Uniwersytet Otwarty AGH

Transkrypt

1 Nowoczesna telekomunikacja wyzwania i zagrożenia prof. dr hab. inż. Andrzej R. Pach Kierownik Katedry Telekomunikacji AGH Uniwersytet Otwarty AGH Kraków, 9 stycznia 2016

2 Rozwinięcie zagadnień telekomunikacyjnych poruszonych na wykładzie Uniwersytetu Otwartego w dniu 12 grudnia 2015 Prognoza rozwoju technologii informacyjno-komunikacyjncyh

3 Hierarchia potrzeb Uaktualniony model Abrahama Maslowa Potrzeby samorealizacji (rozwijania siebie, zdolności, talentów, zainteresowań) Potrzeby uznania (sukcesu, szacunku, prestiżu) Potrzeby przynależności (akceptacji, miłości, przyjaźni) Potrzeby bezpieczeństwa (zabezpieczenie przed chorobą, bezrobociem) Potrzeby fizjologiczne (pożywienie, mieszkanie, odzież, woda, tlen) Potrzeby komunikacji

4

5 Telekomunikacja analogowa i cyfrowa Analogowa (A): sygnały są ciągłe zarówno w czasie jak i wartości są używane do przekazywania informacji. W naturze mamy do czynienia z sygnałami analogowymi. Zastosowanie sygnałów analogowych zanika na korzyść tanich, wydajnych i elastycznych sygnałów cyfrowych. Cyfrowa (C): sygnały są dyskretne zarówno w czasie jak i wartości i reprezentują wartości binarne 0 lub 1. Można dokonywać konwersji A/C lub C/A

6 Konwersja A/C i C/A A/C C/A

7 Dlaczego 0 i 1 czyli bit 1948: Claude Elwood Shannon ( ) publikuje fundamentalną pracę pt. A Mathematical Theory of Communication w The Bell System Technical Journal.

8 Telekomunikacja i kanał telekomunikacyjny Zakłócenia/Zniekształcenia Nadawca Nadajnik Kanał Odbiornik Odbiorca Sygnał odebrany różni się od sygnału nadanego. Czy jesteśmy w stanie odgadnąć co Nadawca miał na myśli? Jak szybko można przekazać informację?

9 Jak przesłać bity? Odpowiednie ukształtowanie sygnału pozwala na zwiększenie zasięgu transmisji i jej szybkości.

10 Dostęp do informacji i Internet Realizacja powszechnego dostępu do informacji: zawsze wszędzie wszystko Co to jest Internet?

11 Co to jest Internet? 1969 Sieć ARPANET, składająca się z 4 węzłów Przesyłanie informacji cyfrowych w pakietach Każdy urządzenie przyłączone do sieci posiada unikalny tzw. adres IP. Ich przydzielanie jest kontrolowane.

12 Adres IP Adres IP v4 32 bity, liczba adresów ,3 mld reprezentacja, tzw. kropkowo dziesiętna: jest zapisywane jako Adres IP v6 128 bitów, liczba adresów , Reprezentacja w systemie szesnastkowym 3201:0db8:00ff:0001:002e:0044:1428:67bb

13 Pasmo elektromagnetyczne. Źródło: Każdy rodzaj fali można użyć do komunikacji!

14 Widmo fal radiowych

15 Technologie ostatniej mili (the last mile) źródło: Alcatel-Lucent FTTdp = Fiber To The distribution point

16 Przegląd sieci bezprzewodowych Źródło:

17 WiFi: szybciej, coraz szybciej IEEE (1997) DSSS (2.4 GHz) BPSK 1 Mbit/s i QPSK 2 Mbit/s FHSS (2.4 GHz) 2 i 4-poziomowa GFSK 1 Mbit/s i 2 Mbit/s IEEE b (1999) HR (High Rate) (2.4 GHz) CCK 5.5 i 11 Mbit/s IEEE a (1999) HSP (High-Speed PHY) (5 GHz) OFDM 54 Mbit/s IEEE g (2003) ERP (Extended Rate PHY) (2.4 GHz) OFDM 54 Mbit/s IEEE n (2009) HT (High Throughput) (2.4 i 5 GHz) MIMO 600 Mbit/s IEEE ac (2013) VHT (Very High Throughput) (5 GHz) MU-MIMO, 256-QAM 6930 Mbit/s

18 Technologia 5G i jej poprzedniczki 1G 2G 3G 4G (LTE) 5G 1970/ / / / / kbit/s kbit/s 2 Mbit/s 200 Mbit/s > 1 Gbit/s Analogowa komórkowa Komutacja kanałów FDMA TDMA/CDMA CDMA CDMA CDMA Cyfrowa komórkowa Komutacja kanałów Szerokopasmowa + IP Komutacja kanałów i pakietów LAN/WAN/WLAN/ PAN Komutacja pakietów 4G + WWWW Komutacja pakietów Sieć telefoniczna Sieć telefoniczna Sieć pakietowa Internet Internet

19 Światłowód?

20 Telekomunikacja światłowodowa Telekomunikacja światłowodowa jest metodą przesyłania informacji za pomocą impulsów światła poprzez przeźroczyste włókno, np. wykonane ze szkła. Pierwsza taka udana transmisja została wykonana w r Źródło:

21 Elementy systemu światłowodowego Źródło światła Diody emitujące światło (LED) Diody laserowe (światło spójne) Światłowód Wielomodowe Jednomodowe Detektor światła Fotodiody półprzewodnikowe

22 Jak wygląda kabel światłowodowy?

23 Typy światłowodów Duża NA Łatwe łączenie Dyspersja modowa Wolna transmisja Krótkie odległości Mała NA Trudne łączenie Brak dyspersji modowej Szybka transmisja Duże odległości Duża NA Łatwe łączenie Mniejsza dyspersja modowa DOBRY KOMPROMIS pomiędzy światłowodami jedno- i wielomodowymi

24 Tłumienie sygnału w szklanym światłowodzie Okno [nm] Długość fali [nm]

25 Technologia WDM i DWDM WDM (Wavelength Division Multiplexing) multipleksjacja z podziałem długości fali, polegająca na równoległej i równoczesnej transmisji wielu fal o różnych długościach. DWDM (Dense WDM) gęste zwielokrotnianie falowe

26 Ewolucja systemów światłowodowych Źródło:

27 Mapa światłowodowych kabli podmorskich: stan na Źródło:

28 Światłowody w Polsce Źródło:

29 Rekordy szybkości transmisji światłowodowej Źródło: Rok Organizacja Efektywna szybkość Liczba kanałów WDM Szybkość na kanał Odległość 2009 Alcatel-Lucent 15 Tbit/s Gbit/s 90 km 2010 NTT 69,1 Tbit/s Gbit/s 240 km 2011 KIT 26 Tbit/s 1 26 Tbit/s 50 km 2011 NEC 101 Tbit/s Gbit/s 165 km 2012 NEC, Corning 1,05 Pbit/s Światłowód 12 rdzeniowy 52,4 km Ograniczenia fizyczne kabli elektrycznych uniemożliwiają w praktyce przekroczenie szybkości 10 Gbit/s, natomiast ograniczenia fizyczne światłowodów nie zostały jak dotąd osiągnięte.

30 Przyszłość w telekomunikacji światłowodowej (1) W pełni optyczne sieci telekomunikacyjne: eliminacja ograniczeń związanych z konwersją sygnału elektrycznego na optyczny i na odwrót. Terabitowe sieci optyczne: obecnie są dostępne kanały 40 Gbit/s, możliwość kanałów 100 Gbit/s, DWDM: Gbit/s = 3,8 Tbit/s. Teoretycznie jeden kanał może mieć szybkość 1Pbit/s.

31 Przyszłość w telekomunikacji światłowodowej (2) Inteligentne sieci optyczne: adaptacja sieci do jej dynamicznych obciążeń Transmisja na duże odległości: ograniczenie niedoskonałości światłowodu i eliminacja urządzeń regenerujących sygnały świetlne Eksperyment Cisco (2012): kanał 100 Gbit/s, zasięg 3000 km, z zastosowaniem kodowania FEC Źródło:

32 Przyszłość w telekomunikacji światłowodowej (3) Rozwój półprzewodnikowych laserów: kształtowanie impulsów kompensujących niedoskonałości światłowodów Rozwój kabli polimerowych: są tańsze od szklanych i łatwiejsze do instalacji

33 Komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni (1)

34 Komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni (2) Źródło:

35 Komunikacja między pojazdami (V2V) Źródło:

36 Sieci sensorowe (Sieci czujników) Źródło:

37 Naonomaszyny i nanosieci Źródło: I.F. Akyildiz et al. Computer networks 52 (2008) Nanomaszyna zbiór uporządkowanych cząsteczek, który jest w stanie wykonywać proste zadania. Nanosieć połączenie nanomaszyn w celu wykonywania bardzie złożonych zadań poprzez współpracę miedzy nimi i wymianę informacji. Wykorzystanie cząsteczek zamiast fal elektromagnetycznych lub akustycznych do kodowania i przesyłania informacji.

38 Źródło: I.F. Akyildiz et al. Computer networks 52 (2008) Tradycyjne system komunikacyjny (a) Nanosieć (b)

39 Nośnik Podstawowe różnice pomiędzy tradycyjną komunikacją i komunikacją molekularną Komunikacja Tradycyjna Molekularna Fale elektromagnetyczne Cząsteczki Typ sygnału Elektryczny, optyczny Chemiczny Szybkość propagacji Wpływ środowiska Szum Pr. światła (300 tys. km/s) Przewodowe: prawie brak Bezprzewodowe: jest Pola elektromagnetyczne Bardzo wolna Jest Cząsteczki w medium Kodowana informacja Głos, tekst, wideo Zjawiska, stany chemiczne lub procesy Inne cechy Duży pobór mocy Mały pobór mocy

40 Top 10 Communications Technology Trends in 2015 według IEEE ComSoc Technology News Źrodło:

41 Trend 1: Systemy mobilne 5G Nie tylko większe szybkości, ale także lepsze zarządzanie siecią, mniejszy pobór energii, niezawodność i możliwość dołączania miliardów osób i urządzeń. Są przygotowane standardy. Komercjalizacja ok. roku 2020.

42 Trend 2: Wszędzie światłowody Poprawa łączności ze względu pod katem zwiększającego się zakresu usług szerokopasmowych. Uregulowania prawne w zakresie FTTH (Fiber To The Home). Dostępne kanały 100/400 Gbit/s, pozwalające na rozwój sieci terabitowych.

43 Trend 3: Wirtualizacja, SDN i NFV Wirtualizacja wielu tworzenie sieci logicznych na tych samych zasobach fizycznych SDN (Sofware Defined Network) NFV (Network-Function Virtualization)

44 Trend 4: Infrastruktura łączności dla IoT i IoE IoT (Internet of Things) IoE (Internet of Evrything) Prawo Metcalfa: Moc sieci wzrasta proporcjonalnie do kwadratu liczby jej użytkowników. Do roku 2020 przyłączonych do sieci będzie 50 mld jej użytkowników

45 Trend 5: Sieci kognitywne, Big Data Systemy telekomunikacyjne obsługują olbrzymi wolumen danych; dziennie tworzonych jest 20 mld nowych rekordów. Ich analiza w celu wykorzystania jest bardzo trudna. Rozwiązaniem mogą być inteligentne sieci kognitywne.

46 Trend 6: Cyberbezpieczeństwo Każdy podmiot korzystający z sieci telekomunikacyjnych może być zaatakowany przez hakerów Rozwój metod zabezpieczania, autentyfikacji, sposobów szyfrowania przesyłanych informacji

47 Trend 7: Zielona telekomunikacja Technologie komunikacyjne są odpowiedzialne za 2-4% wytwarzanych gazów cieplarnianych związanych z działalnością człowieka. Największe zapotrzebowanie na energię elektryczną mają stacje bazowe systemów mobilnych i centra danych. Potrzeba projektowania energooszczędnych sieci telekomunikacyjnych.

48 Trend 8: Inteligentne smartfony i sensory Urządzenia mobilne posiadają coraz to więcej najrozmaitszych funkcjonalności. Możliwość komunikacji z sensorami monitorującymi stan organizmy człowieka. Sensory w miastach: inteligentne miasta (smartcities). Sensory w infrastrukturze (smartgrids).

49 Trend 9: Neutralność sieci Internet działa w trybie otwartym, tzn. sieć jest zbudowana w oparciu o otwarte standardy i cały ruch przez tę sieć jest mniej więcej równo traktowany. Zapotrzebowanie na przesyłanie danych jest ogromne, stąd mogą być różne zapędy, aby niektóry ruch w sieci traktować lepiej, np. niektórych operatorów. Jest dyskusja zatem, w jaki sposób można zagwarantować neutralność sieci.

50 Trend 10: Komunikacja molekularna W komunikacji molekularnej bionanomaszyny komunikują się w celu przeprowadzenia skoordynowanych akcji. Molekuły są wykorzystywane do przekazywania informacji. Transmisja jest wolna w porównaniu z sieciami, w których wykorzystywane są fale elektromagnetyczne i ma raczej niszowe zastosowania.

51 Dziękuję Państwu za uwagę!