungsstellen, router: • an diese sind keine Teilnehmer angeschaltet, • sie verbinden Komponenten für Endverkehr, • Komponenten für Durchgangsverkehr können hierarchisch, vollvermascht, teilvermascht organisiert sein.
– Komponenten für Übergangsverkehr: • sind Instanzen der network-network-interfaces (NNIs), • sie realisieren die Anpassung der Signalgabe und der Nutzdaten, falls diese in den Netzen verschieden sind.
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44
WAN-Architekturprinzip: Übertragungsnetz Übertragungsnetze (carrier networks): – liefern hochratige Datenverbindungen zwischen nationalen und internationalen Standorten, – damit werden die Kernnetz-Komponenten (Vermittlungen, Router, Multiplexer, …) und Zugangsnetzwerk-Komponenten (Konzentratoren, MUX/DMUV, DSLAM) miteinander verbunden.
Anbieter solcher Netze sind: – weltweit operierende Unternehmen, die alle Kontinente ver-LWLt haben – in DE die Telekom, Energieversorger, DB, Stadtwerke usw.
Aktuelle Technologien für Übertragungsnetze sind: – PDH – Plesiochrone Digitale Hierarchie, Raten von 2 Mbit/s bis 565 Mbit/s, Einführung ab 1982 noch große Bedeutung in der Pheripherie des ÜNetzes, – SDH – Synchrone Digitale Hierarchie, Raten von 51 Mbit/s bis 160 Gbit/s Einführung ab 1992, Hauptverfahren im Ü-Netzes – Gigabit-Ethernet im MAN-Bereich.
Über diese Netze werden Datenströme TDM-basiert, ATM-basiert oder IPbasiert übertragen. ATM - Asynchronous Transfer Mode Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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45
Ü-Netz: PDH – Plesiochrone Digitale Hierarchie
PDH beruht auf der bitweisen Multiplexierung fastsynchroner Datenströme. PDH-MUX/DMUX benötigen keine Zwischenspeicher ( waren damals teuer) Anwendung: hauptsächlich als Zubringer zum SDH-Netz oder im Zugangsnetz. International gibt es unterschiedliche Systeme.
Anzahl der Fernsprechkanäle 7680
EUROPA
USA
Japan
E5 564,992 Mbit/s
J5
397,200 Mbit/s
*4 1920
E4 139,264 Mbit/s
*4
T4
*4 480
E3
34,368 Mbit/s
E2
8,448 Mbit/s
T3
E1
2,048 Mbit/s
97,728 Mbit/s *3
44,736 Mbit/s
J3
32,064 Mbit/s
*7
T2
*4 30
J4
*6
*4 120
274,176 Mbit/s
*5
6,312 Mbit/s
J2
6,312 Mbit/s
*4
T1
30*64kbit/s +64kbit/s+64kbit/s 64 kbit/s
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*4
1,544 Mbit/s
24*64kbit/s +8kbit/s
64 kbit/s
J1
1,544 Mbit/s *24 +8kbit/s
64 kbit/s
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
46
Ü-Netz: PDH – E1- und T1-Ursprung E1-Folge oder Primärrate 1 2
OVSt
MUX DMUX
SIG A/D
Übertragungsmedium
MUX DMUX
1 2 A/D SIG
30*64 kbit/s = 1920 kbit/s 1*64 kbit/s = 64 kbit/s
30
1*64 kbit/s =
FVSt 30
64 kbit/s
32*64 kbit/s = 2048 kbit/s
1 2
OVSt 24
MUX DMUX
SIG A/D
Signalgabe wird In-Band übertragen: In jedem 6. PCM-Wort ist das LSB Signalgabe Übertragungsmedium
24*64 kbit/s = 1536 kbit/s 1* 8 kbit/s = 8 kbit/s
1 2
MUX DMUX
T1-Folge
A/D SIG
FVSt 30
∑= 1544 kbit/s PCM-Kanäle Kanal für Managementdaten Kanal für Nutzersignalgabe Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
47
Ü-Netz: Prinzip der PDH 4 E1-Folgen werden bitweise zu einer E2-Folge multiplexiert und auf der anderen Seite wieder auf 4 E1-Folgen demultiplexiert. In dieser Richtung geschieht das Gleiche! Ist aber hier nicht dargestellt.
E2-Folge mit 8448 kbit/s vier E1-Folgen je 2048 kbit/s
Rahmendauer 100,378 µs
Rahmendauer 125 µs
vier E1-Folgen je 2048 kbit/s Rahmendauer 125 µs
Der Multiplexer verschachtelt Eingangsfolgen bitweise zu einer Ausgangsfolge, ein Demultiplexer entschachtelt diese. Da die Folgen vom Nenntakt (2048 kbit/s) geringfügig abweichen können, wird in der Ausgangsfolge (8448 kbit/s) für jede Eingangsfolge ein Toleranzbit bereitgestellt. Beispiel: Die E2-Rahmendauer beträgt 100,378 µs, ist also nicht identisch mit der Rahmendauer einer E1Folge (125 µs). In dieser Zeit (100,378 µs) stellt die E2-Folge pro Eingangsfolge im Mittel 205,56 Bit zur Verfügung. Eine E2-Folge kann also für eine E-1-Folge 205 Bit abnehmen oder 206 Bit. Auf diese Art und Weise können positive und negative Toleranzen der Eingangsfolgen und der Abnehmerfolge in Grenzen berücksichtigt werden.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
48
Ü-Netz: PDH-Komponenten und -Netz Aktive Komponenten des Übertragungsnetzes sind: – MUX/DMUX für jede Hierarchiestufe (2/8, 8/34, 34/140, 140/565). – Add/Drop-Multiplexer, zum Ein- und Auslinken von Folgen.
Medien: E1auch über CuDA, ab E2 LWL (manchmal noch Koax), E1 bis E4 auch Richtfunk, Nachteil der PDH: – will man z.B. aus einer höheren Folge (z.B. E4) eine niedrigere ein- und auslinken (z.B. E1), muss man auf das Niveau der Ein-/Auslinkfolge demultiplexieren und anschließend wieder multiplexieren. – Dies ist der bitweisen Verschachtelung geschuldet.
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
49
Ü-Netz: PDH-Komponenten und -Netz
Cu-DA
E1
E1
LWL
E2MUX DMUX (2/8)
E2
E3
Richtfunk
Add/Drop MUX
E2
E3MUX DMUX (8/34)
E2
Koax LWL
E3
E4MUX DMUX (34/140)
Übertragungsnetz Richtfunk
E1
E2MUX DMUX (2/8)
E2
E2
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E3MUX DMUX (8/34)
E3
E3
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
50
Ü-Netz: PDH-Nutzung durch Kernnetzkomponenten Router FVST zu LANs 2 Mbit/s, dx 2 Mbit/s, dx
OVST
E1 2 Mbit/s, dx
E2MUX DMUX (2/8)
E2
2 Mbit/s, dx
Add/Drop MUX
E2
E2
GW
8 Mbit/s, dx
LAN
2 Mbit/s, dx
OVST
E1
E1
E3
E3MUX DMUX (8/34)
E3
E4MUX DMUX (34/140)
Übertragungsnetz
E2MUX DMUX (2/8)
E2 E2
E3MUX DMUX (8/34)
E3
2 Mbit/s, dx 8 Mbit/s, dx GW
LAN
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E3
Router zu LANs
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
51
Ü-Netz: SDH – Synchrone Digitale Hierarchie SDH beruht auf Übertragung von Datencontainern aller 125 µs. Es gibt verschieden große Container u. daraus resultierend verschiedene Datenraten (von 51 Mbit/s bis derzeit 160 Gbit/s). International mehrere fast identische Verfahren (Vorreiter AT&T mit SONET). Nachfolgend die wichtigsten Bruttoraten (es gibt noch Zwischenraten). SDH-Bezeichner (Europa)
ANSI-Bezeichner
AT&T-Bezeichner
STM-1024
159.252,480 Mbit/s
OC-3072
STS-3072
STM-256
39.813,120 Mbit/s
OC-768
STS-768
STM-64
9.953,28 Mbit/s
OC-192
STS-192
STM-16
2.488,32 Mbit/s
OC-48
STS-48
STM-4
622,08 Mbit/s
OC-12
STS-12
STM-1
155,52 Mbit/s
OC-3
STS-3
STM-0
51,84 Mbit/s
OC-1
STS-1
ANSI………….. AT&T…………. OC…………….
American National Standards Institute, vergleichbar mit DIN American Telephone and Telegraph, ehemal. US-Konzern Optical Carrier
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SONET………. STM………….. STS…………...
Synchronous Optical Network Synchronous Transport Module Synchronous Transport Module
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
52
Ü-Netz: Prinzip der SDH STM-1
Übertragung eines Containers
STM-1
z.B. 4 Plesiochrone Eingangsfolgen
Packen eines Containers
STM-1 Übertragung der Container mit 155 Mbit/s
MUX: Während ein Container gepackt wird, wird der vorher gepackte gesendet. DMUX: Während ein Container empfangen wird, wird der vorher empfangene entpackt/umgepackt. Speicher: kein Problem
STM-1
Entpacken eines Containers
z.B 4 Plesiochrone Ausgangsfolgen
Beachte: Es ist nur eine Übertragungsrichtung dargestellt.
Container sind Bytebehälter definierter Größe und Struktur. In diese Behälter werden byteweise z.B. ganze Rahmeninhalte von Eingangsfolgen verpackt. Die Rahmenfrequenz der SDH (Behälterübertragung) beträgt daher 125 µs. Ein festliegender Behälterbereich wird als Packzettel verwendet. Aus ihm geht hervor, was in dem Behälter an welcher Stelle untergebracht ist. In den Knoten eines SDH-Übertragungssystems kann anhand des Packzettels definiert auf bestimmte Inhalte zugegriffen werden (Add/Drop).
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
53
Ü-Netz: SDH-Komponenten Repeater (R): zur Regeneration der (optischen) Übertragungssignale. Terminal-Multiplexer (TM): multiplexiert PDH- und SDH-Folgen zu einer SDH-Folge Add/Dop-Multiplexer (ADM): kann aus STM-Folge STM/PDH-Folgen entnehmen und hinzufügen. ADMs sind oft als doppelter Ring geschaltet hohe Ausfallsicherheit!
STM-X
Repeater
SDH
PDH
Terminal MUX
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STM-X
PDH SDH
STM-X
Add/Drop MUX
STM-16
Digital Cross Connector (DXC): blockierungsfreies Durchschalten von STMs und sogenannten Virtual Containers (VCs). VCs enthalten verpackte PDH-Folgen.
STM-X
STM-4 STM-1 VC-4:140 Mbit/s VC-3: 34 Mbit/s VC-12: 2Mbit/s
STM-X
STM-16
Cross Connector
STM-4 STM-1 VC-4:140 Mbit/s VC-3: 34 Mbit/s VC-12: 2Mbit/s
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
54
Ü-Netz: SDH-Netz-Prinzip Router FVST 34 Mbit/s
34 Mbit/s
34 Mbit/s 2 Mbit/s
TM
OVST
STM-1
R
ADM
STM-16
STM-4
zu LANs
STM-64
ADM
34 Mbit/s GW
Übertragungsnetz
DXC
LAN
OVST
R
ADM
2 Mbit/s 34 Mbit/s
STM-1
34 Mbit/s
Link zu Beispielen: http://www.itm-group.com/SDH.php Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
GW
LAN
zu LANs
Router Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
55
Festverbindungen (Leased Lines) Für besondere Ansprüche nutzt man Festverbindungen: – – – –
Zur Zusammenschaltung von Rechnernetzen zwischen Standorten Zur Zusammenschaltung von Privaten Netzen zu Corporate Networks Zur Realisierung privater Netze mit hoher Verfügbarkeit und Sicherheit Zur direkten Verbindung zwischen zwei Endeinrichtungen.
Festverbindungen bieten an: DTAG, DB, Energieversorger, Stadtwerke, … Z. B. Standardfestverbindung der Telekom (Preise nicht aktuell): Leased Line
Geschwindigkeit
Preis (zzgl. Mwst.)
Analog
Analog/Modem
monatlich ab 26,60 Euro1
Digital 64S
64 kbit/s
monatlich ab 73,60 Euro1
Digital 64S2
2 x 64kbit/s
monatlich ab 81,60 Euro1
Digital 2MS
1,984 Mbit/s
monatlich ab 272,00 Euro1
Digital 2MU
2,048 Mbit/s
monatlich ab 272,00 Euro
T2MS
1,984 Mbit/s, 31 ISDN-B-Kanäle)
monatlich ab 272,00 Euro1
SFV Digital 34M
34 Mbit/s
monatlich ab 804,00 Euro1
SFV Digital 155M
155 Mbit/s
monatlich ab 1072,00 Euro1
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
56
Das Fernsprechnetz: Merkmale Entwicklung der Fernsprechnetze: – – – –
ab 1880: Handvermittlungen, ab 1900: elektromechanische Vermittlungssysteme (direkte Steuerung), ab 1950: internationaler Selbstwählfernverkehr ab 1965: Softwaregesteuerte Vermittlungssysteme (indirekte Steuerung),
Anschlussarten: – bis 1988: analoge Anschlüsse über CuDA – ab 1988: auch digitale Anschlüsse (ISDN)
Teleservices: – Fernsprechen – TeleFaksimile (ab 1975 Entwicklung zum Massendienst) – Datenübertragung zwischen Computern oder zu Dial-Up-Servern.
Bearerservices
– analog, kanalvermittelt (circuit-switched), typische Bandbreite 0,3 bis 3,4 kHz, – digital, kanalvermittelt (circuit-switched), Nutzkanal 64 kbit/s, Signalgabe 16 kbit/s. – digital, paketvermittelt (packet switched), wird kaum genutzt. Bezeichnungen: POTS (public old telephony service), PSTN (public switched telephony network), ISDN (integrated services digital network).
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
57
Das Fernsprechnetz: klassische Sicht Prinzip
Datenübertragung, TeleFax
Modem TAE
ZVSt
analoge a/bAnschlüsse
TeleFax
Telefonie
2 5
7
8 0
Video-Telefonie
ISDNanschluss NTBA
Telefonie
Nutzer-Netz-Signalgabe
EE
Endeinrichtung
TeleFax
Übertragungsmedium
TAE
ZVST ZVSt
FVSt
OVSt P
zu AVSt'n anderer Länder
AVSt
analoge Anschlüsse
FVSt
2 5
P
NETZ
ISDNanschluss
Ende-zu-Ende-Nutzkanal 0,3 bis 3,4 kHz
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Telefonie
NTBA
AVSt Auslandsvermittlungsstelle FVSt Fernvermittlungsstelle OVSt Ortsvermittlungsstelle NTBA network terminator basic access TAE Telnehmeranschlußeinrichtung ZVSt Zentralvermittlungsstelle
netzinterne Signalgabe
8 0
Datenübertragung, TeleFax
OVSt
nationales
7
Telefonie
Nutzer-Netz-Signalgabe Übertragungsmedium
TE
Terminal Equipment
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
58
Das Fernsprechnetz: Nutz- und Signalgabesicht OVSt A/D a/b-Telefon
A/D
S0-Bus
ISDN-Telefone
FVSt
OVSt
Nutzkanäle n*64 kbit/s
Nutzkanäle n*64 kbit/s
D/A a/b-Telefon
D/A
CuDAn
CuDAn
NT
NT
Steuerung
Steuerung
S0-Bus
ISDN-Telefone
Steuerung
Signalgabekanäle
Signalgabenetz
IN
Das Fernsprechnetz entsteht aus der Zusammenschaltung von Ortsvermitt-lungen (OVSt) über Fernvermittlungen (FVSt). Die Zusammenschaltung erfolgt über 64-kbit/s-Nutzkanäle. Zum Austausch von netzweiten Verbindungsinformationen nutzen alle Vermittlungen ein spezialisiertes Signalgabenetz (CCITT-No.7). Eine Kommunikationsbeziehung hat drei Phasen: Verbindungsaufbau per Signalgabe: o das Netz routet einen Weg und schaltet im Erfolgsfall o eine Duplexverbindung zwischen A- und B-Teilnehmer.
Nutzung dieser 64-kbit/s-Verbindung (cs, circuit switched) Verbindungsabbau über Signalgabe Auslösen der Duplexverbindung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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59
Das Fernsprechnetz: Architektursicht zu Gateway-VSt anderer Netzbetreiber
UNI Netzabschluss
Endgeräte
TAE
Cu-DA
TAE
MUX/DMUX
P
Konzentrator
8 0
NTBA
LWL
GVSt
SDH, PDH
Endverkehr
FVSt
Übergangsverkehr
Endverkehr
Richtfunk
UNI Endgeräte
OVSt
2 5
7
OVSt
Zugangsnetz Kernnetz
NNI
zu AVSt'n anderer Länder
Durchgangsverkehr
Zugangsnetz Cu-DA
TAE
MUX/DMUX
TAE 2 5
Konzentrator
LWL
P
7
8 0
NTBA
Richtfunk
Das Kernnetz wird durch Vermittlungen (switches) gebildet. Diese stellen Teilnehmersätze (ports) für analoge und digitale Anschlüsse bereit. Im Zugangsnetz dominieren Cu-DA'n. Manche Teilnehmer sind über MUX/DMUX bzw. Konzentratoren angeschlossen diese haben keine durchgängige Cu-DA zur OVSt DSL-Versorgung schlecht möglich.
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60
Das Fernsprechnetz: Funktionssicht
Verbindungsabbau
Nutzung
Verbindungsaufbau
a/b-Telefon
Hörer ab, Wahl
ISDN-Telefon
OVSt
Signalgabe: Aktiv, Wahl Signalgabe: SETUP Wahl,
Wegesuche
Hörer ab
Signalgabe: CONNECT
analoger Nutzkanal 3,1 kHz
Kanal schalten
A/D A/D
A/D
digitale Nutzkanäle 64 kb/s A/D
Signalgabe: Passiv Hörer auflegen Signalgabe: DISCON Hörer auflegen Signalgabe: RELEASE Signalgabe: REL_COM
Kanal trennen
FVSt Signalgabe: SETUP
Signalgabe: CONNECT
Wegesuche
Kanal schalten
Signalgabe: SETUP
Signalgabe: CONNECT
digitale Nutzkanäle 64 kb/s
digitale Nutzkanäle 64 kb/s
digitale Nutzkanäle 64 kb/s
digitale Nutzkanäle 64 kb/s
Signalgabe: DISCON
Kanal trennen
Signalgabe: RELEASE
ISDN-Telefon
OVSt
Signalgabe: DISCON Signalgabe: RELEASE
a/b-Telefon
Signalgabe: Ruf
Wegesuche
es klingelt
Signalgabe: SETUP es klingelt
Signalgabe: Aktiv Hörer wird Signalgabe: abgenommen Hörer wird CONNECT abgenommen
Kanal schalten
D/A D/A
analoger Nutzkanal 3,1 kHz D/A digitale Nutzkanäle 64 kb/s D/A
Kanal trennen
Signalgabe: Besetzt Signalgabe: DISCON
Besetztzeichen
Signalgabe: Passiv Signalgabe: Hörer wird aufgelegt RELEASE Signalgabe: REL_COM
Besetztzeichen Hörer wird aufgelegt
Die analogen Sprachsignale werden Pulse-Code-moduliert (PCM): – beim a/b-Anschluss in der OVSt, – beim ISDN-Anschluss im ISDN-Telefon.
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Das Fernsprechnetz: Adressierung Jeder Fernsprechteilnehmer bekommt eine weltweit einmalige Rufnummer. Der Rufnummernaufbau wurde durch die ITU (international telecommunication union) standardisiert (ITU-Standards E.163, E.164). Diese kann max. 12- oder 15-stellig sein. max. Stellen
country code (cc)
national destination code (ndc)
subscriber number (sn)
E.163
12
1...3
2...5
9...4
E.164
15
1...3
2...5
12...7
E-163Beispiele
12 11 8
+49 +49 +49
30 371 3727
44 83 12 92 72 44 66 58-12901)
Standard
1) Beachte:1290
gehört nicht zum internationalen Rufnummernteil
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62
Das Fernsprechnetz: Adressierung Durch unterschiedliche Teillänge, kann man den Nummerierungsplan gut an den Bedarf anpassen, z.B bei E.164: USA: 1-stelliger CC, damit verbleiben 1014 Möglichkeiten für nationale Rufnummer. DE, Berlin: +49 30, damit 1011 Teilnehmernummer im Ortsnetz möglich.
DE, Mittweida: +49 3727, damit 109 Teilnehmer im Ortsnetz möglich.
Ortsgespräche beginnen mit 2, 3, …, 9. Ferngespräche beginnen mit 0 (auch Verkehrsausscheidungsziffer genannt). Gespräche in andere Netze beginnen mit 01.. Auslandsgespräche beginnen mit 00
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63
Das Fernsprechnetz: Adressierung In DE geht aus der 1. Ziffer des NDS der Zentralvermittlungsbereich hervor:
0 Auslandsvermittlungsstelle 2 Düsseldorf 3 Berlin 4 Hamburg 5 Hannover 6 Frankfurt 7 Stuttgart 8 München 9 Nürnberg
Abbildung aus Wikipedia
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64
Das Fernsprechnetz: Dienste am analogen a/b-Anschluss a-Ader
-
57 V
+
b-Ader
Telefonie 2 5
P
7
8 0
•mit Impulswahl oder Tonwahl •Sprachbandbreite 3,1 kHz (0,3-3,4 kHz)
Telefax •mit Impulswahl oder Tonwahl •pro Zeile 1728 Pixel •pro mm 3,5|7 Zeilen •Übertragung der Pixel mit 2400|4800|7200|9600| 14400|usw. bit/s
CuDA:
die beiden Adern werden mit a/b bezeichnet (engl.: tip/ring)
Analoger Teil des Fernsprechnetzes
•Internetzugang •zu Fernsprechnetzen •zu Funknetzen •Telemetrie
Programme für: •Datenkommunikation •Fax •Internetzugang
•mit Impulswahl oder Tonwahl •Datenübertragungsraten von 300 bit/s bis 33 000 bit/s sind derzeit möglich •Fehlersicherungsverfahren und Datenkompression erlauben Nutzraten bis 50 kbit/s
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Das Fernsprechnetz: Dienste am ISDN-Anschluss a-Ader
-
98 V
+
b-Ader
Video-Telefonie
ISDN-Fernsprechen Bandbreite: 3,1 | 7 kHz
NTBA
Basisanschluss mit: 2*64 kbit/s 1*16 kbit/s über 1 CuDA
TA a/b
2 5
P
7
8 0
Datenübertragung
•ISDN-S0-Bus: < 100m •bis 8 Endgeräte anschließbar •max. 3 in Betrieb
mit 64 oder 128 kbit/s. Bei Datenkompression noch höhere Rate.
SchmalbandISDN
•Internetzugang •zu Fernsprechnetzen •zu Funknetzen •Telemetrie
ISDN-Fax:
300 | 400 Pixel/Zoll, Übertragungsdauer A4-Seite ca. 1 sec.
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Das Fernsprechnetz: Dienste am ISDN/DSL-Anschluss ISDN-Fernsprechen
Datenübertragung
Bandbreite: 3,1 | 7 kHz
mit 64 oder 128 kbit/s. Bei Datenkompression noch höhere Rate.
Basisanschluss mit: 2*64 kbit/s (B-Kanäle) 1*16 kbit/s (D-Kanal)
NTBA
OVSt
ISDN-S0-Bus
Fernsprechnetz
ISDN-Port
Splitter/ Vereiniger
TAE
gemeinsam genutzte CuDA
DSL-Port
DSLModem
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DSL-Anschluss mit:
Upload: 128 | 192 | 256 | … Download: 768 | 1024 | 1536 | …
DSLAM
Voice over IP
Router
WWW, E-Mail, FTP, …
Splitter/ Vereiniger
Internet
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67
Das Fernsprechnetz: Architektur bei DSL Endgeräte
NNI
UNI
Kernnetz
circuit-switched
UNI GVSt
Übergangsverkehr
gemeinsam genutzte CuDA im
SDH, PDH
FVSt
CuDA
Kernnetz
Splitter/ Vereinger
ERouter
Splitter/ Vereinger
Router
SDH, PDH
GRouter
NNI
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DSLAM
DSLAM
packet-switched
Endgeräte
CuDA
ERouter
DSLMODEM
OVSt
TAE NTBA
TAE
Zugangsnetz
OVSt
Zugangsnetz
gemeinsam genutzte CuDA im
DSLMODEM
Übergangsverkehr
z.B. zum Internet Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
68
Funknetze - Übersicht Funknetze sind vor 55 Jahren eingeführt worden. Heute hat jeder Einwohner in DE statistisch 1,4 Mobilendgeräte mit Sättigungstendenz seit 2008.
Mobilendgeräte sind in der Regel Multifunktionsgeräte. Nutzung erfolgt in allen Lebenslagen: – – – – –
Telefonie, SMS, Internetzugang, Musik hören, spielen, …
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69
Funknetze: Generationen Generation
Bezeichnung
Übertragung
Multiple Access Downlink
Duplex
Digitale Bandbreite Downlink
Jahr
1G
A-, B-, C-Netz
analog, cs
FDMA
FDD
-
1958
2G
GSM
digital, cs
FDMA+TDMA
FDD
9,6 kBit/s
1992
HSCSD
digital, cs
"
"
57,6 kBit/s
1999
GPRS
digital, ps
"
"
115,2 kBit/s 2001
2.75G
EDGE
digital, ps
"
"
236 kBit/s
2003
3G
UMTS
digital, ps
FDMA+CDMA
FDD, TDD
384 kBit/s
2004
3.5G
HSPA
digital, ps
"
"
14,4 MBit/s
2006
3.9G
LTE
digital, ps
FDMA+OFDMA
FDD
150 MBit/s
2011
4G
LTE Advanced
digital, ps
"
"
2.5G
GSM HSCSD GPRS EDGE UMTS HSPA LTE
Global System for Mobil communication High Speed Circuit Switched Data General Packet Radio Service Enhanced Data Rates for GSM Evolution Universal Mobile Telecommunications System High Speed Packet Access Long Term Evolution
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FDD TDD FDMA TDMA OFDMA cs ps
1 GBit/s
Frequency Division Duplex Time Division Duplex Frequency Division Multiple Access Time Division Multiple Access Orthogonal Frequency Division Multiple Access circuit switched packet switched
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
70
Funknetze: Generationen LTE UMTS D1-,D2-,E1-,E2-Netz, 80 Mio. Tln. C-Netz, 800.000 Tln.
B-Netz, 270.000 Teilnehmer A-Netz, 10.500 Teilnehmer 1960
1970
1980
1G 1G 2G 2,5G 2,75G 3G 3,5G 3,9G 4G
1990
2000 2G
2010 3G
3,9G
Analoge kanalvermittelte Funknetze: A-, B-,C-Netz. Pro Trägerpaar (Up- und Downlink) ein Teilnehmer. Digitale kanalvermittelte GSM-Netze: D1, D2, E1, E2. Pro Pro Trägerpaar (Up- und Downlink) typisch acht Teilnehmer. HCSD: cs-Datenübertragung: Bündelung mehrerer 14,4 kbit/s-Kanäle, 4 *14,4=57,6 kbit/s. 8*14,4= 115,2 kbit/s GPRS: ps-Datenübertragung: Bessere Nutzung der Funkressourcen EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): in den Ausprägungen Enhanced CSD und Enhanced GPRS Durch Bündelung von max. 4 Kanälen sind im Downlink etwa 470kbit/s möglich UMTS: durch höhere Trägerbandbreiten (5MHz) Datenraten bis 384 kbit/s HSPA: durch höherwertige Modulationsverfahren (16QAM, 64QAM) und MIMO (Multiple In Multiple Out) Datenraten bis 170 Mbit/s auf dem Downlink und 23 Mbit/s auf dem Uplink. NodeB's müssen aufgerüstet werden und auch die Trägersysteme zum RNC. LTE und LTE-Advanced sind neue Funkstandards, der eine neue Systemarchitektur erfordert. LTE nutzt flexible KanalBandbreiten von 1,25MHz bis 100 MHz. Durch OFDM und MIMO wird eine bessere Bandbreiteneffizienz erreicht. Datenraten auf dem Downlink von 100 Mbit/s bis 1 Gbit/s sollen möglich sein.
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71
Funknetze: Adressierung
Jeder Funknetzteilnehmer hat eine weltweit einheitliche Adresse nach E.164. Diese ist max. 15-stellig. Der generelle Aufbau ist wie im Fernsprechnetz. In DE beginnen alle Funkrufnummern mit (0) 14.. bis (0) 17… Die Festlegungen erfolgen durch http://www.bundesnetzagentur.de
BEISPIELE: (0)14 frei Reserve *)
(0)15 Mobilfunk (GSM und UMTS/IMT-2000):
(0)17*) Mobilfunk (GSM und UMTS/IMT2000):
(0)1505 Group3G (Quam) (0)1511, (0)1515: T-Mobile (0)1520 Vodafone (0)1566 MobilCom (0)1570, (0)1577: E-Plus Mobilfunk GmbH & Co. KG
(0)170, (0)171: T-Mobile (0)172, (0)173, (0)174: Vodafone (0)175 T-Mobile (0)176 O2 (Germany) (0)177, (0)178: E-Plus Mobilfunk (0)179 O2 (Germany)
(0)16*) Mobilfunk:
(0)167 Bündelfunknetze:
(0)160 T-Mobile (0)161, (0)165 frei Reserve (0)162 Vodafone (0)163 E-Plus Mobilfunk
(0)1672 Dolphin Telecom (Deutschland) (0)168 e*message (Funkruf) (0)169 e*message (Funkruf)
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72
GSM-Funknetz: Merkmale
GSM-900-Funknetze, D1, D2 124 Trägerpaare für Up- Download im Abstand von 45 MHz und je 200 kHz Bandbreite D1, D2 nutzen je 62 disjunkte Frequenzpaare 8 Zeitschlitze pro Träger mit 13/14,4 kbit/s Sendeleistung 2 bis 10 W Funkzellenradius bis 35 km
BTS-BSC-MSC
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze 900 MHz-Bereich D1, D2
BTS-BSC-MSC
GSM-1800-Funknetze, E1, E2 372 Trägerpaare für Up- Download im Abstand von 95 MHz und je 200 kHz Bandbreite E1, E2 nutzen je 186 disjunkte Frequenzpaare 8 Zeitschlitze pro Träger mit je 13/14,4 kbit/s Sendeleistung 0,25 bis 1 W Funkzellenradius bis 8 km
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze 1800 MHz-Bereich E1, E2
BTS-BSC-MSC
Nutzer-Netz-Signalgabe
EE
Nutzer-Netz-Signalgabe
Ende-zu-Ende-Nutzkanal 14.4 kbit/s
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
TE
73
GSM-Funknetz: Teleservices und -cs-Bearerservices Teleservices: – Funktelefonie, 0,3 bis 3,4 kHz Sprachbandbreite – Short Message Service - SMS – Internetzugang über Dial-Up-Server – Wireless Application Protocol – WAP BTS-BSC-MSC
cs-Bearer Services: – Circuit Switched Speech (13 kbit/s) – Circuit Switched Data (14,4 kbit/s) – High Speed CSD (bis 57,6 kbit/s)
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze
900/1800 MHz-Bereich BTS-BSC-MSC
• durch Nutzung mehrerer Slots (Zeitlagen ) pro Träger • max. kann man 4 Zeitlagen nutzen, da Mobils nicht gleichzeitig senden und empfangen können. • 4*14,4 kbps = 57,6 kbps • Sende- und Empfangszeitlage liegen 4 Slots auseinander
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
74
GSM-Funknetz: Architektur, cs-Teil
Fernsprechnetze, andere Funknetze
Internet
GVSt
Dial-Up
UNI MS
Zugangsnetz BTS BSC
MS
BTS
GSMKernnetz,cs
GMSC VLR
Übertragungsnetz
BSC BTS
MS
BSC
BTS
BTS
HLR
Authentication Center Base Station Controller Base Transceiver Station Equipment Identification Register
BTS
MSC
BSC
AuC BSC BTS EIR
MS
Zugangsnetz
VLR MSC
UNI
Server
NNI
GMSC HLR MS
AuC
EIR
SMS-C
Gateway Mobile Service Center Home Location Register Mobile Station
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MSC SMS-C VLR
Mobile Switching Center Short Message Service-Center Visitor Location Register
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
75
GSM-Funknetz: Zugriffsverfahren: FDD und TDMA
Duplex werden durch FDD (frequency division duplex) und Mehrfachzugriff durch FDMA/TDMA (frequency and time division multiple access) realisiert. 890 MHz f1
915 935 MHz MHz
Uplink-Band, 25 MHz f2
f3
f4
f5
f120 f121 f122 f123 f124
f1
Downlink-Band, 25 MHz f2
f3
f4
f5
960 MHz
f120 f121 f122 f123 f124
A 0
1 4 7 *
1 2 3
0 1 2 3
1 4 7 *
5 7
3 6 9 #
B
4 6
2 5 8 0
2 5 8 0
3 6 9 #
4
5
6
C
7 1 4 7 *
2 5 8 0
3 6 9 #
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die Sende- und Empfangszeitlage liegen 4 Zeitschlitze auseinander Hier beispielsweis: – – –
A sendet in Slot 0 und empfängt in Slot: mod8(0+4) = 4 B sendet in Slot 1 und empfängt in Slot: mod8(1+4) = 5 C sendet in Slot 4 und empfängt in Slot: mod8(4+4) = 0
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
76
GSM-Funknetz: Frequenzplanung
Wie bereits erwähnt, werden pro GSM-Trägerfrequenzpaar 8 Zeitschlitze gebildet. Pro Trägerpaar können damit maximal 8 Teilnehmer telefonieren. Soll der Versorgungsgrad höher sein: – muss man mehrere disjunkte Trägerpaare anbieten, Sektorantennen einsetzen – oder die Zellen kleiner machen.
Wo ein Träger ist, sollte kein weiterer gleicher sein. Funknetze werden deshalb genau geplant. In den Berechnungsmodellen werden Oberfläche, Bebauung usw. berücksichtigt. 5*8= 40 Slots in Bsp.-Fläche
2
7
1
6
5
3 4
z.B. 7 Site Cluster
7
2
6
7
3
1 6
4 5
2 1 5
2 7
3 4 2 7
3 1
6
3 1
6 4
2*8=16 Slots in Bsp.-Fläche
4 5
5 Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
77
GSM-Funknetz: Architektur im Zugangsnetz
BTS (base transceiver station) +Antennen bilden den Netzabschluss. BSC's (base station controller) sind an die MSC angeschaltete Konzentratoren und versorgen die BTS. Stehen BTS JWD, werden sie per Richtfunk verbunden (ansonsten über Cu-DA oder LWL). In allen Geräten sind Notstromeinrichtungen enthalten.
BTS
Richtfunk
Richtfunk
Cu-DA
Cu-DA
Koax
Koax
LWL
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BSC
LWL
MSC
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
78
GSM-Funknetz: Netz-Komponenten
Antennen – links oben für GSM 900 – oben vorn GSM 1800 und UMTS – unten Richtfunkantennen
Blick in ein MSC
BTS in einem Blechgehäuse für Außeninstallation
Weitere Bilder: http://www.nobbi.com/gallery_tf.ht m Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
79
GSM-Funknetz: mit GPRS-Erweiterung 2,5G GSM-900/1800-Funknetze, D1, D2, E1, E2 – werden um ein Paketvermittlungskernnetz erweitert siehe Folie. – Auf Trägerpaaren wird ein Slot oder mehrere gebündelten Slots für Paketdatenübertragung angeboten. – Dies geht aus dem Funkfeuer hervor, was auf jedem Träger zyklisch gesendet wird.
BTS-BSC-MSC
MSC-BSC-BTS
GSM-Funknetze
900/1800 MHz-Bereich D1, D2 E1, E2
BTS-BSC-MSC
2,5G-Netze bestehen damit intern aus zwei Netzen cs-Netz ps-Netz.
Nutzer-Netz-Signalgabe
Nutzer-Netz-Signalgabe
Circuit switched 13/14.4 kbit/s
EE
Nutzer-Netz-Signalgabe
DEE
TE
Nutzer-Netz-Signalgabe
Packet switched
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
DTE
80
GSM-Funknetz: Merkmale von GPRS GPRS erfordern Hard- und Softwareerweiterungen in den Mobils. Mehrere Teilnehmer nutzen den gleichen Kanal (die gleichen Kanäle). Wird z.B. nur ein Slot für GPRS genutzt Datenrate von 14,4 kbit/s SendewilligeTeilnehmer Request an Funknetz. Funknetz erteilt Teilnehmern nacheinander die Sendeerlaubnis (Multiple Access). Funkressourcen werden besser genutzt Problem:QOS. UplinkFrequenz
1 2
A 1 4 7 *
2 5 8 0
6
1 4 7 *
2 5 8 0
3 6 9 #
7
8
2 5 8 0
3 6 9 #
1
A
C ungenut zt
B
3
Responses vom Server
4 5
5
B
A
C
6
C 1 4 7 *
Requests zum Server
2
B
4 5
1
3 6 9 #
3
DownlinkFrequenz
7
8
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
81
GSM-Funknetz: 2,5-GSM-Architektur, cs- und ps-Teil andere Funknetze
Internet
GVSt
Dial-Up
Server
NNI
UNI
UNI
GSM-
Zugangsnetz
Kernnetz,cs GMSC VLR
MS BTS BSC BTS
MSC
VLR
BTS
Übertragungsnetz
MSC
BTS
HLR
AuC
SGSN
Übertragungsnetz
SMS-C
GGSN GGSN PCU SGSN
Gateway GPRS Serving Node Packet Control Unit Serving GPRS Support Node
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SGSN
PCU
MS
BSC
EIR
BSC BTS
BSC
PCU
MS
MS
Zugangsnetz
PCU
BTS
BSC BTS
GPRSKernnetz, ps NNI
Router
Internet
Server Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
82
Funknetze: 3GPP - 3rd Generation Partnership Project 3GPP: Vereinigung von Standardisierungsgremien ARIB (Japan), CCSA (China), TTA (Korea), atis (USA), ETSI (Europa), TTC (Japan) Ziel: weltweit gültige Funknetzstandards. Rel 99 1999
3G
UMTS
Rel 5 2002
Rel 6 2004
HSDPA
HSUPA
HSUPA HSPA evolution LTE LTE Advanced
Rel 8 2008
Rel 9 1999
Rel 10 2011
Rel 11 2012
HSPA evolution LTE-R8
4G UMTS HSDPA
Rel 7 2007
LTE-R9 LTE Advanced
CDMA, Trägerbandbreiten von 5MHz, erlauben Datenraten bis 384 kbit/s High Speed Download Packet Access, Kanalqualität bestimmt Modulation (QPSK…64QAM) und Kodierung (CDMA+TDMA), QPSK … 16-QAM erlauben DL-Datenraten bis 14,4 Mbit/s High Speed Upload Packet Access, UL-Datenraten bis 5,76 Mbit/s durch höherwertige Modulationsverfahren (16-QAM..64-QAM) und MIMO (Multiple In Multiple Out) Datenraten bis 170 Mbit/s auf dem Downlink und 23 Mbit/s auf dem Uplink. NodeB's müssen aufgerüstet werden und auch die Trägersysteme zum RNC. ist neuer Funkstandards, der eine neue Systemarchitektur erfordert. LTE nutzt flexible Kanal-Bandbreiten von 1,25MHz bis 20 MHz. Durch OFDM und MIMO wird eine bessere Bandbreiteneffizienz erreicht. DL-Datenraten bis 300 Mbit/s Bandbreiten-Aggregation bis zu 100 MHz, bis zu 8x8 MIMO, DL-Datenraten bis zu 1 Gbit/s
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Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
83
UMTS-Funknetz: Merkmale 3G
UMTS-Funknetze, als völlig eigenständige Netze gibt es (i.d.R.) nicht. UMTS ist eine Zugangsnetztechnologie, die die für GSM geschaffenen Kernnetze nutzt. Unterschiede GSM und UMTS: GSM
UMTS
Frequenzbereiche
900/1800 MHz
2000 MHz
Träger
124/372*FDD
12*FDD/5*TDD
Bandbreite
200 kHz
5 MHz
Duplex
FDD
FDD/TDD
Multiple Access
FDMA+ TDMA
FDMA + CDMA
CDMA FD
GSM-MS BTS-BSC-MSC
GSM-Funknetze
900/1800 MHz-Bereich D1, D2 E1, E2 NodeB-RNCMSC/SGSN
UMTS-MS
code division multiple access, Stationen codieren Bits mit orthogonalen Codes, mehrere Stationen senden zur gleiche Zeit im gleichen Band. frequency division, mehrere disjunkte Träger
FDD
frequency division duplex, Up- und Downlink über extra Träger
TDD
time division duplex, eine Trägerfrequenz wir zeitlich abwechselnd für Up- und Downlink verwendet. Nur in kleinen Zellen anwendbar gute Frequenznutzung.
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84
UMTS-Funknetz: Funkzellentypen
Pikozelle
50 m, 10 km/h, bis 2 Mbit/s, TDD time division duplex
500 m, 120 km/h, bis 384 kbit/s, FDD frequency division duplex
Mikrozelle 2000 m, 500 km/h, bis 144 kbit/s, FDD
Makrozelle
Zellen können sich überlagern. Alle können gleiches Frequenzband nutzen. Unterscheidung durch Code Division Multiple Access (CDMA): – im Spreizcode sind enthalten: Betreiber-, Zellen-, und Teilnehmerkennung. – Pro Bit bis 200-fache Spreizung. Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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85
UMTS-Funknetz: Architektur NNI Zugangsnetz
BTS
GSMKernnetz,cs
Zugangsnetz
GMSC
VLR
VLR
BSC BTS
PCU
MSC
Übertragungsnetz
BTS BSC BTS
MSC
GSM-MS
GSM-MS
BSC
Node B
EIR
Übertragungsnetz
SMS-C
PCU
BTS
PCU
UMTS-MS
Node B
AuC
SGSN
BTS
HLR
SGSN
BSC
RNC
RNC GPRSKernnetz, ps
Node B
GGSN
UTRAN NNI
Router
UMTS-Basisstation Radio Network Controller
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network
Node B Node B
UTRAN
Node B RNC
Node B
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UMTS-MS
Internet
Server
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86
UMTS-Funknetz: Komponenten des Zugangsnetzes
Die Node B-860 unterstützt z.B.: 2 Träger und 3 Sektoren mit einer Ausgangsleistung von bis zu 40 W pro Träger. Verfügbar ist eine Kapazität von 384 Sprachkanälen und 16 E1-Leitungen.
Radio network controller - RNC hohe Anrufverarbeitungskapazität für paketorientierten (PO) und leitungsvermittelten (CS) Verkehr hervorragender PO- + CS-Durchsatz Konnektivität für bis zu 512 Node B
zum cs-/ps-Kernnetz (Switches, Routers)
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UMTS-Funknetz: HSPA-Erweiterung 3,5G HSPA = HSDPA + HSUPA HSPA stellt höhere Datenraten gegenüber UMTS (384 kbit/s) bereit. Derzeit, abhängig vom Netzbetreiber, bis zu: – 14,4 Mbit/s Downlink, – 5,76 Mbit/s Uplink.
Das wird insbesondere erreicht durch: – – – –
64-QAM im Downlink (Modulationsverfahren) 16-QAM im Uplink (Modulationsverfahren) Dual-Carrier (Kanalbündelung) MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Durch höherwertige Modulationsverfahren wird Frequenzspektrum besser ausgenutzt höhere Geschwindigkeiten. Endgeräte müssen nicht alle Techniken unterstützen. Endgeräte melden ihre Fähigkeiten durch eine Gerätekategorie bei der Basisstation an. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1402201.htm, 11.07.2013
HSPA HSDPA HSUPA
High Speed Packet Access ist der Sammelbegriff für HSDPA+HSUPA High Speed Downlink Packet Access High Speed Uplink Packet Access
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UMTS-Funknetz: HSPA-Erweiterung
Dual-Carrier: – Erhöhung der Datenrate durch Zusammenfassung von zwei 5-MHz-Kanälen. – Damit zwei Carrier zusammengefasst werden können, müssen die Zellen von zwei Basisstationen (Node B) versorgt werden. – Die Carrier müssen im Funkspektrum direkt nebeneinander liegen. – Eine solche Situation findet man oft an den Randbereichen von Zellen. Um Funklöcher zu vermeiden, überlappen sich nebeneinanderliegenden Zellen und werden somit von mehreren Basisstationen versorgt. – Während bisher an Zellenrändern eher mäßiger bis schlechter Empfang herrscht, kann durch die Dual-Carrier-Technik die Situation verbessert werden.
MIMO - Multiple Input Multiple Output: – Mehrere Antennen liefern ein besseres Empfangssignal, vergrößern die mögliche Distanz oder erhöhen den Datendurchsatz. – MIMO bedeutet, dass sich mindestens zwei Antennen in der Basisstation und in den Endgeräten befinden müssen. Das kann zu einer Verdoppelung der Datenrate führen. – MIMO ist bei HSPA+ nur für die Empfangsrichtung (Downlink) ausgelegt. Also von der Basisstation zu den Teilnehmern. In Senderichtung nutzt das Endgerät nur eine der beiden Antennen. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1402201.htm, 11.7.2013
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UMTS-Funknetz: HSPA-Architektur Netzarchitektur I-HSPA von Nokia: Reduzierung des netzinternen Datenverkehrs durch flache Netzarchitektur. Die Node B (Basisstationen) werden direkt an die GGSN angeschlossen. Der Umweg über RNC und SGSN entfällt. Dadurch entstehen kürzere Latenzzeiten. NodeB und RNC oft von einem Hersteller und SGSN/GGSN von anderen Hersteller. Neues Interface NodeB/GGSN neues Problem.
HLR
SGSN
Node B
RNC
SMS-C
GPRSKernnetz, ps
UTRAN Node B
EIR
UTRAN
Übertragungsnetz
SGSN
UMTSMS
AuC
Node B
RNC
Node B Node B Node B
GGSN
UMTS-MS NNI
Router
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Internet
Server Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
90
LTE-Funknetze: Long Term Evolution 3,9G LTE (langfristige Entwicklung): Worthülse ohne technische Bedeutung – weltweit gültige Mobilfunktechnik, aber keine einheitlichen Frequenzbereiche, – wird kurzfristig GSM-, UMTS- und HSPA-Mobilfunknetze nicht ersetzen, sondern um ein IP-basiertes Netz ergänzen. – soll auch letzte Meile funktechnisch überbrücken (ländliche Gebiete) und damit Kabelmodemtechnik und DSL ergänzen.
LTE ist eine Weiterentwicklung der UMTS-Technologie: – Standardisiert durch 3GPP1)-Spezifikationen, Release 8 und folgende – Liste aller TR2) und TS3) enthält 3GPP TS 21.101 V8.4.0 (2012-03)
LTE-Systemsicht
Services LTE-Dienste: SMS, Voice over IP, Netzübergänge, … EPC (Envolved Packet Core) LTE-Kernnetz: Router E-UTRAN (Envolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) LTE-Zugangsnetz: eNodeB UE (User Equipment) LTE-Endgeräte: Smartphone, Tablet, Laptop
IP-basierte Kommunikation
1) 3GPP - 3rd Generation Partnership Project, www.3GPP.org 2) TS – Technical Report 3) TS – Technical Specification Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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LTE-Funknetze: Merkmale1) Höhere DL-Datenraten
Bis 300 Mbps durch OFDM MIMO (bis 4x4) und SDMA
Höhere UL-Datenraten
Bis 80 Mbps
Flexible Netzabdeckung
Zellgrößen: Indoor (x*10m), Urbane (x*100m), Suburban (x*500m), Rural (x*1000m)
Verbesserungen an den Zellrändern Flexible Kanalbandbreiten
Downlink: 1.4, 3, 5 , 10, 15, 20 MHz
Geringere Latenzzeiten
Vom Mobil bis zum Festnetz unter 5 ms
Unterstützung von FDD und TDD
Unterschiedliche Duplexbetriebsarten
Integration von MIMO
Bis 4x4-MIMO
Mobilität
Datenrate = f(Mobilität), bis 300 km/h, optimiert für 0..15 km/h
Skalierbare QOS
Dienstgerechter Datendurchsatz und Latenzzeiten
Einfachere Netzarchitektur
Weniger Netzelemente
Geringer Energieverbrauch
Insbesondere für Mobils
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LTE-Funknetze: Merkmale Spektrale Effizienz DL, Zellendurchschnitt
2,5
2,5 2 1,4
1,5 1,1
1
0,72 0,48
0,5 0,03
0,09
bps/Hz
0,2
0
Modulationsverfahren: 64-QAM, 16-QAM, QPSK
QPSK
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16 QAM
LTE-Basisstation
64 QAM
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LTE-Funknetze: Zugriffsverfahren OFDMA, SC-FDMA OFDM+TDMA 15 KHz
OFDMA
orthogonale Subträger
15 KHz
orthogonale Subträger
f
t
SC-FDMA 15 KHz orthogonale Subträger
f
f
t
Bisher wurde bei OFDM die Ressourcenzuteilung auf die Nutzer per TDMA geregelt.
t
Bei OFDMA erfolgt die Ressourcenzuteilung auf die Nutzer im Zeit- und Frequenzbereich. Reaktionszeit 1ms.
Bei SC-FDMA erfolgt die Ressourcenzuteilung auf die Nutzer im Zeitbereich, zugeteilt durch die Basisstation.
Nutzer 1, 2, 3 Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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LTE-Funknetze: Mehrantennensysteme1) - MIMO
LTE wird neben OFDM durch Mehrantennensysteme geprägt. Baugleiche Antennen, angesteuert über intelligente Signalverarbeitungsalgorithmen, haben eine wesentliche Verbesserung der Sende- und Empfangseigenschaften zur Folge: – wodurch der Signal-Rauschabstandes größer wird, – was höhere Datenraten oder höhere Reichweiten erlaubt.
Sender
SISO
Empfänger
Mehrantennensysteme werden aus Sicht der Empfangsseite klassifiziert: – SISO (Single Input, Single Output):
Empfänger Sender
SIMO
Empfänger
ein Sendesignal hat ein Empfangssignal zur Folge.
– SIMO (Single Input, Multiple Output) : ein Sendesignal hat zwei Empfangssignale zur Folge.
Sender Sender
MISO
– MISO (Multiple Input, Single Output) : zwei Sendesignale haben ein Empfangssignal zur Folge.
– MIMO (Multiple Input, Multiple Output):
Sender Sender
Empfänger
Empfänger
MIMO
Empfänger
zwei Sendesignale haben zwei Empfangssignale zur Folge.
1) Jörg Rech: Wireless LANs, Heise 2008 Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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95
LTE-Funknetze: Mehrantennensysteme1)
3 Hauptverfahren: Diversity, Combining, Spatial Multiplexing SIMO-Anwendung Switched-AntennaBewerter Diversity2)-Verfahren: – Beim Empfang der Präambel entscheidet der Bewerter, welches Antennensignal genutzt wird.
Senke SIMO-Anwendung Maximal-Ratio-Combining-Verfahren: – Die Empfangssignale werden technisch aufwändig kombiniert, wodurch aber die Empfangsleistung deutlich erhöht wird – und gleichzeitig Interferenzen durch eine Mehrwegeausbreitung unterdrückt werden.
MIMO-Anwendung – Aufteilung des Datenstromes auf mehrere Sendersysteme - Spatial Multiplexing. – Auf der Empfängerseite werden die überlagerten Signale separiert und die einzelnen Datenströme wieder zusammengefügt. – Verfahren erfordern Aufwand: n-Sende-/n-Empfangssysteme, leistungsfähige Signalverarbeitung und damit hohen Energiebedarf. 1) Jörg Rech: Wireless LANs, Heise 2008 2) Vielfalt Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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96
LTE-Funknetze: Frequenzen International wurden im Bereich von 800 MHz bis 2700 MHz 44 LTE-Bänder ausgewiesen. Typisch: – Europa: 800 MHz, 1.8 und 2.6 GHz – Nordamerika: vorrangig 700, 1700, 1900 und 2100 MHz – Asien: 850 MHz, 1.8 GHZ, 2.1, 2.3 GHz und 2.5 GHz.
Für internationale Produkte Probleme. Das Euro-IPhone 5 funkt bspws. über die LTE-Frequenzbänder 1 (2100 MHz), 3 (1800 MHz) und 5 (850 MHz). – In AT gibt es derzeit nur LTE Band 7 (2,6 GHz), – In DE kann man damit nicht LTE-800 nutzen (ländliche Gebiete).
Die Zuteilung erfolgt 5-MHz-weise: – für FDD-Nutzung (Frequency division duplex), zwei Träger gleichzeitig, einer für Up- und einer für Download – für TDD-Nutzung (Time division duplex), ein Träger zeitlich nacheinander für Up- und Download
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LTE-Funknetze: Frequenzen in DE Frequenzbereich
Telecom
Vodafone
O2 Telefónica
E-Plus
LTE 800
791-821, 832-862
2*10 MHz FDD
2*10 MHz FDD
2*10 MHz FDD
-
LTE 1800
1710-1858
2*15 MHz FDD
-
-
2*10 MHz FDD
LTE 2600
2500-2570, 2620-2690
2*20 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2*10 MHz FDD
2570- 2620
5 MHz TDD
25 MHz TDD
10 MHz TDD
10 MHz TDD
791 MHz
821 MHz
FDD
832 MHz
862 MHz
FDD
LTE 800 5 MHz 2500 MHz
FDD
2570 MHz
LTE 2600
2620 MHz
FDD
2690 MHz
TDD 5 MHz
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98
LTE-Funknetze: Frequenzen in AT
Frequenzbereich
T-Mobile Austria
LTE 800
791-821, 832-862
Versteigerung erfolgt erst Ende 2013
LTE 2600
2500-2570, 2620-2690
2*20 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2*10 MHz FDD
2*20 MHz FDD
2570- 2620
-
25 MHz TDD
-
25 MHz TDD
2500 MHz
FDD
Mobilcom Austria (A1)
2570 MHz
LTE 2600
Orange Austria
2620 MHz
3
FDD
2690 MHz
TDD 5 MHz
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99
LTE-Funknetze: Architektur1)
SAE-GW
eNode B E-UTRAN HSS IMS MME PCRF PDN-GW SAE-GW S-GW 1)
envolved NodeB
Sende-/ Empfangssysteme mit RNC-Funktionalität (RNC - Radio Network Control )
Envolved UMTS Terrestrial Radio Access Network Home Subscriber Server IP Multimedia Subsystem Management Mobility Entity Policy and Charging Rules Function Packet Data NetworkGateway Service Architecture Evolution- Gateway Serving Gateway
Teilnehmerdatenbasis für LTE-Netz, bei GSM und UMTS war es das HLR Realisierung von Teleservices basierend auf SIP (Session Initiation Protocol) und Gateways zu unterschiedlichen Netzwerken (GSM, ISDN, …). IMS = Nutzerverwaltung, Roaming, Call Control, Gateways für Control- und Using-Plane, Charging … Zuständig für Anmeldung/ Authentifizierung /Lokalisierung. MME nutzt HSS. Endgeräten wird für Nutzdaten ein S-GW zugeteilt Steuerung des PDN-GW: Kommunikationserlaubnis, Datendurchsatz je nach Teleservice (QOS-Sicherung) und Kostenberechnung Übergang zu externen IP-Netzen. Vergibt öffentliche IP-Adresse. Verwaltet Kommunikation eines Teilnehmers zu mehreren Netzen. Besteht aus S-GW und PDN-GW. S-GW ist Router für die IP-Funknetzkommunikation. Router eines Netzgebietes. Bei ankommenden Verbindungen Zwischenspeicher, bis über MME User aktiviert wurde.
Abbildung aus: http://www.ltemobile.de/lte-technik/epc-das-lte-kernnetz/
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100
LTE-Funknetze: Übertragungsnetz, Bearer- und Teleservices Übertragungsnetz: – Bei GSM und UMTS wurden im Anschlussnetz hauptsächlich Primärraten (2.048 Mbps) verwendet. – Aufgrund der hohen Datenraten verwendet man bei LTE Ethernet über LWL
Bearer: – nur noch IP-basiertes ps-cl – kein cs mehr
Teleservices: – Sprache durch Rückfall auf cs-Netze Übergangslösung: • LTE-Endgerät nutzt für Sprache GSM- oder UMTS-Netz
– Sprache durch VoLTE (Voice over LTE): • Sprachübertragung über das IMS (IP Multimedia Subsystem, 3GPP-Spezifikation TS 23.228) • Signalgabe über SIP
– SMS durch Rückfall auf cs-Netze Übergangslösung – SMS über das IMS (IP Multimedia Subsystem, 3GPP-Spezifikation TS 23.228)
Übersichtsartikel: Sprachloses Funknetz - Strategien und Szenarien für Sprach- und SMS-Übertragungen bei LTE Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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101
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G
ITU-Report M.2134
Im ITU-Report M.2134 werden die technischen Minimalanforderungen an G4-Netze formuliert.
1. Cell spectral efficiency (der Durchschnittswert einer Zelle)
2. Peak spectral efficiency – Bsp.: Max. DL/UL-Datenrate bei z.B. 40 MHz Bandbreite DL-D= 15 bps * 40 MHz / Hz = 600 Mbps UL-D= 6,75 bps * 40 MHz / Hz = 300 Mbps
bps/Hz/cell
Indoor Urbane Suburban Rural MIMO
bps/Hz MIMO
Downlink
Uplink
3 2,6 2,2 1,1
2,25 1,8 1,4 0,7
4x2
2x4
Downlink
Uplink
15
6,75
4x2
2x4
3. Bandwidth soll bis 40 MHz skalierbar sein. Diese Bandbreite kann durch einen oder mehrere Träger bereitgestellt werden.
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102
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G 4. Cell edge user spectral efficiency
5. Latency – Control plane: Übergangszeit vom z.B. Zustand „Frei“ zum Zustand „Aktiv“ – User plane: Transportzeit eines IP-Paketes (ohne Payload) zwischen Endgerät und Basisstation im UL und DL.
ITU-Report M.2134 bps/Hz
Indoor Urbane Suburban Rural
Stationär Fußgänger bis 10 km/h Fahrzeuge von 10 .. 120 km/h Schnelle Fahrzeuge 120 … 350 km/h
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Uplink
0,1 0,075 0,06 0,04
0,07 0,05 0,03 0,015
Control plane User plane
ms
6. Mobility es werden 4 Mobilitätsklassen unterschieden: – – – –
Downlink
Indoor Urbane Suburban High Speed
< 100
< 10
Traffic channel link data rates bps/Hz
Speed (km/h)
1,0 0,75 0,55 0,25
10 30 120 350
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
103
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G
ITU-Report M.2134
7. Handover Die Handover interruption time ist die Zeit, in der ein Terminal beim Zellwechsel keine Nutzerdaten mit der Basisstation austauschen kann.
Handover type
Interruption time (ms)
Zellen nutzen gleiche Frequenz
27,5
Zellen verschiedene Frequenzen: • im gleichen Band • anderes Band 8. VoIP capacity Annahmen: – – – –
Nutzung eines 12,2 kbps-Codecs Aktivität 50% Weniger als 2% Gesprächsunterbrechungen 98% der VoIP-Pakete sollten eine Verzögerungszeit unter 50 ms haben.
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40 60
VoIP capacity (Active users/sector/MHz)
Indoor Urbane Suburban High Speed
50 40 40 30
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104
LTE-Funknetze: LTE Advanced 4G LTE- Release 10 entspricht den M.2134 -Anforderungen. LTE-Advanced will: – Im Download 1000 Mbps erreichen spektrale Effizienz 30 bps/Hz und 8x8-MIMO – Im Upload 500 Mbps erreichen spektrale Effizienz 16 bps/Hz und 4x4-MIMO
Die wichtigsten Neuerungen bei LTE-Advanced sind: – MIMO-Techniken, bis 8x8-MIMO – Carrier Aggregation (CA), Nutzung von mehr Bandbreite durch Zusammenfassung von Teilträgern – Relay Nodes zur besseren Versorgung der Zellränder, – und Mindestforderungen, siehe Folien 102 bis 104.
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105
LTE-Funknetze: LTE Advanced - Carrier Aggregation
Bandbreitenerhöhunghöhere Datenrate Bei LTE gibt es Teilträger von (CC – Component Carrier) : 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Max. fünf können aggregiert werden max. Bandbreite = 100 MHz Die Anzahl der CC‘s in DL und UL können verschieden sein. Es gilt aber: CCUL < CCDL
Max. 5 CC‘s á 20 MHz 100MHz … CC‘s: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
Die aggregierten CC‘s können liegen: – im gleichen Band zusammenhängend intra-band, contiguous – im gleichen Band nicht zusammenhängend intra-band, non-contiguous – in verschiedenen Bändern inter-band, non-contiguous
Band 1
Band 1
Band 1 Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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Band 2 106
LTE-Funknetze: LTE Advanced – Relay Nodes
RN‘s werden hauptsächlich eingesetzt: – zur besseren Versorgung an den Zellkanten. – zur Versorgung entlegener Gebiete ohne LWL-Anschluss.
RN Typ1a: Frequenzen für Uu und Un sind verschieden (outband relay). RN Type1: Frequenzen für Uu und Un sind gleich (inband relay). Interferenzvermeidung bei Typ 1:
Un
Uu
Uu Donor cell
RNB
Relay NodeB
DeNB
Donor enhanced NodeB
– Uu-Un-Zeitmultiplex – Räumliche Trennung von Sender und Empfänger, z.B. Richtantennen.
RNB‘s haben USIM‘s (Universal Subscriber Identity Module) zur Authentifikation, sonst Missbrauchsgefahr.
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107
Das Internet (Interconnected networks)
1969 wurde das ARPANET (Advanced Research Project Agency Network) aufgebaut. – Drei Universitäten wurden über 56 kbit/s-Mietleitungen vernetzt. – Dienste: telnet, ftp
1971: Email 1973: TCP/IP-Protokolle
1983: Trennung in Milnet und Arpanet – Begriff Internet wird eingeführt – Einführung des Domain Name Service (DNS).
Auflösung symbolische Adressen auf IP-Adressen, z.B www.telecom.hs-mittweida.de auf 141.55.192.199
1988: erste Internetprovider in DE 1989: Verbreiterung der Nutzung (Kommerzialisierung) – wissenschaftlichen Einrichtungen, Schulen – Firmen und Organisationen – Privathaushalte
1992: Einführung des Internetdienstes WWW (world wide web). – Einfach zu nutzender Dienst für Text, Bilder, Audio, Video – Internet wird zum Massennetz
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108
Das Internet: Host's weltweit http://ftp.isc.org/www/survey/reports/2013/07/hosts.png
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109
Das Internet: Szenario Domain A
R
R
R
R
LAN
GW
R R
R
R
R
Internet Backbone
R
Internet Backbone
Provider Y
Provider X
Dial-UpServer
LWL PC|s mit DSLModem
Fernsprechnetze
Server
DSLAM
Funknetze
PC|s mit Modem mit ISDN
Dial-Up-Server
Domain X
Dial-UpServer
Hub
R
R R
R
R
Internet Backbone Provider Z
LAN Hub
R
GW
Domain B
GW
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LAN Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
110
Das Internet: Architektur Router
Backbone Provider n
Domain A
PC|s mit DSLModem
DSLAnschlussMUX
PC|s mit Modem
Übertragungsnetz
E-Router
2, 4, 8, 16, 34, 155 Mbits/s
GW
E-Router
LAN
Server
G-Router
34, 155, 620 Mbits/s Übertragungsnetz
Funknetze UMSTS, HSPA, LTE
Dial-UpServer
mit ISDNKarte
G-Router
2, 4, 8, 16, 34, 155 Mbits/s
LAN Hub
Hub
Backbone Provider 1
Übertragungsnetz
E-Router
Hub
E-Router
Domain X
2, 4, 8, 16, 34, 155 Mbits/s
Router GW
Domain B
GW
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LAN Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
111
Das Internet: Anwendungen und Protokolle Client
Server
Router
WWW
FTP
E-Mail
Dienste
WWW
FTP
E-Mail
HTTP
FTP
SMTP POP
Anwendungsprotokolle
HTTP
FTP
SMTP POP
An- und Abmeldung
Nutzung von TCP, UDP
An- und Abmeldung
Socket-API
Nutzung von TCP, UDP
Socket-API
TCP, UDP
TCP, UDP
Routing
IP
IP
IP
IP
PPP, SLIP
PPP, SLIP
MAC
MAC
Modem, ISDN-Karte oder DSL-Modem
Telefonnetz, DSL-Netz
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z.B. EthernetKarte
Internetz Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
112
Das Internet: Services Wichtige Teleservices im Internet sind: – – – –
WWW – world wide web E-Mail – electronic mail FTP – file transfer protocol VoIP – voice over IP
Supplementary Services – WWW: URL-Weiterleitung, wenn Ressource umgezogen – E-Mail: Weiterleitung
Bearer services basierend auf packet switched-connection less (ps-cl) sind: – TCP – UDP –
IP DataLink Physical IP DataLink Physical IP DataLink Physical
SOCK_STREAM SOCK_DGRAM SOCK_RAW
Prinzip ps-cl-Netz –
netzinterner DatenTransport über wechselnde Routen
Endgerät Daten-Pakete
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Endgerät Daten-Pakete
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113
Das Internet: Adressierung root
Domänenstruktur im Internetz com
hp
ms
org
edu
...
ietf
at
...
...
de
hsmw
avm
eit
...
top level domains
domains
sub domains
hosts
Symbolische Adressierung: ://*(.)../
Beispiele: http://www.hs-mittweida.de/hsm/index.htm ftp://ftp.tu-chemnitz.de/pub/ Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
114
Das Internet: Klassenbasierte Adressierung Die symbolische Adresse wird mittels DNS (domain name system) auf eine IPAdresse aufgelöst. www.hs-mittweida.de wird z.B. aufgelöst auf 141.55.192.190 Die 4-Byte-IP-Adresse besteht dem Präfix und Suffix. Präfix = Netz-Adresse Klassen-ID
Suffix Host-ID
Netz-ID
Für jeden dieser Teile wurden ganze Bytes verwendet. Byte 1
Class A
0
Class B
10
Class C
110
Byte 2
Byte 3
Byte 4
24 Bit Host-ID
7 Bit
Netz-ID
0.0.0.0 to 127.255.255.255
16 Bit Host-ID
14 Bit
Netz-ID 21 Bit
Netz-ID
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128.0.0.0 to 191.255.255.255
8 Bit Host-ID
192.0.0.0 to 223.255.255.255
Grundlagen der Kommunikationstechnik 2
115
Das Internet: Klassenbasierte Adressierung Man erkennt auch hier, dass die Nummerierung an den Bedarf anpassbar ist. Aber schlechter als z.B. im Fernsprechnetz. Klasse
A B C
max. Anzahl der Netze
27
= 128 214 = 16.384 221 = 2.097.152
max. Anzahl der Hosts
224-2 = 16.777.214 216 -2= 65.534 28-2 = 254
Wie lautet die IP-Adresse (10100000.01111000.01010000.00101000)B in Dezimalnotation?
Welcher Klasse gehören die folgenden Adressen an? 141.55.192.50 217.6.2.233 127.0.0.1
141d = 10001101b
Class B
Wie viel Adressen liegen in einem Class-B-Netz brach, wenn dieses 5536 Host hat?
BEACHTE: Im Skript Internet(1) wird die Adressierung detaillierter betrachtet klassenlose IPv4-Adressierung IPv6-Adressierung.
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GII – Global information infrastructure Seit Anfang der 90er Jahre befasst man sich international (ETSI, ITU, IETF, ..) mit der Netz-Konvergenz. ITU-Series Y "Global information infrastructure an Internet protocol asspects" – Y.100 - Y.999 – Y.1000-Y.1999 – Y.2000-Y.2999
"Global information infrastructure" "Internet protocol aspects" "Next generation networks"
Ausgangspunkt der Überlegungen war: heute Kommunikationstechnik
InformationsGII technik
künftig
GII
Unterhaltungstechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
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GII – Global information infrastructure Bei neuen Entwicklungsrichtungen gibt es Anfangs immer eine Vielfalt von Akteuren, Sichten und Begriffen. IMS (IP Multimedia Subsystem, ETSI), basierend auf einem All-IP-Netzwerk sollen Nutzer per einheitlicher Mechanismen Zugriff auf Dienste haben. Anwendung z.B. in LTE-Netzen. NGN (Next Generation Network, ETSI), derzeit Sammelbegriff für neue Transportnetze, Dienstbereitstellung, Architektur.
Service Signalgabe Endgeräte
Medien
Signalisierung
Transport (IPbasiert)
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GW
Herk. Netze GW
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Endgeräte
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WAN-NGN-Architekturprinzip
UNI
NNI
UNI
Endgeräte
Endgeräte
Zugangsnetz Kernnetz (Komponenten)
Accesspoint CPE
IP- AnschlussNetz
Zugangsnetz
(Übertragungs-Medien)
Gateway
Signalgabe
Signalgabe
Cu-DA o. TAL LWL
MediaGateway
GPON
IP- Kernnetz
Richtfunk MediaGateway
Services
Accesspoint Funk
CPE
Netzabschluss CPE Cu-DA LWL NNI TAL UNI
Customer premises equipment Kupfer-Doppelader Lichtwellenleiter network network interface Teilnehmeranschlussleitung user network interface
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LTE-Funknetze: Architektur mit anderen 3GPP1)-Netzen Internet EUTRAN LTE
Router
Server
MME
EPC Envolved Packet Core
UMTSMS
S1-U
S-GW
X2
X2
UTRAN UMTS/HSPA-Zugangsnetz GERAN GSM/GPRS/EDGEZugangsnetz
HSS
S1-U
HLR
Node B
Node B
eNodeB
SMS-C
AuC
eNodeB
BTS
SGSN
BSC Übertragungsnetz
SGSN
X2
Node B
RNC
P-GW
eNodeB
PCU
BTS
GSM-MS
BSC Node B RNC EUTRAN
GPRS/UMTSKernnetz, ps
UMTS-Basisstation Radio Network Controller Envolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
1)
GGSN NNI Router
3rd Generation Partnership Project ist eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien für die Standardisierung im Mobilfunk Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
PCU
BTS
Internet Server
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GII – Services and application supply Nutzer Infrastructure services and applications
E-Mail
Filetransfe Verteiltes r Arbeiten Home shopping Application functions
Video auf Abruf
Middleware services and applications Sicherheit
Autentikation
FormatTranslation
Telecom services and applications
Verzeichnisse Bezahlung
Middleware functions
Internet PSTN/ ISDN
CATV
Funknetze weitere
Telecommunication functions Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Winkler ::: https://www.telecom.hs-mittweida.de
Processing and storage services and applications PC
Video server
File server
SCP
weitere
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