Telekomunikační technologie v počítačových sítích

Motivace

• důvody prorůstání technologií počítačových a telekomunikačních sítí
• hlas se chápe jako speciální případ přenosu dat
• telekomunikační linky původně určené pro isochronní provoz a přenos hlasu využívány jako nosiče pro obecný datový provoz a opačně, sítě s přepínáním paketů používány pro přenos dat isochronního charakteru (Voice over IP, MPEG video, ...)
• nárůst požadavků na komunikaci s dodržením QoS ze strany sítě => spojově orientované služby, v paketových sítích rozvoj metod pro rezervaci prostředků (princip virtuálního kanálu)

Výhoda Voice over IP (tzv. Konvergované sítě) - technologická konzistence (IP) i pro různé přenosové technologie v různých částech systému

Problém integrace paketově orientovaných LAN s možností všesměrového vysílání s přenosovými systémy typu bod-bod a se spojovou orientací

Digitální přenos hlasu

• 4kHz hovorový kanál, vzorkování 8kHz
• vzorky snímány s rozlišením 12 bit, komprese na 7/8 bitů (A-law a mi-law)
• kódování PCM, DPCM, ADPCM, u vzorků PCM hovorového signálu každý druhý bit invertován = > odvození taktu za ticha, vyvážení datového vzorku
• 7/8 bitů na vzorek při 8kHz => 64kbps datový tok
• sdružení takovýchto toků multiplexováním do spoje PCM 1. řádu, dále sdružování takovýchto základních toků dalším multiplexováním (multiplexní hierarchie)

Struktura multiplexu PCM

Rámce délky 125 mikrosekund

Bitová synchronizace, rámcová synchronizace, multirámcová synchronizace

Evropa

• základem E1: 30 hovorových + 2 řídící kanály - 2 Mbps
• vyšší multiplexy vždy ze 4 příspěvků
• kanály osmibitové, 0. a 16. kanál servisní:
  • Kanál 0 - v každém druhém rámci skupina rámcové synchronizace, v ostatních místo toho řízení:
    - poplachový bit indikující problémy v opačném směru - bity pro volitelné CRC4 (počítá se vždy z následných 8 rámců => vyhodnocování chybovosti (dohled)
  • Kanál 16 - nese signalizační kanály o malé bitové rychlosti přiřazené jednotlivým hovorovým kanálům
• kvůli signalizaci sdružování vždy 16 následných rámců do multirámce; v multirámci se postupně vystřídají bity všech signalizačních kanálů přiřazených všem hovorovým kanálům (v 16. kanálu rámce vždy 2x4 bity najednou, postupně pro kanály 1+17, 2+18 ... 15+31)
• v prvním rámci multirámce je v kanálu 16 synchroskupina multirámcového souběhu + bity pro možnost ohlašování ztráty multirámcového souběhu druhé straně

USA

• základem T1: 24 hovorových kanálů - 1,544 Mbps
• vyšší multiplexy: T2=4*T1,T3=7*T2, T4=6*T3
• 7 bitů na vzorek (56 kbps), řídící kanál v toku osmých bitů (8 kbps)
• rámce délky 125 mikrosekund o délce 193 bitů, tj. 1,544 Mb/s, 192 bitů data+signalizace, 193. bit tvoří rámcovou synchronizaci:
  Synchronizuje se na datový vzorek střídavě 1 a 0 ve 193. bitu (4kHz), v datech se výskyt takovéhoto vzorku obchází

Plesiochronní digitální hierarchie PDH

• problém bitové synchronizace - nelze dosáhnout zcela přesné kmitočtové a fázové synchronizace generátorů taktu = > skluzy.
• sdružované signály v PDH nemají oproti signálu vyššího řádu pevný časový vztah
• v signálu vyššího řádu vyčleněna rezerva pro odchylky (=nepředpokládá se přesný souběh sdružovaných signálů, ale jejich odchylka v předepsaných mezích)
• rozdíl v taktech příspěvků při převodu do vyššího řádu se v případě potřeby kompenzuje tzv. výplňovými bity na vyhrazených místech rámce (technika bit stuffing).
  Výplňové bity buď jsou nebo nejsou vloženy, pozná se podle předchozí řídící informace. Výplňové bity nenesou informaci.
• multiplexování příspěvků do multiplexu vyššího řádu se děje po bitech - vyšší řád má o málo vyšší bitovou rychlost, než je součet bitových rychlostí příspěvků, aby bylo možno uplatnit technologii bit stuffing.
• problém: nelze přímo přistoupit k některému příspěvku multiplexu bez úplného rozebrání multiplexu, není pevný vztah mezi rámcem nižšího a vyššího řádu

Rámec multiplexu PCM 2. řádu

• skupina rámcové synchronizace
• řídící bity pro stuffing (několikrát opakované = > redundance)
• volitelné pozice pro stuffing bity
• datová část nesoucí bitově proložené bity příspěvků

Multiplexní hierarchie

Evropa (MPX 4x):
E1: 2.048 Mbps (30 k.)
E2:  8.448 Mbps (120 k.)
E3: 34.365 Mbps (480 k.)
E4: 139.264 Mbps (1920 k.)

USA:
T1: 1.544 Mbps (24 k)
T2: 6.312 Mbps
T3: 44.736 Mbps
T4: 274.176 Mbps

Synchronní digitální hierarchie SDH

• pevný časový vztah mezi signálem nižšího a vyššího řádu
• předpokládá synchronní multiplexování příspěvků po bajtech
• rozdíl ve fázi a skluzy se řeší pomocí virtuálních kontejnerů a ukazovátka začátku kontejneru v rámci.
• kontejner je rámec bezprostředně určený pro přenos signálu
• kontejnery "plují" v informačním poli rámce (nebo vyššího kontejneru) = > možnost vyrovnávat skluzy posunutím pozice kontejneru.
• pozice kontejneru je indikována "pointrem" v rámci.
• pomocí přístupu přes ukazovátko lze z rámců přímo vybírat požadovaný příspěvek bez nutnosti postupného rozebírání multiplexu
• větší poměr režijní informace (záhlaví rámců, virtuální kontejnery, ...)
• pro vysoké rychlosti, nejnižší STM-1 155Mbps (zde končí PDH)
• přenosovým médiem optika

Multiplexní hierarchie SDH

• základem synchronní transportní modul (STM)
• STM-1 má rychlost 155.52 Mbps (rámce 9 řádků po 270B (9 x 270 x 8bit x 8kHz=155,52 Mbps)
• vyšší řády: STM-n - n udává, kolik signálů STM-1 je sdruženo, sdružují se vždy 4 signály nižšího řádu. Používá se STM-1, STM-4, STM-16, STM-64

U všech hierarchických stupňů je délka rámce 125 mikrosekund, přenosové rychlosti vyšších řádů přesné 4-násobky rychlostí v řádech nižších

SDH počítá se začleňováním rámců PDH evropské, americké i japonské hierarchie = > členění STM1 rámce do (hierarchicky organizovaných) "virtuálních kontejnerů"

možnost začleňování toku ATM buněk do SDH - obvykle přímo do kontejneru nejvyšší úrovně (VC4)

Základním prvkem tzv. add/drop multiplexer (vydělovací muldex) - zařízení schopné včleňovat do multiplexu další příspěvek, nebo jej naopak vyčleňovat

SONET - Synchronous Optical Network

• technologie přenosových systémů v USA
• vzor pro evropskou SDH
• STS3 odpovídá STM1 (základem STS je 51 Mbps)

Přenosové systémy

jejich úkolem spolehlivý přenos telekomunikačních signálů (zpráv a řídící informace) mezi spojovacími zařízeními

• Analogové - frekvenční multiplex, základní kanál 4kHz, normalizován způsob seskupování do skupin (primary group, supergroup, mastergroup) a příslušné nosné frekvence
• Digitální - multiplexy n-tého řádu, odolné proti rušení, kvalita přenosu nezávislá na délce linkového traktu
  Používaná kódování:
  varianty AMI: HDB3 (PCM 1.-3. řádu, pro optiku CMI), 2B1Q (ISDN)

Spojovací systémy

ústředny, struktura: spojovací pole+řízení

propojování:

• účastnických přípojek mezi sebou v rámci ústředny
• účastnických přípojek s odchozím, resp. příchozím vedením
• příchozích a odchozích vedení (tranzit)

Digitální spojovací pole

problém vnitřního blokování

Typy digitálních spojovacích polí

      
 - spojování určitého kanálu vstupního multiplexu do stejnolehlého výstupního
 - řízený křížový přepínač, řídící paměť na vstupech nebo výstupech 
   (pro každý vstup/výstup jedna řídící paměť + demultiplexor spínající
    křížové spínače kanálu jiného výstupního multiplexu)

 - změna kanálových intervalů mezi vstupním a výstupním multiplexem
 - realizace: paměť hovoru, cyklický zápis+řízené čtení nebo řízený
   zápis+cyklické čtení
 - řídící paměť, její obsah adresuje z jedné strany paměť hovoru, z druhé
   strany cyklická adresace
 - sdílení přístupu do paměti hovoru: použití polovin kanálového intervalu

 - v ISDN
 - přenos signalizace mezi ústřednami ve formě paketů směrovaných nezávislou
    signalizační sítí (mezi očíslovanými signalling points-SP)
 - ve všech úrovních sítě počínaje pobočkovými ústřednami
 - možnost přenosu signalizačních zpráv i během spojení - umožňuje zavedení
   dalších služeb
 - rychlejší sestavení spojení, společný signalizační kanál průchodnější než
   při CAS (Channel-Associated Signalling)
 - signalizace musí procházet ústřednami, kde se spojují hovorové cesty
   + případně dalšími

    Problém odlišných technologií ve spojovacích a přenosových systémech,
    digitalizace sjednocuje - IDN (Integrated Digital Network) 

    - digitální spojovací pole v ústřednách
    - spojování obousměrných 64 kbps kanálů
    - PCM digitální spojovací systémy

 STM-1 - SDH 155 Mbps, optika SM 
 STM-4 - SDH 622 Mbps, optika SM 
 STM-16 - SDH 2,5 Gbps, optika SM 

 E1 - primární multiplex 2,048 Mbps, měděné páry nebo koaxiál
 E3 - multiplex 3. řádu 34,368 Mbps, koaxiál