Telefonia stacjonarna i komórkowa Krzysztof Włostowski

Transkrypt

1 Telefonia stacjonarna i komórkowa Krzysztof Włostowski Instytut Telekomunikacji PW

2 Telefonia Rys historyczny telefonia stacjonarna 1876 Graham Bell i Thomas Watson skonstruowali pierwszy telefon elektromagnetyczny. Nieco później Thomas Edison zastosował w telefonie mikrofon węglowy 1878 Powstanie pierwszej centrali telefonicznej w New Heaven, zrealizowanej przez Almona Strowgera, wydano też pierwszą książkę telefoniczną 1880 Pierwsza budka telefoniczna obsługiwana przez kasjera 1913 Pierwsze budki w pełni automatyczne, Paryż 1963 Aparat z przyciskami, wybieranie tonowe 1976 pierwsze karty telefoniczne, Włochy Połączenia głosowe kodowane cyfrowo PCM (Pulse Code Modulation) 1990 Technika DSL (Digital Subscriber Loop) transmisja danych po przyłączach abonenckich 2015 Instytut Telekomunikacji PW 2

3 Telefonia komórkowa Telefonia 1956 początek telefonii komórkowej, firma Ericsson - telefon bezprzewodowy o masie 40kg i rozmiarze walizki Pierwsze, analogowe systemy telefonii mobilnej były wrażliwe na ukształtowanie terenu, miały stosunkowo niewielkie pokrycia i były drogie. Pracowały w paśmie 450 MHz. USA - system AMPS (Advanced Mobile Phone Service) Europa - skandynawski system NMT (Nordic Mobile Telephone System), system TACS (Total Access Communications System), francuski system R2000 i niemiecki C Instytut Telekomunikacji PW 3

4 Telefonia Telefonia komórkowa 1985 powstanie standardu GSM (Global System for Mobile communications). Obok GSM na początku lat 90-tych na świecie pojawiają się dwa nowe rozwiązania: IS-95 w USA i JDC ( Japanese Digital Cellular) w Japonii po raz pierwszy wysłano wiadomość SMS 2001 standard UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), początek systemów 3G o zwiększonym transferze danych przepływności do kilku Mb/s pierwsza wersja standardu LTE (Long Term Evolution) systemy 4G 2015 Instytut Telekomunikacji PW 4

5 Telefonia Telefonia komórkowa w Polsce pierwszy telefon komórkowy w Polsce, pierwsza sieć stworzona była przez Centertel. Uruchomienie systemu miało miejsce w Warszawie, kilka miesięcy później inauguracja odbyła się w innych większych miastach. 1995r.- liczba abonentów ok. 50 tys. Operatorzy usług komórkowych w Polsce T-Mobile Polska % (ok mln) aktywnych kart SIM Orange Polska % (15.3 mln) kart SIM Plus % (14.1 mln) kart SIM Play 19.06% (10.8 mln) kart SIM dane za rok 2013, według GUS 2015 Instytut Telekomunikacji PW 5

6 Telefonia stacjonarna PSTN (Public Switched Telephone Network) Publiczna komutowana sieć telefoniczna Najstarsza (1880) z sieci telekomunikacyjnych, początkowo używana wyłącznie do komunikacji głosowej Po 1960 dodano nowe funkcje : przesyłanie danych, faks, PCM Instytut Telekomunikacji PW 6

7 Telefonia stacjonarna Podstawowe parametry Dostęp analogowy w paśmie Hz Dwukierunkowy kanał rozmówny Urządzenia końcowe zasilane przez centralę telefoniczną co czyni je niezależnymi od lokalnych źródeł zasilania Połączenia realizowane na zasadzie komutacji łączy W centralach cyfrowych przełączanie strumienia o przepływności 64 Kb/s Brak mobilności lub limitowana mobilność, (np. systemy DECT=PABX) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 7

8 Telefonia stacjonarna Transfer danych o dużej przepływności wspomagany przez technologie: ISDN (Integrated Services Digital Network), zintegrowana z centralami telefonicznymi xdsl (Digital Subscriber Line) transmisja po istniejących przyłączach abonenckich PSTN jest podstawową siecią szkieletową dla innych systemów i sieci Istniejąca od dawna sieć PSTN będzie nadal ważnym ogniwem współczesnej telekomunikacji, także dla przesyłania danych z dużymi przepływnościami dzięki zastosowaniu różnych technik (np. DSL) poszerzających jej możliwości transmisyjne 2015 Instytut Telekomunikacji PW 8

9 Telefonia stacjonarna Telefon Linia abonencka CT (Centrala telefoniczna) T Przełącznik wybierania Przełącznik podniesienia słuchawki głośnik mikrofon DTMF Słuchawka zdjęta Sluchawka położona C SLIC R dzwonek dzwonienie (-) DTMF - Dual Tone Multi Frequencies SLIC - Subscriber Line Interface Circuit Strona abonenta 2015 Instytut Telekomunikacji PW 9

10 Telefonia stacjonarna SLIC układ interfejsu z linią abonenta Telefon Przełącznik dzwonienia T (+) Linia abonencka (-) dzwonienie Detektor prądu Rozgałęźnik Przełącznik krotnicy Kanał kontrolny Generator dzwonienia (100V rms 25 Hz) ~ -48 VDC Sterowanie procesorowe Możliwe stany bezczynność - słuchawka położona wybieranie numeru wywoływanie dzwonienie rozmowa Strona centrali telefonicznej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 10

11 Telefonia stacjonarna Pętla lokalna połączenie między urządzeniem abonenta a centralą telefoniczną Urządzenia nie jest zasilane jeśli słuchawka jest położona Informacja o połączeniu jest sygnalizowana prądem zmiennym ze źródła o napięciu 65V Kiedy słuchawka jest podniesiona telefon jest zasilany, napięcie wynosi ok 65V a natężenie prądu 20 40mA W trakcie wybierania numeru pętla lokalna jest rozłączana na ściśle określone przedziały czasowe zależne od numeru abonenta wywoływanego 2015 Instytut Telekomunikacji PW 11

12 Telefonia stacjonarna Do poziomu międzynarodowego Centrale tranzytowe Poziom kraju Regionalna sieć transportowa Centrale lokalne Sieć transportowa Poziom wojewódzki Sieć dostępowa Poziom miasta PSTN struktura hierarchiczna 2015 Instytut Telekomunikacji PW 12

13 Telefonia stacjonarna Strefa numeracyjna (SN) PSTN podzielona jest na strefy numeracyjne. Stanowią one część obszaru kraju, strefy numeracyjne w większości wynikają z podziału terytorialnego kraju. Sieć miejscowa (SM) Zespół urządzeń telekomunikacyjnych, stacji oraz central miejscowych i linii telekomunikacyjnych znajdujących się na określonym obszarze Sieć lokalna (SLOK) Sieć obejmująca zbiór stacji telefonicznych i jedną centralę telefoniczną do której te stacje są dołączone i przez nią obsługiwane. Centrala telefoniczna Zestaw urządzeń służących realizacji połączeń pomiędzy abonentami. Do centrali dołączone są łącza telefoniczne abonenckie i międzycentralowe. Centrala realizuje także funkcje związane z taryfikacją połączeń, badaniem oraz nadzorem łączy i urządzeń Instytut Telekomunikacji PW 13

14 Telefonia stacjonarna Centrala miejscowa (CM) Centrala, do której dołączone są stacje telefoniczne za pośrednictwem łączy abonenckich oraz inne centrale poprzez łącza międzycentralowe. końcowa (CMK)- centrala realizująca połączenia lokalne oraz przychodzące i wychodzące do pozostałej części sieci PSTN z wyjątkiem połączeń tranzytowych tranzytowa (CMT) dodatkowo realizuje połączenia tranzytowe Centrala międzystrefowa (CMS) Centrala realizująca ruch międzystrefowy oraz ruch międzynarodowy przy współdziałaniu z centralą międzynarodową końcowa(cms/k) tranzytowa (CMS/T) Centrala międzynarodowa, (EMNA) Centrala realizująca ruch pomiędzy siecią PSTN w Polsce a sieciami PSTN w innych krajach. (Warszawa, Poznań, Katowice) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 14

15 Centrala telefoniczna Telefonia stacjonarna Zespół urządzeń umożliwiający połączenie abonentów sieci telekomunikacyjnej na okres przesłania informacji (mowa, dane). Podstawowe elementy Urządzenia komutacyjne realizujące zestawienie połączenia Urządzenia pomocnicze zapewniające poprawną pracę centrali (sterowanie, zarządzanie,..) Komutacja Na czas połączenia zestawiane jest łącze między abonentem wywołującym a wywoływanym, łącze jest niezależne od innych realizowanych w tym samym czasie połączeń Instytut Telekomunikacji PW 15

16 Telefonia stacjonarna Rodzaje komutacji Komutacja łączy - trasa między abonentami zestawiana jest z łączy fizycznych Komutacja pakietów - dane podzielone na fragmenty (pakiety) które przesyłane są między węzłami sieci, różne pakiety mogą docierać do celu różnymi drogami. Komutacja wiadomości - przesyłanie od urządzenia wywołującego do końcowego informacji w formie wiadomości. Wiadomość ma w nagłówku adres odbiorcy i może przez jakiś czas być przechowywana w węzłach sieci. Komutacja kanałów - dla danego połączenia określana jest sekwencja kanałów którymi sygnał będzie przesyłany od źródła informacji do jej ujścia. Wybrany ciąg kanałów (trasa) jest zajęty przez czas trwania połączenia Instytut Telekomunikacji PW 16

17 Telefonia stacjonarna Łącznica telefoniczna urządzenie realizujące funkcje komutacyjne Rodzaje łącznic telefonicznych ręczne automatyczne typu elektromagnetycznego komutacja realizowana jest przy użyciu przekaźników (załączanie i rozłączanie obwodu elektrycznego) oraz wybieraków (elektromechaniczne urządzenie wielostykowe łączące łącza wychodzące z przychodzącymi) automatyczne elektroniczne pole komutacyjne jest analogowe (wykorzystuje przekaźniki kontaktronowe), sterowanie nim realizowane jest elektronicznie (układy scalone niskiej skali integracji), całość sterowana komputerowo. automatyczne cyfrowe 2015 Instytut Telekomunikacji PW 17

18 Telefonia stacjonarna 2015 Instytut Telekomunikacji PW 18

19 Telefonia stacjonarna Funkcje centrali telefonicznej Wybór trasy połączeniowej Translacja sygnałów zgłoszeniowych (wybrany numer) na procedury sterowania elementami komutacyjnymi centrali i procedury wyboru drogi w sieci. Komutacja Realizacja połączenia w centrali i w sieci Przeglądanie łączy Ocena stanu łączy abonenckich i centralowych dołączonych do danej centrali. Obejmuje wykrywanie zgłoszeń, zajętości łącza, stanów alarmowych. Obsługa sygnalizacji Komunikacja aparatów abonentów sieci ze sterowaniem centrali. Utrzymanie i administracja Utrzymanie łączy i urządzeń centralowych, działania w przypadku alarmów, taryfikacja Instytut Telekomunikacji PW 19

20 Telefonia stacjonarna Fazy pracy centrali telefonicznej przy obsłudze połączenia Preselekcja Inaczej wybieranie wstępne, działania mające na celu weryfikację zgłoszenia abonenta wywołującego i ocenę możliwości wykonania zadania (np. stopień zajętości łączy) Zestawienie połączenia zespół czynności związanych z zestawianiem drogi połączeniowej w centralach i sieci, zgodnej ze zgłoszeniem abonenta oraz możliwościami komutacyjno transmisyjnymi danej sieci Rozmowa Głosowa wymiana informacji między abonentami Administracyjny nadzór nad prowadzoną rozmową bez ingerencji w jej treść. Rozłączenie Działania związane ze zwolnieniem zasobów - elementów trasy łączącej abonentów, powrót urządzeń do stanu spoczynkowego oraz zapis danych dotyczących zrealizowanego połączenia (np. taryfikacja ) Instytut Telekomunikacji PW 20

21 Telefonia stacjonarna UP UO PG UP PK UO UP US zasilanie Węzeł komutacyjny 2015 Instytut Telekomunikacji PW 21

22 Telefonia stacjonarna PK Pole Komutacyjne Realizuje połączenia między liniami dochodzącymi do węzła komutacyjnego. UP Urządzenia Przyłączeniowe Ich funkcją jest dopasowanie elektryczne sygnałów przesyłanych po łączach abonenckich i międzycentralowych do parametrów pola komutacyjnego. UO Urządzenia Obsługowe Działania związane przede wszystkim z sygnalizacją - analiza, przetwarzanie ji przygotowanie do transmisji sygnalizacji. US Urządzenia Sterujące Zadaniem jest przetworzenie odebranej informacji i na tej podstawie zestawiane jest połączenie w polu komutacyjnym. Ponadto sterują wysyłaniem sygnalizacji z węzła. PG Przełącznica Główna - krosownica Funkcje przyłączania łączy abonenckich i międzycentralowych do węzła. dochodzących 2015 Instytut Telekomunikacji PW 22

23 Telefonia stacjonarna 2015 Instytut Telekomunikacji PW 23

24 Telefonia stacjonarna Elementy sieci PSTN Cyfrowa transmisja i przełączanie Mowa w postaci cyfrowej; zwielokrotnianie TDMA Komutacja łączy Sygnał abonenta inicjuje i kończy połączenie Droga do abonenta wywoływanego jest zestawiana w trakcie inicjalizacji połączenia Zestawianie połączenia między dowolnymi punktami sieci 2015 Instytut Telekomunikacji PW 24

25 Telefonia stacjonarna Sieć hierarchiczna Hierarchiczna struktura; Proste wyznaczanie trasy (routing); skalowalność Sygnalizacja Inteligentne zarządzanie wewnątrz sieci - SS7 Cyfryzacja sieci PSTN Efektywniejsze wykorzystanie zasobów (więcej kanałów transmisyjnych) Wyższa jakość sygnału mowy (mniejsze szumy I zakłócenia) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 25

26 Telefonia stacjonarna Ewolucja sieci telefonicznej o Pulse Code Modulation sygnał mowy w postaci cyfrowej 8 bitów/próbkę x 8000 próbek/sek = 64x10 3 bit/s o Time Division Multiplexing dla sygnału cyfrowego T-1 multiplexing (1961): 24 kanały głosowe = Mb/s E-1 multiplexing : 32 kanały głosowe = Mb/s o Cyfrowe przełączanie (1980s) Przełącznice TDM o Cyfrowa telefonia mobilna (1990) o Transmisja optyczna (1995) Jeden OC-192 strumień optyczny= 10 Gb/s Jeden światłowód przenosi 160 strumieni OC-192 = 1000 Gb/s 2015 Instytut Telekomunikacji PW 26

27 Transmisja cyfrowa w sieci telefonicznej - PCM PCM Pulse Code Modulation Digitalizacja sygnału analogowego przebiega w trzech etapach: 1. Próbkowanie 2. Kwantyzacja 3. Kodowanie Sygnał analogowy jest ciągły w dziedzinie czasu i dziedzinie wartości. Charakteryzują go amplituda i częstotliwość. Pasmo częstotliwości dla sygnału mowy w telefonii zawiera się w przedziale 300 Hz 3.4 khz 2015 Instytut Telekomunikacji PW 27

28 PCM sygnał skwantowany koder PCM Próbkowanie Kwantyzacja Kodowanie dane w postaci cyfrowej sygnał analogowy sygnał PAM PCM Modulacja z kodowaniem impulsów 2015 Instytut Telekomunikacji PW 28

29 PCM 1. Próbkowanie sygnału Sygnał jest próbkowany w regularnych odstępach czasowych co T S Wartość każdej z próbek jest proporcjonalna do amplitudy próbkowanego sygnału f s = 1/T s jest częstotliwością próbkowania T s 2015 Instytut Telekomunikacji PW 29

30 PCM Aby w dalszej fazie sygnał mógł być prawidłowo odtworzony to zgodnie teorią Nyguista częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwukrotnie większa od częstotliwości sygnału próbkowanego Dla telefonicznego sygnału mowy 2* f max = 2x3,4 khz = 6,8 KHz Przyjęto częstotliwość próbkowania f S = 8 KHz Momenty próbkowania co T S =1/f=125µs 2015 Instytut Telekomunikacji PW 30

31 PCM 2. Kwantyzacja sygnału Amplitudom próbek sygnału przyporządkowane są wartości dyskretne ze skończonego zbioru. Konwerter A/C (analogowo cyfrowy) dokonuje kwantyzacji sygnału przez podzielenie dostępnego zakresu amplitud na równe przedziały wartości (poziomy kwantyzacji) Każda z próbek sygnału jest aproksymowana i przypisana do odpowiedniego przedziału Instytut Telekomunikacji PW 31

32 PCM 3. Kodowanie sygnału Każdy z możliwych poziomów kwantyzacji jest wyrażony przez dane cyfrowe (bity). Ilość bitów dla danej reprezentacji zależy od ilości poziomów kwantyzacji. W PCM zdefiniowano 128 poziomów kwantyzacji dla dodatnich i 128 poziomów dla ujemnych wartości amplitudy Każdy z poziomów kwantyzacji jest wtedy reprezentowany przez 8 bitów Szybkość transmisji sygnału PCM: R b = f S x 8 = 64 Kb/s 2015 Instytut Telekomunikacji PW 32

33 Telefonia stacjonarna ISDN - Integrated Services Digital Network Technika umożliwiająca udostępnienie usług transmisji cyfrowej bez pośrednictwa urządzeń analogowych w publicznej komutowanej sieci telefonicznej (PSTN). Połączenia ISDN zalicza się do grupy połączeń oddzwanianych (komutowanych). System ISDN jest znormalizowany w zaleceniach ITU-T oraz standardach ETSI Instytut Telekomunikacji PW 33

34 ISDN Sieć zintegrowana ISDN 2015 Instytut Telekomunikacji PW 34

35 ISDN Dostęp do sieci ISDN: podstawowy BRI (Basic Rate Interface) lub BRA (Basic Rate Access) dwa cyfrowe kanały transmisyjne B (Bearer Channel) o przepływnościach po 64 kb/s i jeden kanał sygnalizacyjny D (Control Channel) o przepływności 16 kb/s. Dostęp 2B + D Nieekranowana para (skrętka) przewodów w kablu. pierwotny PRI lub PRA (Primary Rate Interface lub Primary Rate Access ) składający się z jednego strumienia E1 (przepływność 32 x 64 = 2048 kb/s) i jednego kanału sygnalizacyjny D (Control Channel) o przepływności 64 kb/s. W USA zamiast E1 jest strumień T1 (przepływność 16 x 64 = 1024 kb/s Instytut Telekomunikacji PW 35

36 ISDN Kanały B przesyłanie danych, kanały rozmówne Kanały D kanał sygnalizacyjne zestawianie i zarządzanie połączeniami, wykorzystują protokół sygnalizacyjny DSS1 Ramka PCM 30/32 szczelina 0 - synchronizacja szczelina 16 - kanał D (64 kbit/s) światłowód lub kabel koncentryczny do abonenta 2015 Instytut Telekomunikacji PW 36

37 ISDN Usługi w sieci ISDN usługi przenoszenia (bearer services) - usługi transportowe dotyczące realizacji transmisji między terminalami użytkowników. Określają one zdolności sieci ISDN jeśli chodzi o tryby transmisji, przepływności binarne i stosowane protokoły transmisyjne. Tele-usługi (teleservices), obok odpowiednich usług przenoszenia definiują sposoby sterowania urządzeniami końcowymi w zależności od rodzaju usług w cyfrowej sieci ISDN. Główne usługi przenoszenia w trybie komutacji kanałów: usługi o szybkości transmisji 64 kb/s pozwalające na przesyłanie dowolnej informacji; usługi przenoszenia o szybkości transmisji 64 kb/s służące przesyłaniu sygnałów fonicznych w paśmie 3.1 khz; usługi przenoszenia do przekazu sygnałów mowy Instytut Telekomunikacji PW 37

38 ISDN Tele-usługi telefonia cyfrowa teletekst telefaks wideotekst wideofonia poczta elektroniczna transmisja danych 2015 Instytut Telekomunikacji PW 38

39 ISDN Usługi teleakcji usługi polegające na przesyłaniu krótkich komunikatów, wymagających niewielkich szybkości transmisji (do 10 kb/s). Są one realizowane w trybie transmisji pakietowej poprzez kanał sygnalizacyjny D16. o Telealarm komunikaty o alarmie przekazywane od abonenta do sieci o Telealert transmisja rozsiewcza, komunikaty przesyłane są w kierunku przeciwnym niż telealert o Telekomenda zdalne sterowanie urządzeniami abonenta o Telemetria odczyt parametrów urządzeń zainstalowanych u abonenta i przesłanie ich do określonego celu 2015 Instytut Telekomunikacji PW 39

40 ISDN Elementy (urządzenia) sieci ISDN TE (Terminal Equipment) terminale stanowiące wyposażenie abonenta umożliwiające korzystanie teleusług. Są dwie klasy terminali: TE1 i TE2. Te pierwsze mogą być dołączone do systemu bezpośrednio, dołączenie drugich wymaga pośrednictwa specjalnych adapterów; TA (Terminal Adapter) pełnią funkcje fizycznego oraz logicznego interfejsu między zasobami sieci ISDN oraz terminalami klasy TE2, które nie są przystosowane do współpracy z resztą systemu (np. telefony analogowe, faksy grupy 3, komputery ze stykiem RS 232C ) Instytut Telekomunikacji PW 40

41 ISDN NT (Network Termination) - zakończenia sieciowe Dwie klasy: NT1 (obsługa warstwy 1 i 2 modelu OSI ) i NT2 pełniące dodatkowo funkcje warstwy 3. LT (Loop Termination) - zakończenia liniowe, wypełniają funkcje związane z zasilaniam, generowaniam i odbiorem kodu liniowego oraz funkcje testowania, kontroli stanu łącza. ET (Exchange Termination) - zakończenia centralowe, pełnią funkcje obsługi terminali, między innymi tworzenie i odbiór informacji związanej z sygnalizacją abonencką Instytut Telekomunikacji PW 41

42 ISDN Konfiguracja dla sieci abonenckiej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 42

43 ISDN Styk R - między adapterem terminala a modułem TE2. Nie jest zestandaryzowany z uwagi na trudność jednolitej specyfikacji wielu urządzeń, które mogą być dołączone. Styk T - interfejs między zakończeniami sieciowymi NT1 NT2 Styk S - umiejscowiony jest między sprzętem użytkownika (TE1 lub TE2 wraz z TA) a modułem NT2. Umożliwia przyłączenie lokalnej centralki telefonicznej (PBX) na linii o długości do ok. 600m., a może być także użyty jako pasywna magistrala do której można dołączyć do 8 terminali sprzętowych (TE). Styk U (pętla abonencka U) - interfejs umożliwiający współpracę zainstalowanego w miejscu abonenta modułu NT1 z linią telefoniczną operatora Instytut Telekomunikacji PW 43

44 Telefonia stacjonarna Source: York University 2015 Instytut Telekomunikacji PW 44

45 Sygnalizacja SS7 - System Sygnalizacji Nr 7 (Common Channel Signaling System No. 7 ) Cyfrowa sieć sygnalizacyjna, zestaw protokołów sygnalizacyjnych stosowanych w sieciach telekomunikacyjnych, zarówno w sieci PSTN jaki i GSM. Węzły sieci (punkty sygnalizacyjne) połączone są łączami sygnalizacyjnymi. Informacja sygnalizacyjna sterująca połączeniami telefonicznymi przesyłana jest między węzłami sieci sygnalizacyjnej. W większości przypadków łącza sygnalizacyjne są łączami wydzielonymi (służą jedynie do transmisji informacji sygnalizacyjnej) i mają przepustowość 64 kb/s. Transmisja informacji sygnalizacyjnej realizowana jest w formie pakietowej. Podstawowe protokoły: TUP (Telephone User Part) telefonia klasyczna ISUP (ISDN User Part) sieć ISDN DUP (Data User Part) transmisja danych 2015 Instytut Telekomunikacji PW 45

46 Sygnalizacja Standard SS7 identyfikuje i definiuje funkcjonalności cyfrowej sieci sygnalizacyjnej oraz określa rodzaje protokołów które powinny być zastosowane. Funkcjonalności podstawowe zestawianie połączenia rozłączanie połączenia zarządzanie połączeniami, taryfikacja W sieciach komórkowych roaming uwierzytelnianie abonenta Sieci inteligentne przekierowywanie połączeń identyfikacja abonenta dzwoniącego CLIP poczta głosowa połączenia bezpłatne, odtwarzanie zapowiedzi słownych sieci wydzielone VPN (Virtual Private Networks) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 46

47 Telefonia stacjonarna Mowa - dane - multimedia Centrale PSTN wspierają technologię ISDN technology (64 kb/s...2 Mb/s). B-ISDN jest szerokopasmowym rozwinięciem N-ISDN (do 100Mb/s). N-ISDN (Narrowband ISDN) 2B+D 2015 Instytut Telekomunikacji PW 47

48 Telefonia stacjonarna Współczesna sieć PSTN Sieć szkieletowa Linia abonencka Sieć PSTN Linia abonencka Transmisja analogowa i linia na skrętce miedzianej używane tylko na ostatnim odcinku (przyłącze abonenckie) Sygnał mowy filtrowany do 4 KHz na wejściu sieci cyfrowej Zwielokrotnienie czasowe TDMA wewnątrz sieci Coraz szersze wykorzystanie łączy światłowodowych i transmisji bezprzewodowej Transmisja strumieni T1/E1, synchroniczne protokoły SONET/SDH Sygnalizacja powiązana z kanałem transmisyjnym bądź realizowana przy użyciu oddzielnego kanału sygnalizacyjnego (SS7) Automatyczne wyznaczanie trasy (routing) Zawansowane algorytmy optymalizujące routing 2015 Instytut Telekomunikacji PW 48

49 Sieć transportowa SDH SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Technika określająca sposób przesyłu dużej ilości informacji transportowych, między odległymi lokalizacjami. w sieciach Wszystkie urządzenia pracują w trybie synchronicznym, są zsynchronizowane do zegara nadrzędnego i do siebie nawzajem. Struktura pierścieniowa sieci SDH, możliwość automatycznej rekonfiguracji. Podstawowy moduł transportowy STM-1 ( Synchronous Transport Module) ma przepływność Mb/s). Stosowane jest zwielokrotnienie czasowe TDM (Time Division Multiplexing) sygnałów. Przepływności transmisji danych są wielokrotnościami STM-1. Używane krotności: STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 (622,08 Mb/s), STM-16 (2488,32 Mb/s) STM-64 (9953,28 Mb/s) STM-256 (39813,12 Mb/s) STM-512 (80 Gbit/s) Instytut Telekomunikacji PW 49

50 DSL DSL Digital Subscriber Loop Rodzina technik zapewniających dostęp do Internetu z wysokimi przepływnościami z wykorzystaniem transmisji po istniejących przyłączach abonenckich (pętla lokalna) sieci PSTN. Techniki DSL : HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Loop) Stała szybkość transmisji, Mb/s ADSL (Assymetric Digital Subscriber Loop) Szybkość transmisji może się zmieniać, dla kierunku downlink do 20 Mb/s, w górę (uplink) do 1.5 Mb/s VDSL (Very High-bit-rate Digital subscriber Loop) Downlink do 55 Mb/s, Uplink do 3 Mb/s VDSL2 (Very High-bit-rate Digital Dubscriber Loop) Downlink do 100 Mb/s, Uplink do 20 Mb/s 2015 Instytut Telekomunikacji PW 50

51 DSL Technologia ADSL (Assymetric Digital Subscriber Loop) Asymetryczne ponieważ transmisja realizowana jest z różnymi szybkościami dla kierunków w dół i w górę. Większa przepływność jest dla downlink (do użytkownika) niż dla uplink (od użytkownika). Pasmo jakie zajmuje sygnał - do częstotliwości 1.1 MHz Odległość od abonenta do centrali telefonicznej oraz typ i średnica kabla decydują o uzyskiwanych szybkościach transmisji Wykorzystywana jest adaptacyjna technika transmisji wykorzystująca modulację sygnału na wielu nośnych. W fazie początkowej (treningowej) testowane są parametry łącza, uzyskane wyniki pozwalają na ustalenie maksymalnej możliwej szybkości transmisji Instytut Telekomunikacji PW 51

52 ADSL Modulacja - DMT (Discrete Multitone Modulation) System decyduje o podziale pasma Kanał 0 jest zarezerwowany dla transmisji głosu Kanały 1-5 nie używane, stanowią odstęp ochronny między transmisją mowy a transmisją danych. Kanały 6-30 (25) transmisja danych w kierunku uplink. 1 kanał kontrolny 24 kanały informacyjne, każdy o szerokości pasma 4 KHz. Kanały (225) transmisja danych w kierunku downlink. 1 kanał kontrolny i 224 kanały informacyjne. Szybkości transmisji: Uplink = 64 Kb/s do 1 Mb/s Downlink = 500 Kb/s to 8 M/s 2015 Instytut Telekomunikacji PW 52

53 ADSL DMT jest rodzajem modulacji OFDM wykorzystywanym w systemach DSL (Digital Subscriber Loops) DMT wykorzystuje 224 nośne dla kierunku w dół (downstream) i 32 nośne dla kierunku w górę (upstream), odległość między sąsiednimi nośnymi wynosi kHz 2015 Instytut Telekomunikacji PW 53

54 DSL Architektura systemu DSL Strona abonenta: modem DSL Pętla lokalna dołączona jest jest do układu filtrującego pozwalającego na odseparowanie sygnału mowy od sygnału danych. modem ADSL realizuje funkcje związane z modulacją, kodowaniem sygnału, tworzy strumienie downlink i uplink wykorzystując do tego technikę DMT Strona centrali telefonicznej: DSLAM DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) realizuje podobne funkcje transmisyjne co modem ADSL DSLAM dokonuje pakietyzacji danych do przesłania przez Internet (ISP server) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 54

55 DSL a abonent do centrali telefonicznej pętla lokalna a sygnał mowy dane centrala telefoniczna do sieci telefonicznej sygnał mowy a pętla lokalna od abonenta a do Internetu dane 2015 Instytut Telekomunikacji PW 55

56 Sieć dostępowa ADSL System zarządzania Splitter ADSL SNU System transmisyjny OLT Centrala telefoniczna Sieć tr. danych FR /ATM ONU ADSL Splitter NT - zakończenie sieciowe ONU - optyczna jednostka sieciowa SNU - usługowa jednostka sieciowa, OLT - optyczne zakończenie liniowe 2015 Instytut Telekomunikacji PW 56

57 VoIP - Voice over Internet Protocol Telefonia internetowa Technika, która pozwala na przesyłanie mowy po łączach internetowych lub w sieciach wykorzystujących protokół IP. Dane przesyłane są z użyciem protokołu IP, co pozwala wykluczyć ich zbędny transfer w momencie gdy rozmówcy milczą. Możliwe są połączenia z innymi użytkownikami VoIP jak i z użytkownikami telefonii tradycyjnej (np. przy użyciu telefonu IP lub wykorzystując bramkę VoIP skonfigurowaną do użycia w sieci określonego operatora) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 57

58 VoIP Zalety VoIP Swoboda wyboru operatora, musi on zapewniać jedynie dostęp do Internetu i bezpłatne rozmowy wewnątrz sieci Niższy koszt połączeń w porównaniu z telefonią tradycyjną w przypadku operatorów świadczących usługi VoIP Pełna mobilność użytkownika (gdy korzysta z mobilnego dostępu do Internetu) Integracja z innymi multimedialnymi usługami 2015 Instytut Telekomunikacji PW 58

59 VoIP Wady VoIP Większa zawodność usług, niska jakość w przypadku wolnego łącza internetowego Konieczność posiadania łącza internetowego, określonego sprzętu i/lub oprogramowania Przy realizacji sprzętowej większe koszty dla użytkownika końcowego Trudność w lokalizacji abonenta co jest istotne np. w przypadku połączenia alarmowego 2015 Instytut Telekomunikacji PW 59

60 VoIP Urządzenia VoIP Telefon VoIP Telefon bezprzewodowy VoIP WiFi Videotelefon VoIP Bramka VoIP 2015 Instytut Telekomunikacji PW 60

61 Konfiguracje połączenia urządzeń VoIP Telefon PBX Bramka IP Internet 2015 Instytut Telekomunikacji PW 61

62 Konfiguracje połączenia urządzeń VoIP Telefon PBX Router komputer Internet 2015 Instytut Telekomunikacji PW 62

63 Konfiguracje połączenia urządzeń VoIP Internet Telefon bezprzewodowy VoIP WiFi 2015 Instytut Telekomunikacji PW 63

64 Telefonia komórkowa downlink 5MHz Computer 5MHz uplink switch (głos) PSTN switch (dane) Internet 2015 Instytut Telekomunikacji PW 64

65 Transmisja radiowa Zalety komunikacji bezprzewodowej Mobilność - możliwość przemieszczania się Łatwość modyfikacji, rozbudowy sieci Stosunkowo prosta instalacja bez okablowania Skalowalność sieci Możliwy duży zasięg 2015 Instytut Telekomunikacji PW 65

66 Transmisja radiowa Wady komunikacji bezprzewodowej Przepływności niższe niż w innych systemach Ograniczone pasmo Wysoki poziom zakłóceń i zniekształceń z uwagi na wielodrogowość transmisji, rozpraszanie energii, duże tłumienia sygnału Wymagania pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej Stopień bezpieczeństwa niższy niż w innych systemach - podsłuchy, zakłócenia celowe 2015 Instytut Telekomunikacji PW 66

67 Transmisja radiowa Propagacja w kanale radiowym wielodrogowość propagacji sygnału tłumienie sygnału odbicia sygnału rozpraszanie (dyspersja) sygnału ugięcia sygnału zaniki sygnału wpływ efektu Dopplera 2015 Instytut Telekomunikacji PW 67

68 moc odebrana Transmisja radiowa Wielodrogowość propagacji opóźnienie Instytut Telekomunikacji PW 68

69 Transmisja radiowa Sygnał odebrany jest sumą sygnałów docierających do odbiornika różnymi drogami. Kopie sygnału oryginalnego docierają z różnym poziomem (mocą), różnymi opóźnieniami i przesunięte w fazie. Wynikiem jest interferencja (nakładanie się) między elementami sygnału nadawanego. Poziom interferencji zależy od długości odpowiedzi kanału i szybkości transmisji. Eliminacja interferencji międzysymbolowej ISI (Inter-Symbol Interferencje) realizowana jest poprzez zastosowanie transmisji wielotonowej - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Instytut Telekomunikacji PW 69

70 Telefonia komórkowa Początek systemów telefonii mobilnej (systemy pierwszej generacji) datuje się na rok 1980, w różnych krajach powstało kilka rywalizujących ze sobą standardów. NMT (Nordic Mobile Telephone) standard skandynawski; adoptowany w większości Europy TACS (Total Access Communication Systems) 1985r., standard angielski; stosowany też w Azji i Japonii AMPS (Advanced Mobile Phone Service) standard amerykański Radiocom 2000 (wyłącznie we Francji), tylko analogowa transmisja mowy z wykorzystaniem modulacji FM Różne zakresy częstotliwość były stosowane w różnych systemach: NMT: 450 MHz na początku, 900 MHz później TACS: 900 MHz i 1230 dwukierunkowych kanałów (25KHz każdy) AMPS: 800 MHz 2015 Instytut Telekomunikacji PW 70

71 Telefonia komórkowa Systemy komórkowe Obsługiwany obszar podzielony jest na pewną liczbę komórek, wewnątrz których umiejscowione są nadawczo-odbiorcze stacje bazowe. Kiedy abonent znajduje się w obrębie komórki jest obsługiwany przez odpowiadającą danej komórce stację bazową. Sygnał z urządzenia przenośnego (telefon) jest nadawany do stacji bazowej przy użyciu fal radiowych zamiast łączy przewodowych. Jednak, sygnał z ze stacji bazowej może być dostarczany do centrali systemu komórkowego przy użyciu toru kablowego Instytut Telekomunikacji PW 71

72 Telefonia komórkowa Antena stacji bazowej dokonuje przekształcenia odebranego sygnału w sygnał elektryczny, który następnie jest przekazywany do centrali systemu komórkowego. Stacja bazowa transmituje odebrany sygnał do najbliższej centrali systemu komórkowego, która w zależności od punktu docelowego połączenia przełącza go do innej stacji bazowej lub do publicznej sieci komutowanej PSTN. Jeśli abonent zmienia swoje położenie przemieszczając się do innej komórki połączenie jest przekierowywane (handover) do stacji bazowej komórki w której się aktualnie znajduje. Urządzenie abonenta (telefon) komunikuje się ze stacją bazową na ściśle określonej częstotliwości Instytut Telekomunikacji PW 72

73 Telefonia komórkowa Stacja bazowa Stacja bazowa Cyfrowa centrala systemu komórkowego PSTN Stacja bazowa 2015 Instytut Telekomunikacji PW 73

74 Telefonia komórkowa Systemy 1 generacji (analogowe) 1G NMT 450 (1981) AMPS (1983) NMT 900 (1986) Systemy 2 generacji (cyfrowe) 2G GSM (1992) DCS 1800 (1994) CDMA (1991) D-AMPS (1991) PDC (1993) GPRS (2000) 3G Systemy 3 generacji UMTS / IMT2000 (2001) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 74

75 Telefonia komórkowa Pierwszej generacji - analogowe AMPS (USA), TACS (UK), JTACS (Japonia), NMT (Skandynawia) - transmisja analogowa w standardzie FM Drugiej generacji - cyfrowe GSM (Europa) - pasmo 900 MHz, TDMA, 271 Kb/s - pasmo 1800 MHz, TDMA, 271 Kb/s IS-136 (Ameryka Północna) - pasmo 800 MHz, TDMA, 48 Kb/s IS-95 (Ameryka Północna) (cdmaone) - pasmo 800/1900 MHz, CDMA, 1.23 Mb/s PDC (Japonia) - podobne do IS-136 od strony radiowej i do GSM od strony sieci 2015 Instytut Telekomunikacji PW 75

76 Telefonia komórkowa 1G 2G 2.5G 3G 4G 2015 Instytut Telekomunikacji PW 76

77 Telefonia komórkowa Komunikacja w systemach komórkowych: Systemy 1 generacji (analogowe) Każda rozmowa zajmuje inny kanał częstotliwościowy, który ma odpowiadające mu urządzenia nadawczo-odbiorcze w stacji bazowej. Wykorzystywane jest zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości FDM (Frequency Division Multiplex) Systemy cyfrowe Jeden nadajnik i jeden odbiornik stacji bazowej realizuje jednocześnie wiele niezależnych od siebie rozmów nadawanych okresowo jedna po drugiej w kolejnych szczelinach czasowych. Wykorzystywane jest tu zwielokrotnienie TDM (Time Division Multiplexing) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 77

78 Telefonia komórkowa Główne systemy używane obecnie Global System for Mobile Comm. (GSM) Digital AMPS (D-AMPS), US Code Division Multiple Access (IS-95) Qualcomm,US Personal Digital Cellular (PDC), Japan GSM to system zrodzony w Europie, obecnie zaimplementowany w ok. 200 krajach świata, usługi świadczy ponad 500 operatorów telefonii mobilnej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 78

79 Telefonia komórkowa Wiele nadajników o małej (poniżej 100 W) mocy Obsługiwany obszar podzielony jest na komórki W każdej komórce antena nadawczo-odbiorcza Stacje bazowe wyposażone w nadajnik, odbiornik i układy kontroli Stacje bazowe umieszczone w centrum lub na granicy komórek Każdej stacji bazowej przyporządkowane określone pasmo (zakres częstotliwości) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 79

80 Telefonia komórkowa 3-sektorowa antena stacji bazowej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 80

81 Telefonia komórkowa Planowanie sieci komórkowej Pokrycie obsługiwanego obszaru dużą liczbą stacji bazowych (BS) Podzielenie obsługiwanego obszaru na komórki o określonym kształcie (najczęściej heksagonalnym) Przydzielenie komórkom odpowiednich częstotliwości do transmisji. Te same częstotliwości nie mogą być używane w sąsiednich komórkach z uwagi na interferencje między sygnałami 2015 Instytut Telekomunikacji PW 81

82 Telefonia komórkowa Obsługiwany obszar rzeczywiste pokrycie kom. 1 komórka 2 komórka 1 Wielkość komórki jest różna, zależy od gęstości użytkowników na danym terenie. Idealne pokrycie (w praktyce różne od modelu teoretycznego) nie powinno zawierać dziur jak i nakładania się komórek Instytut Telekomunikacji PW 82

83 Telefonia komórkowa Komórki Makrokomórki promień większy od 1km kształt heksagonalny Mikrokomórki promień większy od 100 m, mniejszy niż 1km kształt heksagonalny lub typu Manhattan Pikokomórki promień rzędu kilku - kilkudziesięciu metrów różne kształty 2015 Instytut Telekomunikacji PW 83

84 Telefonia komórkowa - GSM BSS - Base Station System (stacja bazowa) MSC - Mobile Services Switching Centre (cyfrowa centrala) MS - Mobile Station (stacja mobilna) do sieci telefonicznej łącze radiowe łącze naziemne MS BSS BSS BSS BSS MSC BSS BSS BSS 2015 Instytut Telekomunikacji PW 84

85 Telefonia komórkowa - GSM Zakresy częstotliwości Uplink (w górę) Downlink (w dół) MHz MHz 100 khz khz khz 124 x 200 khz nośne + 2 x 100kHz pasma ochronne na obu krańcach 2015 Instytut Telekomunikacji PW 85

86 Telefonia komórkowa - GSM GSM 900 GSM 1800 GSM 1900 Pasmo Uplink MHz MHz MHz Pasmo Downlink MHz MHz MHz Ilość częstotliwości Instytut Telekomunikacji PW 86

87 GSM funkcje MSC Komutacja połączeń abonentów mobilnych ze stałymi (PSTN) Komutacja połączeń między abonentami mobilnymi Koordynacja lokalizacji abonenta i przekazywania połączenia Realizacja usług dla abonentów mobilnych Zbieranie danych do billingu Zbieranie danych odnośnie ruchu (transferu informacji) Pozostałe funkcje związane z zarządzaniem 2015 Instytut Telekomunikacji PW 87

88 GSM funkcje BSS Transmisja i odbiór sygnałów radiowych Komunikacja z MSC i abonentami mobilnymi Lokalizacja abonenta Testowanie urządzeń kontroli i funkcji rekonfiguracyjnych Funkcje związane z przetwarzaniem sygnału mowy Funkcje zestawiania połączenia, nadzoru i rozłączenia 2015 Instytut Telekomunikacji PW 88

89 Architektura sieci GSM Home Location Register Visitor Location Register BTS BSC HLR VLR Base Station Controller BTS MSC BTS BSC EIR AuC Base Transceiver Station Equipment Identity Register Autenthication Center 2015 Instytut Telekomunikacji PW 89

90 GSM BTS (Base Transceiver Station) nadawcza stacja bazowa Urządzenie nadawczo-odbiorcze z anteną umieszczoną na wysokim maszcie. Łączy terminal użytkownika z częścią stałą sieci cyfrowej. Obejmuje zasięgiem jedną lub więcej komórek. BSC (Base Station Controller) kontroler stacji bazowej Nadzoruje kilka, kilkanaście stacji BTS. Realizuje między innymi komutację połączeń miedzy BTS. Połączony z BTS łączem kablowym lub radiolinią. HLR (Home Location Register) rejestr abonentów macierzystych Baza danych zwierająca informacje o abonentach wymagane do zestawienia połączenia. Zawiera dane o setkach tysięcy, milionach abonentów. Jest zapasowy HLR. VLR (Visitor Location Register) rejestr abonentów gości Zawiera między innymi dane o położeniu abonenta pozwalające na lokalizacją i zestawienie polaczenia. Pobiera dane abonenta weryfikowane później w HLR EIR (Equipment Identity Register) rejestr identyfikacji sprzętu Sprawdza ważność sprzętu. AuC (Authentication Center) centrum autentykacji Baza kluczy identyfikacyjnych użytkowników systemu Instytut Telekomunikacji PW 90

91 GSM 2015 Instytut Telekomunikacji PW 91

92 GSM - modem Nadawanie Kb/s sygnał mowy Koder mowy Koder kanałowy Przeplot Fomat burst Szyfrowanie Modulator Interfejs radiowy Odbiór sygnał mowy Dekoder mowy Dekoder kanałowy Rozplot Fomat burst Deszyfrowanie Demodulator Modem GSM 2015 Instytut Telekomunikacji PW 92

93 GSM Dostęp TDMA ramka 1 ramka DOWNLINK ramka 1 ramka UPLINK BS MS1 MS7 MS0 MS Instytut Telekomunikacji PW 93

94 Ewolucja systemu GSM 57.6 Kb/s, 14.4 Kb/s. GSM Global System for Mobile Communications HSCSD High Speed Circuit Switched Data 2G do 170 Kb/s. GPRS General Packet Radio Service 2.5 G do 380 Kb/s. EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution 2.5 G 7.2 Mb/s, 1.4 Mb/s. UMTS Universal Mobile Telecommunication System 3G 2015 Instytut Telekomunikacji PW 94

95 Ewolucja GSM UMTS Universal Mobile Telecommunication System 3G LTE Long Term Evolution 4G 2015 Instytut Telekomunikacji PW 95

96 System komórkowy 3G - UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunication System Podstawowa różnica z GSM nowy interfejs radiowy naziemna sieć dostępu radiowego UTRAN (UMTS Terrestial Radio Access Network) satelitarna sieć dostępu radiowego USRAN (UMTS Satellite Radio Access Network) Transmisja WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) transmisja z widmem rozproszonym, przetwarzanie bezpośrednie przepływności rzędu kilku kilkunastu Mb/s kanał o szerokości 5MHz, modulacja QPSK adaptacja przepływności poprzez odpowiedni dobór długości kodów rozpraszających i liczby strumieni Usługi szerokopasmowe: dostęp do Internetu transmisja strumieni danych o dużej przepływności (video) TV, radio 2015 Instytut Telekomunikacji PW 96

97 System komórkowy 3G - UMTS downlink 5MHz PSTN 5MHz uplink switch (głos) Computer Internet switch (dane) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 97

98 UMTS Sieć UMTS składa się z trzech części Sieć szkieletowa Zapewnia przełączanie sygnału, wyznaczanie trasy połączenia i transport danych abonenta. Sieć dostępowa UMTS UTRAN (Terrestrial Radio Access Network) Zapewnia interfejs radiowy między urządzeniem abonenta a dalszą częścią systemu. Wyposażenie użytkownika Urządzenia końcowe (smartfon, komputer ) zdolne do komunikacji ze stacją bazową Instytut Telekomunikacji PW 98

99 Ewolucja GSM głos i dane PSTN ISDN+ Internet Internet+ ISUP A GSM / UMTS sieć szkieletowa TCP / IP l u GSM radiowa sieć dostępowa UMTS naziemna radiowa sieć dostępowa (UTRAN) szeroki obszar: 64/115 kb/s lokalnie: 384 kb/s GSM GSM / IMT-2000 IMT-2000 szeroki obszar: 384 kb/s lokalnie: 2 Mb/s 2015 Instytut Telekomunikacji PW 99

100 S D Architektura UMTS terminal użytkownika Podsystem Stacji bazowej Podsystem sieci Inne sieci SIM ME BTS BSC MSC/ VLR GMSC PSTN EIR HLR AUC PLMN RNS USIM ME Node B RNC SGSN GGSN Internet + UTRAN 2015 Instytut Telekomunikacji PW 100

101 UMTS Interfejs radiowy zrealizowany przy użyciu techniki szerokopasmowej transmisji CDMA (Code Division Multiple Access) WCDMA TD-SCDMA Stacje bazowe określone są jako Node-B, urządzenia kontroli jako Node-C i pełnią funkcje kontroli sieci radiowej (Radio Network Controller). Funkcje Node-B Interfejs radiowy Tx/Rx Modulacja/Demodulacja Funkcje RNC Kontrola zasobów radiowych Przydział kanałów Kontrola ustawień mocy sygnału Kontrola przekazywania połączenia (handover) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 101

102 Systemy komórkowe - standaryzacja Standaryzacja systemów 3G ITU (International Telecommunication Union) FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications Systems) IMT (international Mobile Telecommunications) Standaryzacja UMTS, LTE ETSI (European Telecommunications Standard Institute) 3GPP (Third Generation Partnership Project) Instytut Telekomunikacji PW 102

103 Systemy komórkowe 4G Systemy LTE (Long Term Evolution) Duże przepływności ( Mb/s) Technika OFDM i technologia MIMO Większa efektywność widmowa Elastyczne wykorzystanie 100 MHz pasma Zwiększona pojemność systemu Redukcja kosztu transferu danych Aplikacje w pełni multimedialne 2015 Instytut Telekomunikacji PW 103

104 Szerokość kanału 20 MHz Systemy LTE Przepływność w dół -100 Mb/s Przepływność w górę 50 Mb/s 4x4 MIMO Podstawowe parametry 200 użytkowników w każdej komórce Opóźnienie pakietów <5 ms Optymalny promień komórki do 5 km Dobre parametry dla użytkowników w ruchu (do 120 km/h) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 104

105 Systemy LTE OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing SC FDMA Single Carrier FDMA 2015 Instytut Telekomunikacji PW 105

106 Systemy LTE Techniki radiowe stosowane w LTE Transmisja OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) dla kierunku downlink Transmisja SC-FDMA (Uses Single Carrier Frequency Division Multiple Access) dla kierunku uplink Technika MIMO (Multi-input Multi-output) umożliwiająca zwiększenie przepustowości Zredukowany pobór mocy Większa moc efektywność (w sensie mocy) stosowanych wzmacniaczy w.cz. (mniejszy wydatek mocy baterii telefonusmartfona) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 106

107 Systemy LTE Architektura sieci LTE enodeb 1 UE: urządzenie abonenta enodeb: stacja bazowa komórkowa sieć szkieletowa S-GW: brama pośrednicząca MME/HSS P-GW: brama pośrednicząca z siecią pakietową WU 1 enodeb 2 S-GW 1 MME: jednostka zarządzania HSS: serwer obsługi abonenta P-GW WU 2 enodeb 3 S-GW 2 Tunele GTP Internet i inne sieci IP 2015 Instytut Telekomunikacji PW 107

108 Systemy LTE Stosowane techniki OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - technika transmisyjna zapewniająca odporność na zakłócenia spowodowane interterferencją międzysymbolową, wysoka efektywność widmowa. SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) Transmisja na pojedynczej nośnej. Niższy w porównaniu z OFDMA współczynnik PAPR (peak-to-average power ratio) co jest korzystne w przypadku transmisji w kanale nieliniowym. MIMO (Multiple Input Multiple Output) system wykorzystujący kilka anten dla poprawy jakości odbioru w przypadku propagacji wielodrogowej (sygnał dochodzący różnymi ścieżkami). Stosuje się MIMO (2 lub 4)x(2 lub 4) do transmisji w obu kierunkach Instytut Telekomunikacji PW 108

109 Systemy LTE HARQ (Hybrid Automatic Repeat on request) techniki korekcji błędów pozwalające na poprawienie jakości transmisji. SON (Self-Organizing Networks) system dający operatorowi możliwość zmniejszenia kosztów związanych z konfiguracją, optymalizowaniem i naprawianiem sieci. SAE (System Architecture Evolution) architektura sieci szkieletowej w standardzie LTE. W porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami większa jest przepustowość (100 Mb/s), sieć w pełni IP wykorzystująca nowoczesne protokoły IPv4,IPv Instytut Telekomunikacji PW 109

110 Systemy LTE Zalety z punktu widzenia operatora Bardzo wysoka przepustowość systemu Niższe opóźnienia w przesyłaniu pakietów Niższy koszt utrzymania systemy Sieć w pełni wspierająca protokoły IP Prosta modernizacja, przejście od systemów 3G 2015 Instytut Telekomunikacji PW 110

111 Systemy LTE Zalety z punktu widzenia użytkownika szybki transfer (pobieranie i wysyłanie) danych z uwagi na wysokie przepływności system przyjazny aplikacjom sieć w pełni IP realizacja zaawansowanych aplikacji multimedialnych 2015 Instytut Telekomunikacji PW 111

112 Źródło: Urząd Komunikacji Elektronicznej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 112

113 Źródło: Urząd Komunikacji Elektronicznej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 113

114 Źródło: Urząd Komunikacji Elektronicznej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 114

115 Źródło: Urząd Komunikacji Elektronicznej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 115

116 Źródło: Urząd Komunikacji Elektronicznej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 116

117 2015 Instytut Telekomunikacji PW 117

118 Telefonia satelitarna 2015 Instytut Telekomunikacji PW 118

119 Systemy satelitarne Orbity satelitarne kołowe eliptyczne (np. Tundra, Mołnia) orbity kołowe LEO (Low Earth Orbit) - odl. od Ziemi km MEO (Medium Earth Orbit) km GEO (Geostationary Orbit) km 2015 Instytut Telekomunikacji PW 119 Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

120 Systemy satelitarne 2015 Instytut Telekomunikacji PW 120

121 Systemy satelitarne GEO zalety: - satelita nieruchomy z punktu widzenia obserwatora na Ziemi - pokrywa ok. 42% powierzchni Ziemi wady: - duże tłumienie sygnału na drodze Ziemia-satelita (ok. 200dB) - duże opóźnienie sygnału ( ms) - nie pokrywa obszarów podbiegunowych LEO zalety: - dużo mniejsze tłumienie sygnału w porównaniu z orbitą GEO - małe opóźnienie sygnału wady: - satelita znajduje się w polu widzenia stacji naziemnej przez krótki czas wielokrotnie w ciągu doby - efekt Dopplera - potrzeba wiele satelitów do utrzymania nieprzerwanej łączności 2015 Instytut Telekomunikacji PW 121

122 Systemy satelitarne Pasmo Uplink Downlink C 5,925-6,425 3,700-4,200 6/4 X 7,900-8,400 7,250-7,750 8/7 Ku 14,000-14,500 10,950-11,200 14/11 11,450-11,700 Ku 14,000-14,500 17,300-18,100 11,700-12,200 12,200-12,700 14/12 DBS Ka 27,500-30,000 17,700-20,200 30/20 L 1,6265-1,6605 1,530-1,559 mobile S 2,6 2.5 mobile Zakresy częstotliwości używane w transmisji satelitarnej 2015 Instytut Telekomunikacji PW 122

123 Systemy satelitarne ORGANIZATION STANDARD SATELLITE SERVICES DATA BIT RATE (bit/s) INMARSAT A (1982) MARECS Voice, fax (worldwide coverage) INMARSAT B (1993) MARECS Voice, fax, data (worldwide coverage) INMARSAT Aeronautical (1992) MARECS Voice, fax, data (worldwide coverage) QUALCOMM OmniTracs GSTAR Two-way short messages / navigation (North America) ALCATEL- QUALCOMM EutelTracs EUTELSAT I-II Two-way short messages / navigation (Europe) APPLICATION AREAS TERMINAL COST Analogue FM Maritime 30,000$ k (voice) 40,000$ k Aeroplanes (commercial and private) k (down) Land-mobile 4,000$ (up) 5-15k (down) (up) Land-mobile 4,000$ 50 SERVICE CHARGES ($/min) Systemy komunikacji ruchomej pierwszej generacji 2015 Instytut Telekomunikacji PW 123

124 Systemy satelitarne ORGANIZATION STANDARD SATELLITE SERVICES DATA BIT RATE (bit/s) INMARSAT Mini-M (1996) INMARSAT-III Voice, fax, data (worldwide coverage) OPTUS COMMS. MOBILE-SAT (1994) OPTUS Voice, data, navigation (Australia) APPLICATION AREAS TERMINAL COST 2.4k Maritime and landmobile (laptop size terminals) 5,000$ k (voice) Mobile vehicles 7,000$ k (data) AMSC MSAT (1994) MSAT Voice, data (North 1.2k-9.6k Mobile vehicles 3,000$ America) ESA PRODAT-II ITALSAT F2 Data (Europe) k Management - - SERVICE CHARGES ($/min) Systemy komunikacji ruchomej j generacji 2015 Instytut Telekomunikacji PW 124

125 Systemy satelitarne Inmarsat Mini-M 2015 Instytut Telekomunikacji PW 125

126 Telefonia satelitarna Łącze międzysatelitarne (ISL) Łącze użytkownika mobilnegomul) Link do bramy naziemnej (GWL) GWL MUL Małe komórki (spotbeams) Brama (gateway) ISDN PSTN GSM Użytkownik 2015 Instytut Telekomunikacji PW 126

127 Telefonia satelitarna małe LEO Wykorzystują częstotliwości poniżej 1GHz (typ.150/138mhz) Limitowane pasmo ( 2MHz) Masa kg Wysokość orbity < 2000km Usługi: krótkie wiadomości i nawigacja. Brak komunikacji głosowej. duże nie-geo Częstotliwości powyżej 1 GHz (typ.1.6/2.5ghz, pasma L i S) Większe pasmo ( 16MHz) Masa kg Orbity: kołowe LEO i MEO Usługi: transmisja mowy i danych, nawigacja GEO Częstotliwości powyżej 1 GHz (typ.1.6/2.5ghz, pasma L i S) Limitowane pasmo, systemy wielowiązkowe Masa 4000kg Wysokość orbity: 35786km co powoduje duże opóźnienia ( 250ms) Usługi: transmisja mowy i danych 2015 Instytut Telekomunikacji PW 127

128 Telefonia satelitarna ACeS ASC APMT EAST Thuraya Azja, Afryka 2015 Instytut Telekomunikacji PW 128

129 Telefonia satelitarna Thuraya Pokrycie: część Europy, Azja Centralna, Bliski Wschód, Płn. i środ. Afryka Segment satelitarny orbita GEO, 44 East, 28.5 East 2 satelita, czas życia 15 lat system multibeam, 300 wiązek Segment naziemny Główny (primary) Gateway (w Sharjah, ZEA) - odpowiedzialny za działanie całej sieci, funkcje kontroli i monitorowania Regionalne Gateways - interfejs z systemami naziemnymi Usługi: Głos: 2.4, 4.8 i 9.6 Kbps Dane 2.4, 4.8 i 9.6 Kbps Pojemność systemu: ok kanałów telefonicznych 2015 Instytut Telekomunikacji PW 129

130 Telefonia satelitarna EAST (Euro African Satellite Telecommunications) Pokrycie: Afryka, Środkowy Wschód, Azja Centralna i część Europy Segment satelitarny orbita GEO satelita Eurostar 3000, masa 2300 kg, czas życia 15 lat system multibeam Segment naziemny dwa centra sterowania i zarzadzania siecią satelitarna stacj bazowa systemu zarzadzanie zasobami, zestawianie połączeń, obsługa abonentów Usługi: 160 komórek obsługiwanych w pasmie L (abonenci mobilni) 8 dużych wiązek dla telefoni stacjonarnej (pasmo Ku) Głos: 3.6 kb/s Dane: 2.4 kb/s Pojemność systemu: 6000 dupleksowych kanałów telefonii mobilnej (MSS) i stacjonarnej (FTSS) 2015 Instytut Telekomunikacji PW 130

131 Pokrycie: niemal cały obszar Azji Telefonia satelitarna ACeS (Asia Cellular Satellite) Segment satelitarny orbita GEO, 80.5 East i 123 East 2 satelity GARUDA, czas życia 12 lat system multibeam, 140 wiązek Segment naziemny Centrum kontroli satelity (SCF) Centrum kontroli sieci (NCC) Stacje bazowe - interfejs z systemami naziemnymi Usługi: Usługi podobne jak w GSM (satelitarmy wariant systemu GSM) Łaczność z terminalami w pasmie L, z NCC w paśmie C Pojemność systemu: ok kanałów telefonicznych 2015 Instytut Telekomunikacji PW 131

132 Telefonia satelitarna Type of orbit Altitude (km) Inclination angle (deg) No of orbit planes No of satellites Czas obiegu Visibility time (min) Min. elevation angle (deg) Max signal delay (ms) IRIDIUM LEO GLOBALSTAR LEO services Voice (kb/s) Data (kb/s) Frequency bands Modulation Multiple access No of beams per sat. No of gateways IRIDIUM Voice, fax, data, paging 2.4/ L, Ka QPSK TDMA/FDMA Yes GLOBALSTAR Voice, fax, data, paging L, S, C QPSK CDMA 16 1 per No 500,00km 2 OBP Systemy na orbitach niskich LEO Iridium i Globalstar 2015 Instytut Telekomunikacji PW 132

133 Telefonia satelitarna konstelacja Iridium konstelacja Globalstar 2015 Instytut Telekomunikacji PW 133