Az ábra olyan kétirányú rendszert mutat, amelyben két lézerforrás található
7. A mobiltelefon-rendszer
8.5. A kábeles és az ADSL-összeköttetések összehasonlítása
Melyik jobb, az ADSL- vagy a kábeles kapcsolat? Ez olyan, mintha azt kérdeznénk, hogy melyik operációs rendszer, melyik nyelv vagy vallás a jobb. A válasz attól függ, hogy kinek tesszük fel a kérdést. Hasonlítsuk tehát össze az ADSL- és a kábeles kapcsolat néhány tulajdonságát! Az ADSL sodrott érpárat használ. A koax átviteli kapacitása több százszor jobb a sodrott érpárénál. A kábelrendszerekben viszont nem áll a teljes vonalkapacitás a felhasználó rendelkezésére, mert a kábel sávszélességének elég nagy részét televíziós programokra és más haszontalan dolgokra fordítják.
A gyakorlatban nehéz általánosítani a felhasználó számára rendelkezésre álló kapacitással kapcsolatban. Az ADSL-szolgáltatók határozottan megmondják, hogy mekkora sávszélességet adnak (például 1 Mb/s letöltésre, 256 kb/s feltöltésre), és a sebesség ennek általában a 80%-át folyamatosan el is éri. A kábeles szolgáltatók általában nem állítanak semmit a sávszélességről, mivel a tényleges kapacitás attól függ, hogy hány felhasználó tevékenykedik az adott kábelszakaszon. Néha jobb, mint az ADSL, néha viszont rosszabb is lehet. Ami azonban nagyon idegesítővé válhat, az a kiszámíthatatlansága. Az, hogy az egyik pillanatban remek minőségű szolgáltatást kapunk, nem garantálja azt, hogy a következő pillanatban is hasonlóan jó szolgáltatást fogunk kapni, mivel lehet, hogy a város legnagyobb sávszélesség-leszívója éppen most kapcsolta be a számítógépét.
Ahogyan egy ADSL-rendszer egyre több előfizetőt gyűjt, ezek egyre növekvő száma nem zavarja a már meglevő előfizetőket, mivel minden felhasználónak a többiektől független összeköttetése van. A kábelrendszerben az egyes felhasználók által tapasztalt teljesítmény egyre csökken, ahogyan egyre többen fizetnek elő az internetszolgáltatásra. Erre az egyetlen orvosság az, ha a kábeles szolgáltató több szakaszra bontja a forgalmas kábeleket, és mindegyiket közvetlenül egy fényvezető csomóponttal köti össze. Ez viszont időbe és pénzbe kerül, így az üzleti érdekük azt diktálja, hogy ne tegyék ezt.
Mellesleg egy másik olyan rendszerről is ejtettünk már szót, amely a kábelhez hasonló osztott csatornát használt: ez a mobiltelefon-hálózat. Ebben a rendszerben is a felhasználók egy csoportja (akiket jogosan nevezhetnénk cellatársaknak is) osztozik egy rögzített mennyiségű sávszélességen. Általában ezt TDM-mel és FDM-mel rögzített méretű darabokra osztják fel az aktív felhasználók között, mivel a beszédforgalom nagyon kiegyenlített. Az adatforgalom számára azonban ez a merev felosztás nagyon kevéssé hatékony, mivel az adatot forgalmazó felhasználók gyakran szakaszosan forgalmaznak, így a nekik lefoglalt sávszélesség kárba vész.
Ugyanúgy, mint a kábeltévénél, dinamikusabb megoldást használnak a megosztott sávszélesség lefoglalására.
Az elérhetőség szempontjából az ADSL- és a kábelhálózat különbözik egymástól. Mindenkinek van telefonja, de nem minden felhasználó lakik olyan közel a helyi központhoz, hogy ADSL-t lehessen nála telepíteni.
Másrészt viszont, nem mindenkinél van kábelhálózat, de ha van, és a szolgáltató internet-hozzáférést is biztosít, akkor bárkinél telepíthető. Az üvegszálas csomóponttól vagy a fejállomástól való távolsága nem számít. Azt is fontos megjegyezni, hogy a kábelhálózatoknak kevés céges előfizetőjük van, mivel eredetileg tv-műsorok szórására épültek.
Mivel az ADSL két pont közötti átviteli közegen valósul meg, természetéből fakadóan biztonságosabb a kábelhálózatnál. Egy kábelrendszer bármelyik felhasználója egyszerűen elolvashatja az összes csomagot, amely a kábelen halad. Emiatt minden jobb szolgáltató mindkét irányban titkosítja a teljes forgalmat. Mindazonáltal,
ha a szomszéd megkapja a titkosított üzeneteinket, az még mindig kevésbé biztonságos, mintha semmit sem kapna meg.
A telefonhálózat általában megbízhatóbb a kábelhálózatnál. Például rendelkezik tartalék áramellátással, és így áramkimaradás esetén is működik. Ha a kábelrendszer láncában bármelyik erősítő tápellátása leáll, az összes letöltési irányban lévő felhasználó kapcsolata azonnal megszakad.
Végül, a legtöbb ADSL-szolgáltatónál több internetszolgáltató közül választhatunk, sőt egyes helyeken erre a törvény is kötelezi őket. A kábelszolgáltatóknál ez nem mindig van így.
A végkövetkeztetés az, hogy az ADSL- és a kábelszolgáltatás sokkal inkább hasonlítanak egymásra, mint amennyire különböznek egymástól. Összemérhető szolgáltatást nyújtanak, és ahogyan a kettő közötti verseny egyre jobban kiéleződik, az áraik is egyre jobban közelítenek egymáshoz.
9. Összefoglalás
A fizikai réteg minden hálózat alapja. A természet két olyan alapvető korlátozást kényszerít rá minden csatornára, amelyek meghatározzák a sávszélességét. Ez a két korlát a Nyquist-korlát, amely a zajmentes csatornákon érvényes, és a Shannon-korlát, amely a zajos csatornákon érvényes.
Az átviteli közegek lehetnek vezetékesek vagy vezeték nélküliek. A legfőbb vezetékes közegek a sodrott érpár, a koaxiális kábel és az üvegszál. A vezeték nélküli közegek között találjuk a földfelszíni rádiót, a mikrohullámokat, az infravörös fényt, a levegőben terjedő lézernyalábokat és a műholdakat.
A digitális modulációs eljárások biteket küldenek át a vezetékes vagy vezeték nélküli közegen analóg jel formájában. A vonali kódok alapsávon működnek és a jelek pedig áthelyezhetők egy áteresztősávba a vivőjel amplitúdójának, frekvenciájának és fázisának modulálásával. A csatornák megoszthatók a felhasználók között idő-, frekvencia- és kódosztásos multiplexeléssel.
A legtöbb nagy kiterjedésű hálózatban kulcsfontosságú elem a telefonhálózat. A fő alkotóelemei az előfizetői hurkok, a trönkök és a kapcsolók. Az ADSL 40 Mb/s-ig terjedő sebességeket kínál úgy, hogy az előfizetői hurkot sok, egymástól függetlenül modulált alvivőre osztja fel. Ez lényegesen meghaladja a telefonmodemek sebességét.
A trönkök digitális adatokat visznek át, amelyeket egyrészt WDM-mel multiplexelik a felhasználók közötti sok nagy kapacitású adatkapcsolat egyetlen üvegszálon keresztüli biztosításához, másrészt TDM-mel annak érdekében, hogy minden egyes nagy sebességű adatkapcsolatot megosszanak a felhasználók között. Mind a vonalkapcsolás, mind a csomagkapcsolás egyaránt fontos.
A vezetékes telefonhálózat nem alkalmas a mozgó alkalmazások kiszolgálására. A mobiltelefonokat mostanában széleskörűen használják a beszédtovábbításban, és hamarosan az adatszolgáltatások területén is elterjednek; már a harmadik generációnál tartanak. Az első generáció (1G) analóg volt, és alapja az AMPS volt.
A 2G már digitális, a GSM jelenleg a legszélesebb körben telepített mobiltelefon-rendszer a világon. A 3G digitális és alapja a széles sávú CDMA, WCDMA-val és a CDMA2000-rel is mostanában telepítik.
A hálózatok elérésének egy másik lehetséges eszköze a kábeltelevíziós rendszer, amely fokozatosan alakult át koaxkábeles rendszerről hibrid üvegszálas-koax rendszerré, illetve televíziósról televíziósra és internetesre. A rendszer elméletileg nagyon nagy sávszélességet is biztosíthat, de a gyakorlatban a tényleges sávszélesség nagyban függ a felhasználóktól, mivel a sávszélesség köztük oszlik meg.
10. Feladatok
1. Adjuk meg az függvény Fourier-együtthatóit !
2. Egy 4 kHz-es zajmentes csatornát 1 ms-onként mintavételezünk. Mekkora a maximális adatsebesség?
Hogyan változik a maximális sávszélesség, ha a csatorna zajos, 30 dB-es jel/zaj viszony mellett?
3. A televíziós csatornák 6 MHz sávszélességűek. Hány bit továbbítható rajtuk másodpercenként, ha négyszintű digitális jeleket használunk? Feltételezhetjük, hogy a csatornák zajmentesek.
4. Mekkora az elérhető maximális adatsebesség, ha bináris jeleket továbbítunk egy 3 kHz-es csatornán 20 dB jel/zaj viszony mellett?
5. Mekkora jel/zaj viszony szükséges ahhoz, hogy egy T1-vivőt egy 50 kHz-es vonalon továbbítsunk?
6. Melyek az üvegszálalapú átvitel előnyei a rézzel szemben, illetve van-e valamiféle hátránya a használatának?
7. Mekkora sávszélesség van egy 0,1 mikronos spektrumban, ha a hullámhossz 1 mikrométer?
8. A számítógép képernyőjéről üvegszálon keresztül szeretnénk képeket továbbítani. A képernyő mérete 2560 × 1600 pixel, és minden pixel 24 bites. Másodpercenként 60 képünk van. Mekkora sávszélesség kell ehhez, illetve hány mikrométeres hullámhossz szükséges ennél a sávnál 1,3 mikron esetén?
9. Igaz-e a Nyquist-tétel a kiváló minőségű, egymódusú üvegszálra is, vagy csak a rézvezetékre?
10. A rádióantennák vételi jellemzői akkor a legjobbak, ha az átmérőjük megegyezik a rádióhullámok hullámhosszával. A szokásos antennák átmérője 1 cm és 5 m közé esik. Milyen frekvenciatartománynak felel ez meg?
11. Egy 1 mm széles lézersugárral becélozunk egy 1 mm széles detektort, amely tőlünk 100 méterre, egy háztetőn van. Mekkora szögeltérése lehet (fokban) a lézersugárnak, hogy még eltalálja a detektort?
12. Az Iridium-rendszer 66 alacsonyröppályás műholdját hat láncra osztották el a Föld körül. A műholdak által használt magasságban a periódusidő 90 perc. Átlagosan mennyi idő telik el két átadás között azt feltéve, hogy az adó nem mozog?
13. Számoljuk ki egy csomag végpontok közötti átviteli idejét GEO (keringési magasság: 35 800 km), MEO (keringési magasság: 18 000 km) és LEO (keringési magasság: 750 km) műholdak esetében.
14. Mennyi a késleltetés az Iridium-rendszeren egy Északi-sarkról a Déli-sarkra indított hívás esetén 10 milliszekundumos műholdak közötti váltási idővel és 6371 km-es Föld sugárral számolva?
15. Mi a minimálisan szükséges sávszélesség a B b/s átvitel eléréséhez, ha az átvitelhez NRZ vagy MLT-3 vagy Manchester-kódolást használunk? Fejtse ki a válaszát!
16. Bizonyítsa be, hogy 4B/5B kódolást használva egy átmenet történik legalább 4 bitenként!
17. Hány végpontot lehetett megkülönböztetni az 1984 előtti időszakban, amikor minden egyes végpont háromjegyű régiókóddal és a szám első három jegyével volt azonosítva? A régiókód első jegye 2 és 9 közötti értékeket, a második 0-át vagy 1-et, míg az utolsó tetszőleges értéket tartalmazhatott. A szám első két jegye minden esetben 2 és 9 közötti, a harmadik tetszőleges értéket tartalmazott.
18. Egy egyszerű távbeszélőrendszer két helyi és egy olyan távhívóközpontból áll, amelyhez mindkét helyi központ egy 1 MHz-es duplex trönkön keresztül kapcsolódik. Egy átlagos telefonkészüléken egy 8 órás munkanapon 4 hívást bonyolítanak le. Egy hívás átlagosan 6 percig tart. A hívások 10%-a távhívás (tehát a távhívóközponton keresztül zajlik le). Maximálisan hány telefont tud kezelni egy helyi központ, ha 4 kHz-es áramköröket feltételezünk?
19. Egy helyi telefontársaságnak 10 millió előfizetője van. Minden készüléke rézvezetékkel kapcsolódik a telefonközponthoz. A vezetékek átlagos hossza 10 km. Mennyit ér az előfizetői hurkokban található réz?
Tegyük fel, hogy a vezetékek keresztmetszete kör, átmérője pedig 1 mm. A réz sűrűsége , és kilogrammonként 3 dollárt adnak érte.
20. Egy olajvezeték szimplex, fél-duplex vagy duplex rendszer, esetleg ezek közül egyik sem?
21. A mikroprocesszorok ára olyan alacsonyra zuhant, hogy manapság már lehetséges minden egyes modembe beleépíteni egyet. Milyen hatással van ez a telefonvonal hibáinak kezelésére?
22. A 2.23. ábrán látható modemhez hasonlóan egy másik modem csillagképmintázatának adatpontjai a következők: (1, 1), (1, –1), (–1, 1), (–1, –1). Mekkora adatsebesség érhető el egy ilyen modemmel 1200 baud esetén?
23. Mennyi a maximálisan elérhető adatsebesség egy V.32-es szabványú modemmel 1200 baud esetén hibajavítás nélkül?
24. Hány különböző frekvenciát használ egy teljesen duplex QAM-64 modem?
25. Tíz, egyenként 4000 Hz-et igénylő jelet FDM-mel egyetlen csatornára multiplexelünk. Legalább mekkora sávszélesség szükséges a multiplexelt csatornán? Felteheti, hogy a védősávok 400 Hz szélesek.
26. Miért 125 s a PCM-rendszer mintavételi periódusideje?
27. Hány százalékos rátartással rendelkezik egy T1-vivő; azaz mennyi jut valójában az 1,544 Mb/s-os adatsebességből a felhasználónak? Hogyan kapcsolódik ez a többletterhelési százalékokhoz az OC-1 vagy OC-768 vonalakon?
28. Hasonlítsuk össze annak a két 4 kHz-es zajmentes csatornának a maximális adatsebességét, ahol az egyik analóg kódolással mintánként 2 bitet továbbít, a másik pedig a T1 PCM-rendszerét használja!
29. Ha egy T1 vivőfrekvenciás rendszerben csúszás van, és a vevő kiesik a szinkronból, akkor a keretek első bitje segítségével megpróbál újraszinkronizálódni. Átlagosan hány keretet kell megvizsgálnia az újraszinkronizálódáshoz, ha a sikertelen újraszinkronizálódás valószínűsége 0,001?
30. Mi a különbség – ha van ilyen – egy modem demodulátor része és egy kodek kódoló része között?
(Végül is mindkettő analóg jeleket alakít át digitális jelekké.)
31. A SONET órajelének pontossága kb. . Mennyi idő alatt csúszik el az óra egy bitidőnyit? Mi következik a számításokból?
32. Mennyi az átviteli ideje egy 1 GB-os fájlnak vonalkapcsolt módon a 2.17. ábra szerint egy földi átjátszóval, felfelé 1 Mb/s-os, lefelé 7 Mb/s-os sávszélességgel és 1,2 másodperces kapcsolatfelépülési idővel számolva?
33. Adja meg az átviteli időt az előző problémához csomagkapcsolt átvitel esetén, ha a csomagok mérete 64 KB, a fejléc mérete 32 bájt, a kapcsolási késleltetés a műhold és az átjátszó között 10 mikroszekundum.
34. A 2.40. ábrán látható OC-3 felhasználói adatsebesség 148,608 Mb/s. Mutassuk meg, hogyan jön ki ez az érték a SONET OC-3 paramétereiből!
35. Az STS-1-nél kisebb adatsebességek támogatására a SONET fenntart egy virtuális becsatlakozói (virtual tributary, VT) rendszert. A VT egy olyan részleges adatcsomag, amelyet más részcsomagokkal együtt lehet egy STS-1 keretbe betenni, hogy így az adatok kitöltsék a keretet. A VT1.5 3 oszlopot, a VT2 4 oszlopot, a VT3 6 oszlopot és végül a VT6 12 oszlopot használ egy STS-1 keretből. Melyik VT alkalmas az alábbiak illesztésére? (a) DS-1 szolgáltatás (1,544 Mb/s) (b) Európai CEPT-1 szolgáltatás (2,048 Mb/s) (c) DS-2 szolgáltatás (6,312 Mb/s)
36. Mekkora sávszélesség áll rendelkezésre egy OC-12c kapcsolat felhasználója számára?
37. Adott három n csomópontból álló csomagkapcsolt hálózat. Az első egy olyan csillagtopológiájú hálózat, amelyben van egy központi kapcsoló. A második hálózat egy (kétirányú) gyűrű, míg a harmadik egy olyan teljesen összekapcsolt hálózat, amelyben minden csomópont minden csomóponttal össze van kötve.
Melyik a legjobb, az átlagos, illetve a legrosszabb átviteli útvonal az átlépések száma szempontjából?
38. Hasonlítsuk össze egy x bites, k darab csomóponton átjutott üzenet késleltetését egy vonalkapcsolt és egy (alig terhelt) csomagkapcsolt hálózatban! Ha a kapcsolatfelépítés ideje s másodperc, a terjedési idő csomópontonként d másodperc, a csomagméret p bit és az adatsebesség b b/s, akkor milyen feltételek esetén lesz a csomagkapcsolt hálózat késleltetése kisebb? Továbbá milyen feltételek mellett élvez előnyt a csomagkapcsolt hálózat a vonalkapcsolttal szemben?
39. Tegyük fel, hogy x bitnyi felhasználói adatot csomagok sorozataként továbbítunk egy csomagkapcsolt hálózatban úgy, hogy a csomagok k darab csomóponton mennek keresztül. Tegyük fel továbbá, hogy minden csomag p adatbitet és h fejrészbitet tartalmaz, ahol . Az adatvonalak átviteli sebessége b b/s, a vonali késleltetés pedig elhanyagolható. A p mely értékénél lesz a teljes késleltetés a legkisebb?
40. Egy tipikus, hatszögletű cellákkal dolgozó mobiltelefon-rendszerben tiltott a frekvenciák szomszédos cellákban való újrahasznosítása. Ha 840 frekvencia áll a rendelkezésünkre, mennyit használhatunk egy adott cellában?
41. A cellák tényleges elhelyezkedése csak ritkán olyan szabályos, mint a 2.45. ábrán látható celláké.
Általában még az egyes cellák alakja is szabálytalan. Adjon egy lehetséges okot erre a szabálytalanságra!
42. Becsülje meg durván, hogy hány 100 m átmérőjű PCS-mikrocellára lenne szükség San Francisco
lefedéséhez !
43. Néha, amikor egy mobilfelhasználó átmegy az egyik cellából a másikba, hirtelen megszakad a folyamatban levő beszélgetése, annak ellenére, hogy minden adó és vevő tökéletesen működik. Miért?
44. Tegyük fel, hogy A, B és C párhuzamosan 0-s biteket küldenek egy, a 2.28.(a) ábrán látható töredéksorozatokat használó CDMA-rendszeren. Mi az eredő töredéksorozat?
45. Most nézzük egy másik szemszögből a CDMA-töredéksorozatok ortogonalitási tulajdonságát. Egy sorozatpárban minden bit vagy megegyezik, vagy nem. Fejezze ki az ortogonalitási tulajdonságot az egyezésekkel és az eltérésekkel!
46. Egy CDMA vevő a következő töredékeket veszi: (–1 +1 –3 +1 –1 –3 +1 +1). Feltéve, hogy a 2.28.(a) ábrán megadott töredéksorozatokat használjuk, mely állomások adtak, és milyen biteket küldtek az egyes állomások?
47. A 2.28. ábrán 4 adóállomáshoz tartozó töredéksorozat látható. Hogyan változik a sorozat négy újabb állomás hozzáadásával?
48. A legalacsonyabb szinten a telefonrendszer topológiája egy csillag, amelyben egy környékről minden előfizetői hurok egy helyi központhoz fut be. Ezzel ellentétben a kábeltévé-hálózat egyetlen hosszú kábelből áll, amely a környék összes háza mellett elmegy. Tegyük fel, hogy egy majdani tv-kábel nem rézkábel, hanem 10 Gb/s-os üvegszál lesz. Lehetne ezzel a kialakítással szimulálni a telefonhálózat fenti modelljét, amelyben mindenkinek saját kapcsolata van a helyi központ felé? Amennyiben igen, hány darab egytelefonos házat lehetne felfűzni egyetlen üvegszálra?
49. Egy kábeltévé-társaság azt határozza el, hogy internet-hozzáférést fog szolgáltatni a kábelrendszerén egy 5000 házból álló területen. A vállalat koaxiális kábelt használ, és úgy osztja ki a frekvenciasávokat, hogy 100 Mb/s-os letöltési sávszélesség jusson az egyes kábelekre. A vásárlók átcsábítására a cég úgy határoz, hogy legalább 2 Mb/s-os letöltési sávszélességet garantál minden háznak bármely pillanatban. Írja le, hogy mit kell tennie a vállalatnak ahhoz, hogy ezt garantálhassa!
50. Hány Mb/s-ot különít el a letöltési és a feltöltési forgalomnak egy, a 2.52. ábra sávszélesség-kiosztását felhasználó kábelrendszer? Válaszához a szövegben megadott információt is használja fel!
51. Milyen gyorsan tud egy kábelmodemes felhasználó adatokat fogadni, ha a hálózaton nincs egyéb forgalom a következő interfészekkel? (a) 10 Mb/s Ethernet (b) 100 Mb/s Ethernet (c) 54 Mb/s Wireless
52. A többszörös STS-1 adatfolyamok (vagy becsatlakozók) multiplexelése fontos szerepet játszik a SONET-ben. Egy 3 : 1 arányú multiplexer a bemenő STS-1 becsatlakozókat egyetlen STS-3-as kimeneti folyamba multiplexeli. Ez a multiplexelés bájtról bájtra történik, vagyis az első három kimeneti bájt rendre az 1., 2. és 3. becsatlakozóé. A következő három kimeneti bájt rendre az 1., 2. és 3. becsatlakozó második bájtja és így tovább. Írjon egy programot a fenti multiplexer szimulálására! A programjának öt folyamatból kell állnia. A fő folyamat négy másik folyamatot hoz létre, egyet minden egyes STS-1 becsatlakozóhoz és egyet a multiplexerhez. Minden becsatlakozó folyamat egy STS-1 keretként 810 bájtot olvas be egy bemeneti állományból. A becsatlakozók a kereteiket bájtról bájtra küldik el a folyamatnak. A multiplexer-folyamat veszi ezeket a bájtokat, és egy STS-3 keretet ad ki a kimenetén (szintén bájtonként), aminek jelen esetben a standard outputra kell megérkeznie. A folyamatok közötti kommunikáció megvalósításához használjon csővezetékeket (pipe-ot)!
53. Írjon egy programot a CDMA megvalósításához. Tételezzük fel, hogy a töredéksorozat hossza 8, és az adóállomások száma négy. A program három folyamathalmazból áll: négy adófolyamat (t0, t1, t2 és t3), egy összekapcsoló folyamat, valamint négy vevőfolyamat (r0, r1, r2 és r3). A főprogram, amely összekapcsoló
folyamatként is működik, először beolvassa a négy töredéksorozatot (bipoláris jelölés) a szabványos bemenetről, és a 4 bites sorozatot (1 átviendő bit adófolyamatonként), és elágazik négy pár adó- és vevőfolyamatra. Minden adó/vevőfolyamat pár (t0,r0; t1,r1; t2,r2; t3,r3) hozzárendelésre kerül egy töredéksorozathoz, és minden adófolyamathoz hozzárendelésre kerül 1 bit (az első bit a t0-hoz, a második bit a t1-hez és így tovább). Következőnek minden adófolyamat kiszámítja az átvinni kívánt jelet (8 bit sorozata) és elküldi azt az összekapcsoló folyamatnak. Miután mind a négy adófolyamattól megérkezett a jel, az összekapcsoló folyamat egyesíti a jeleket és elküldi az egyesített jelet a négy vevőfolyamatnak. Minden vevőfolyamat ezután kiszámítja az általa kapott bitet és kiírja azt a szabványos kimenetre. A folyamatok közötti kommunikáció megvalósításához használjon csővezetéket (pipe).