2. IH TECHNOLÓGIAI ÁTTEKINTÉS
2.1 T ÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK
2.1.2. Nyalábolási technikák
Alapvető nyalábolási technológia a multiplex hierarchiák (nyalábolási rangsorok) alkalmazása.
Hálózatok tervezésében két elvet kell egyszerre alkalmazni:
- a demokratikus (egyenrangú) elvet, hiszen alapértelmezésben a felhasználókat egyenrangúként kell kezelni
- a hierarchikus (rangsor szerinti) elvet, mivel ez nagy mennyiségű felhasználó kiszolgálása esetén nélkülözhetetlen.
A nyalábolás
Nyalábolásnál azt használjuk ki, hogy az átviteli közeg sávszélessége nagyobb, mint amit egy csatorna igényel.
Az ábrán látható példában a helyi központba 100.000 vonal fut be, de mivel igen kicsi a valószínűsége, hogy egy időben 1000-nél több vonalra legyen szükség, így a két központ között elég ennyit fenntartani. Ennek a hálózatnak a forgalmi kihasználtsága nagyobb, mint a hozzáférői hálózaté, de sávszélességének kihasználása még mindig nem elég nagy.
A két központ közötti vonalon úgynevezett forgalomsűrítés jön létre.
A központközi vezetékek számának csökkentésére a vezeték többszörös kihasználása, a nyalábolás („multiplexálás”) jelenti a megoldást.
Alapvető nyalábolási módszerek:
- SDM: (Space Division Multiplex, térosztású nyalábolás): egyszerűen vezetékeket összefogunk egy kábelbe
- FDM (Frequency Division Multiplex, frekvencia osztású nyalábolás) - TDM (Time Division Multiplex, időosztású nyalábolás)
- CDM (Code Division Multiplex, kódosztású nyalábolás).
Az ábrán sűrűn szaggatott vonallal jelzett hívás lebonyolítása a következő három lépésre tagolható:
- a hívás engedélyezése (CAC, Call Admission Control), vagy más néven beléptetés
- erőforrások lefoglalása (mindkét kapcsolóban és a központközi hálózaton is szükség van a 4 kHz-es sávszélesség biztosítására, így valós áramkörkapcsolást kell alkalmazni)
- bontás.
Mivel a multiplexerek transzparensek a rendszer szempontjából, nyalábolt esetben is jellemző ez a folyamat. A multiplexerek esetleg annyiban térhetnek el a fenti megoldástól, hogy néhol multiplexálási zajok jelentkezhetnek, ami az ábra felső részén ábrázolt rendszerben nem volt jellemző. A rendszer a demokratikus elvet követi.
2.1.2. Nyalábolási technikák
Általában – mivel nagy mennyiségű felhasználót kell összekapcsolni, és biztosítani kell a rendszer skálázhatóságát – multiplex hierarchiát alkalmaznak: az I. jelenti a primer, a II. a szekunder, III. a tercier multiplexereket.
Előnyei:
- különböző feladatokra azonos (szabványos) építőelemeket lehet használni
- skálázható, területileg szétosztható, így gazdaságosabb megoldás: nem kell minden előfizetőhöz hosszú kábelt kihúzni, lehetővé válik a fokozatos begyűjtés. (Pl. a Műegyetemen a D épületben van az egyetemi központ, míg Ch és I épületekben van kihelyezett fokozat.)
FDM hierarchiák
Ez egy analóg technológia, mára elavult. (Magyarországon 1990-ig ez volt.)
Pl.: 10.000 csatorna nyalábolásához, csatornánként 4 kHz-cel számolva 40 MHz adódik. Mivel hierarchikus felépítésről van szó, minden hierarchiaszinten újabb védősávokat kellett beiktatni, így a számított 40 helyett 60 MHz szükséges a 10.000 beszédcsatorna átviteléhez.
Rengeteg szűrő szükséges a rendszerhez, mert minden multiplex és demultiplex művelethez szűrőkre van szükség. (Az analóg berendezések – mint például a szűrő – előállítása igen drága, mivel hangolni kell őket.)
TDM hierarchiák
Időosztásos, de szintén sávszélesség növekedést eredményez, vagyis ismét a vezeték beszédsávnál nagyobb sávszélességét használja ki.
Például:
- PDH: keskenysávú technika.
- SONET/SDH: szélessávú technika. (később kerül tárgyalásra).
A PDH hierarchia
(Plesiochron Digital Hierarchy, pleziokron digitális hierarchia), 1967, Bell Laboratórium.
A pleziokron szó jelentése: majdnem egyidejű.
Hasonló szavak:
- szinkron – egyidejű - aszinkron – nem egyidejű - pleziokron – majdnem egyidejű A PDH valós áramköralapú rendszer.
Többféle hierarchia létezik: európai, amerikai, japán (USA variáns) és transz-atlanti.
Európai hierarchia:
hierarchia szint 0 E1 E2 E3 E4 E5
névleges
száma 1 30 4×30 = 120 4×120=480 4×480=1920 4×1920 =
7680 Az E betű az európai rendszerre utal.
Koaxiális kábel esetén 50-100 km-es szakaszonként kell jelfrissítőt (regenerátort) használni. Megfigyelhető, hogy az igényelt sávszélesség jobban nő, mint azt a csatornaszám-többszöröződés igényelné. Ez a pleziokron tulajdonság miatt van.
A pleziokron rendszerek legnagyobb gerinchálózati sebessége 140 Mb/s, mert koax kábellel ez kivitelezhető, és a PDH gerinchálózatok kiépítésének korában fénykábel még nem létezett, míg a rádiós gerinchálózati megoldás csak kisegítő vagy tartalék jelleggel használták.
Amerikai (transzatlanti) hierarchia
hierarchia szint 0 T1 T2 T3 T4
névleges
sebesség [Mb/s] 0.064 1.5 6 45 274
beszédcsatornák
száma 1 24 4×24 = 96 7×96 = 672 6×672 =
4032 A T betű a „transmission” szóra utal.
Koaxiális kábellel csak T3-at lehet átvinni, ezért lett az amerikai gerinchálózat 45 Mb/s-os.
T4 csak rádiós átvitellel lenne kivitelezhető.
Az Európában használatos rendszer szemmel láthatóan nagyobb sebességű gerinchálózattal működik. A korszerűbb, gyorsabb eszközök tették lehetővé, hogy az európai rendszerben jobban kihasználják a koax kábel adta lehetőségeket, mivel az később került bevezetésre.
Ugyanakkor politikai okai is vannak, hogy különbözik a két rendszer: a CCITT-ben (később ITU-T) leszavazták az amerikai rendszert. (De Gaulle: „Európa legyen az európaiaké!”) Így az európai iparnak kellett előállítania a berendezéseket, és nem az amerikaiak öntötték el kész termékekkel a piacot. Ennek köszönhetően nyert teret több ismert európai távközlési nagyvállalat, pl.: Alcatel, Siemens, Nokia, Ericsson.
Fontos megjegyezni, hogy az európai és amerikai kodek is eltér egy kicsit. Az elsőt „A-törvényű”-nek, a másodikat „-törvényű”-nek hívják. (Lásd: Györfi, Győri, Vajda: Információelmélet, 81-82. o., 2.3. ábra.)
2.1.2. Nyalábolási technikák PDH Kétirányú átvitel
A teljesség kedvéért meg kell említeni, hogy a nyalábolásnál mindkét irányban történő adatforgalmat külön nyalábolják. Tehát míg a hozzáférői hálózatban elég 1 vezeték pár (2 vezeték) a kétirányú kapcsolathoz, a törzshálózatban irányonként van 1 vezeték pár, így az átvitelhez 2 koax (4 vezeték) szükséges.
A később tárgyalásra kerülő leágaztatást is mindkét irányba el kell végezni.
Az órajel előállítása
Az órajel előállításához oszcillátorokat (rezgéskeltőket) kell alkalmazni, melyek szinuszos jelet állítanak elő.
A szinuszos jel bementként szolgál egy komparátornak (túlvezérelt erősítő), melynek kimenetén előáll a négyszögjel:
Az oszcillátor lehet többféle, attól függően, hogy milyen elemekből állítják össze:
pontosság:
- R-C 10-2
- L-C 10-3
- kvarckristály 10-5 - atomi óra 10-10.
Amikor a PDH-t készítették, még csak a kvarckristály állt rendelkezésre.
A kvarckristály a mechanikai rezgést és az elektromágneses teret képes egymásba átalakítani. A kívánt frekvenciát általában csiszolással állítják be (kb. 5 MHz).
A kvarc azonban idővel öregszik, frekvenciája változik. A kristályokat éppen ezért mesterségesen öregbítik még a gyártás során, így egy kristály előállításának átfutási ideje 9 hónapig is eltarthat. Ezen felül üzem közben állandó hőmérsékleten tartják (aláfűtik ún. „kályházó elektronika” segítségével), mivel az állandó hőmérséklet is növeli a kvarc pontosságát.
Meg kell említeni, hogy még ez a technológia is embargós volt.
Az órajelekkel a következő műveleteket lehet megvalósítani (tranzisztorok segítségével): +, -, ×, ÷.
A frekvenciaszorzás megvalósítása PLL (Phase Locked Loop, fáziszárt hurok) áramkörrel történik, amely VCO-ból (Voltage Controlled Oscillator, feszültségvezérelt oszcillátor) és fázisdetektorból épül fel.
Amennyiben fáziskülönbség alakul ki, akkor a fázisdetektor kimenete megváltozik.
(Lásd: szabályozástechnika.)
A frekvencia itt nyolccal szorzódik, mivel az osztóban a ÷8 művelet lett megvalósítva.
Egy tipikus felépítés, a kodek helye
A jelölt órajelek azonosak, ha azonos számú vonallal vannak megjelölve, például látható, hogy az egymáshoz tartozó hálózati kapcsolók és multiplexerek azonos órajellel vezérelhetőek, hiszen valós fizikai távolságuk kicsi.
A forgalomkoncentrátor feladata, hogy kimenetére az aktív előfizetőket kapcsolja.
Figyeljük meg, hogy a bemeneten 105 vonal van, a kimeneten pedig csak 103. Erre a forgalmi „tömörítésre”
azért van lehetőség, mert nagyon kicsi az esélye, hogy a bemeneti vonalak közül egyszerre több aktív, mint a rendelkezésre álló kimenetek. Lásd: valószínűség-számítás, tömegkiszolgálás.
A PCM kodek elhelyezkedése a hierarchiában igen fontos kérdés, mivel utána a teljes hálózat lehet digitális.
Központi kérdés, hogy mi az olcsóbb: 103 PCM kodek analóg csomagkoncentrátorral, vagy 105 PCM kodek digitális csomagkoncentrátorral?
Eleinte a PCM kodeket a kapcsolók és az I. hierarchiaszint (primer központ) közé helyezték, a primer központ bemenetére. Ekkor elég volt órajeleket eljuttatni a I, II, III, IV, hierarchiaszintekre. (Az első multiplexer
2.1.2. Nyalábolási technikák PDH
a kapcsoló elé is elhelyezhető, ha a kodek is előtte van.)
Később áttették a kodeket a kapcsolóközpontok és a forgalomkoncentrátorok közé. Ekkor már kombinálták a kapcsolást és a multiplexelést
A PCM ezután a forgalomkoncentrátor és az előfizetők közé került, a forgalomkoncentrátorba. Így nagyságrendileg több kodekre van szükség, de a forgalomkoncentrátor is lehet digitális!
Egyes rendszereknél, pl. GSM, ISDN természetesen elhelyezhető a beszédkodek az előfizető készülékébe is.
A nyalábolás és útvonalválasztás általában többszintű is lehet:
A pleziokron tulajdonság – sebességkiegyenlítés
Miért kell sebességkiegyenlítés? Mert szabadonfutó oszcillátorok vannak, az időosztáshoz pedig fázisban és frekvenciában is egyeznie kell a jeleknek.
A hierarchiát ábrázoló képen látható, hogy kétféle órajelet jelöltünk. A kétféle jelölés azt szimbolizálja, hogy földrajzilag máshol helyezkednek el a kapcsolóból és primer központból álló egységek, így a távolság miatt nem ugyanaz az órajel jut el hozzájuk. A szürke buborékkal körülvett egység egy szinkron egység (forgalom koncentrátor, kapcsoló, primer központ) elemei földrajzilag közel vannak, ugyanazt az órajelet kapják; a működés szinkron módon történhet. Mivel a II. szintű központoknak különböző földrajzi helyekről érkező, és így különféle órajelű jelek fogadására is késznek kell lenniük (vastag vonallal jelölt becsatlakozások), így történhet meg, hogy nagyobb sebességre van szükség a következő szintű multiplexelt jelnek, mint amit a beszédcsatornák sokszorozódása megkövetelne. (A koaxiális kábelek késleltetése nagyon ingadozó!) Például az E2-E3 szintek között 4-szereződik a beszédcsatornák száma, a szükséges átviteli sebesség pedig több mint 4-szeres lesz (32 Mb/s helyett 34 Mb/s). (Az európai hierarchia szinteken az első szinten 30 bemenetű, a többi szinten pedig 4 bemenetű multiplexerek vannak.)
Látható, hogy a multiplexer minimális órajelét a bemeneten előforduló lehető legnagyobb órajelhez választjuk és még tűrést is hagyunk rá. A nyalábolás után nyert jel „órajelet” viszont – mivel a nyalábolási órajel választja meg – így nem a bemeneti sebességek, hanem a kimeneti sebesség négyszerezéséből adódik. Innen a pleziokron elnevezés, és ez az eredete az átviteli sebesség növekedésének.
A megvalósítás rugalmas tárral lehetséges:
Ez a tár képes arra, hogy más sebességgel olvassák ki a benne rejlő adatokat, mint amilyennel beírták.
Természetesen töltő biteket kell ehhez beszúrni. Ahhoz, hogy a vevő oldal is meg tudja ezeket különböztetni az adatbitektől jelző biteket is át kell vinni. A bit beékelési technológiát angolul „bit stuffing”-nak nevezik, az amerikai irodalomban pedig „justification” néven terjedt el.
(Itt tulajdonképpen két órajel van, az egyik a saját, a másik a bemenettel szinkronizált.)
Egy multiplex fokozaton tehát át kell vinni minden hierarchiaszinten:
- a jelet, ami az információt hordozza
- töltő biteket – melyeket a sebességkiegyenlítés céljából szúrtunk be - jelző biteket – megmondja, hogy hova szúrtunk be
- jelzés biteket (csak az I. hierarchiaszinten, 30 helyett 32 csatorna van), a kapcsolat átviteléhez szükséges - CRC – hibajavító kód
- szolgálati csatorna
- keretszinkront (a PDH minden hierarchiaszinten újrakeretez): az összes többi fent felsorolt bit helyét a keretszinkronhoz viszonyítjuk; e nélkül lehetetlen lenne a demultiplexálás.
Sebességkiegyenlítésre csak a II. hierarchiaszinttől felfele van szükség, hiszen az I. hierarchiaszint földrajzilag közel van a forrásához (az I. szintig bezárólag szinkron rendszer, csak utána pleziokron), tehát az I.
szinten a kapcsolás és multiplexelés összefonódik.
Amennyiben a beszédkodek a végberendezésben van (GSM, ISDN), az órajelet a helyi központ adja a végberendezések számára.
Meg kell említeni, hogy a PDH alapjában véve multiplex technológia, de kapcsoló funkciót az első PDH szinten elláthat.
Leágaztatás
Egy másik fontos hátránya a PDH-nak a leágaztatás nehézsége:
Mivel a rendszer hierarchikus felépítésű, és nem teljesen szinkron, így egy alacsonyabb keret visszanyeréséhez szintről szintre ki kell bontani a kereteket. A töltőbitek miatt minden szinten eltolódhatnak a keretek határai, így minden szinten újra vissza kell nyerni az órajelet!
Így például az ábrán látható esetben:
- le kell bontani a kereteket: E4 E3 E2 - ki kell cserélni a keret tartalmát
- vissza kell építeni az egész keretrendszert.
2.1.2. Nyalábolási technikák PDH
Ez a PDH legnagyobb hátránya. Akkoriban mégiscsak a PDH-t választották, mivel a teljes szinkronra a megoldást az jelentette volna, ha minden központ szinkronban működik, és az átvitel késleltetése állandó. Az órajel problémát egy mesteroszcillátorral és PLL-ekkel akkoriban is meg lehetett volna oldani. A bajt az adat átvitele jelentette, ugyanis a koax kábel késleltetése függ a környezeti hatásoktól, így aztán nem volt érdemes szinkronizálni az oszcillátorokat sem. A szinkron megoldás lehetőségét majd az optikai szál nyújtja.