23. Távközlő Hálózatok előadás

23. Távközlő Hálózatok előadás

2005. nov. 30.

Erlang

2

1 Az információközlő hálózatok alapismeretei 2 Az információközlő hálózati technológiák

áttekintése 3 Távközlő hálózati technológiák 4 Szemelvények a fizikai rétegből 5 Jelátviteli és forgalmi követelmények

5.1 Információtípusok, jelek és hálózatok 5.2 Beszédátviteli követelmények 5.3 Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése 5.4 Beszédkódolók 5.5 Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

Beszédátviteli követelmények

3

8. Fázistolás Kis „Jelek és rendszerek” ismétlés:

lineáris, invariáns, stabilis átviteli rendszerek h(t): válasz a Dirac-impulzusra H(jω): átviteli karakterisztika

ω: körfrekvencia, ν: frekvencia; ω=2πν S gerjesztésre válasz: Y(jω)= H(jω) S(jω) Amplitúdókarakterisztika: Fáziskarakterisztika:

Megj.: Periodikus jelekre: a ki és bemeneti fázisok különbsége a frekv. fv-ében -1-szeres: így egyszerűbb

Tehát:

Def. csoportfutási idő:

Megj.: 3. 4.: csillapítás, csill. ingadozás: amplitúdókarakterisztika (reciprokának) jellemzői


)()( jHK )( arc)( jH

)()()( jeKjH

d

d )()(

4

8. Fázistolás Nézzük most a fáziskarakterisztikát! Alakhű átvitel:

ki és bemeneti jelalak azonos T késleltetés, és A-szoros erősítés megengedett és (időeltolási tétel): ekkor:


)()( TtsAty

TjejSAjY )()(

T )(

TωjeAωjSωjYωjH )(/)()(

5

8. Fázistolás Alakhű átvitel:

ekkor: azaz a fáziskarakterisztika lineáris a csoportfutási idő konstans, és =T

Hasonló karakterisztikamegvalósítása a cél

de: az emberi fül a fázistolásranem, csak annak körfrekvenciaszerinti a deriváltjára, azaz a csoportfutási időre érzékeny


T )(

T

fázistolás alakhű átvitelnél

6

8. Fázistolás Az emberi fül a fázistolásra nem, csak annak

körfrekvenciaszerinti a deriváltjára, azaz a csoportfutási időre érzékeny

Eltolhatjuk az ún. nullfrekvenciás fázistolással (φ0) a görbét Csak az átvitt sávban kell lineáris karakterisztika


φ 0

φ

3 0 0 3 4 0 0-φ 0

T 0

T 0

-3 0 0-3 4 0 0 (Hz)

Fázistolás távbeszélő-hálózatokban(a szemléletesség kedvéért a vízszintes tengelyen most

a frekvenciát, és nem a körfrekvenciát ábrázoltuk)

7

8. Fázistolás Bár nem alakhű átvitel, a görbe meredeksége

(csoportfutási idő) megadja a beszédinformáció késleltetését (6. pont)

Ennek ingadozása a frekvenciafüggő késleltetésingadozás (7. pont)

Beszédátvitel: csoportfutási időt specifikálják Adatátvitel: a fázistolás változását specifikálják


8

9. Frekvenciaeltolási hiba = additív frekvenciahiba a jel spektrumának eltolódása

beszédátvitel: +-20 Hz adatátvitel (külön specifikálva!): +-7 Hz Főleg FDM rendszerekben


Ad oldaló

Vev o ldalőf

f

A

A

9

10. Multiplikatív frekvenciahiba

megfelelő, ha:


Ad oldaló

Vev o ldalőf

f

A

Ab1b1

b2b2

1,19,0 b1

b2

10

11. Nemlineáris torzítás kimeneti és bemeneti jel erőssége nem konstansszoros

(nem alakhű átvitel) tipikusan:

Mérőszáma: teljes harmonikus torzítás (THD, Total Harmonic Distortion)


Ube

Ukiideális átvitelvalós átvitel

11

11. Nemlineáris torzításteljes harmonikus torzítás def: bemenetre: max. amplitúdójú szinuszos jel kimenet torzított, összetevőire bontjuk (Fourier sor)

Alapharmonikus: A0

Felharmonikusok: A1, A2, ...

Ekkor:

Távbeszélő hálózatokban: THD max. 10% (régen: 30%) Megj: Hi-Fi: ugyanez, ott 0,5-1% a jó függ az erősítéstől is: pl. 100 W-os erősítő 10W-on kevésbé torzít,

mint egy 10-15 W-os


100%0

1

2

A

A

THDf

f

12




Távbeszélő-hálózatok forgalmi jellemzése

13


Cél: hálózat méretezése Pl. 10 000 előfizető 10 000 ák. kapacitású

központ Cél pontosabban: legkevesebb hány ák. kell, hogy

a blokkolás adott érték alatt maradjon? Ehhez kell: forgalmi statisztikák

pl. az előfizetők mikor, milyen gyakran, milyen hosszan beszélnek

Ld. Tömegkiszolgálás c. tárgy Itt most csak egy kis áttekintés, a paraméterek

megadása, végeredmény megcsillantása

14


Ehhez két leíró: X(t) -- [0,t] intervallumban beérkezett hívások száma Y(t) -- hívások tartásideje

feltételek: független az előző kimenetelektől (OK), és a felhasználótól (!). Az időtől függhet.

Ekkor elvileg végtelen kapacitású rendszer esetén kiszámíthatóak minden időben a forgalom (fennálló hívások száma) leírói.

(végtelen kapacitás: gyakorlatban a felhasználók száma felső korlát)

De ez túl nehéz, és nincs is rá szükség!

15


Ugyanis a tapasztalat a forgalomról:

X(t) növekménye napjában kétszer stacionárius Bár egy „két púpú” görbe valószínű jobb modell lenne az ebédszünet

figyelembe vételével Ráadásul az egyik a max. forgalmú időszak -- amúgy is erre

méretezünk Erre az időszakra mondhatjuk, hogy a tartásidő eloszlása is független

az időtől (azonos)

0

fogla lt vonalak szám ának várható értéke

2 4m á

úidőszak

in im lisforgalm

m axim álisú

időszakforgalm

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

id [ ra ]ő ó

16


Ekkor jelentősen egyszerűsödik a modell: X(t) -- Poisson folyamat. Várható érték=param.= λ

λ -- hívásgyakoriság [1/óra] Y(t) = Y -- exp. eloszlás. Várható érték=1/param.= h

h -- átlagos tartásidő [perc] (!) A -- forgalomintenzitás

A [1], de szokás Erl -lel (Erlang) jelölni

Pl: egyéni előfizető λ = 3 [1/óra] h = 3 [perc] A = 3 [1/óra]* 0.05 [óra] = 0,15 [Erl]

Pl: 10 000 vonalas központ λ = 20 000 [1/óra] h = 3 [perc] A = 20 000 [1/óra]* 0.05 [óra] = 1000 [Erl]

hλA

17


Innen: „legkevesebb hány ák. kell, hogy a blokkolás adott érték alatt maradjon?”

Erlang B képlete P(n) -- mind az n vonal foglalt lesz:

ez veszteséges rendszerre jó.Sorbanállásosra Erlang C -- bonyolultabb.

n

i

i

n

iA

nA

nP

0 !

!)(

Agner Krarup Erlang1878 - 1929

dán matematikus, a forgalomelmélet megalapozója

(A képlet egy 1917-es publikációjában jelent meg.)

18


Pl.: 3 alkalmazott egy irodában, mindegyik óránként átlagosan 3-szor 3 percet beszél. Kérdés: hány vonal kell a max. 5%-os blokkoláshoz? (1? 2? 3??)

A válasz: λ = 3*3 [1/óra] h = 3 [perc] A = 3*3 [1/óra]* 0.05 [óra] = 0,45 [Erl]

P(1)=31% P(2)=6,5% (sok!) ( P(3)=1%, ez modellezési hiba, hiszen: P(3)=0)

azaz három vonal kell (!!) Pl. 1000 előfizető n vonalon:

λ = 1000*3 [1/óra] h = 3 [perc] A = 1000*3 [1/óra]* 0.05 [óra] = 150 [Erl] Ekkor:

Nagy előfiz. számra az elfogadható n A-hoz konvergál

n 100 150 155 160 200P(n) 34% 6,2% 4,3% 2,8% 0,0015%

19




Beszédkódolók

20

Beszéd digitalizálása: kodek (KÓdoló, DEKódoló), codec (COder, DECoder)

Megj.: általában a kodek A/D -D/A átalakító, lehet pl. filmhez is Mi most csak beszédkódolókkal foglalkozunk

Kodek: főleg fekete doboz (black box) szemlélet most Bővebb pl. Beszédinformációs rendszerek c. tárgy

Beszédkódolók

kodek

dekódoló

kódolódigitális csatorna

kodek

dekódoló

kódoló

analógjelek

analógjelek

21

Négyhuzalos rendszer:

két érpár egy érpáron egyirányú

jeláramlás Kéthuzalos rendszer

ugyanazon az érpáron kétirányú jeláramlás

Kodek mindig négyhuzalos (előző ábra)

Kézibeszélő négyhuzalos (értelemszerű)

Előfizetői hurok kéthuzalos (így olcsóbb)

Központon belüli feldolgozás négyhuzalos (így egyszerűbb)

2/4 huzalos rendszerek (ismétlés)

A

4/2 2/4 kodek

A

A

D

végberendezés helyi központ (részlet)

A

2/4kodek

D

végberendezés helyi központ(részlet)

(a) analóg végberendezés

(b) digitális végberendezés

DD

4/2

22

Kodek jellemzők

bitsebesség 2,4 -- 64 kb/s

beszédhangminőség nehéz objektíven mérni MOS (Mean Opinion Score, átlagolt véleménypontok):

15-40 ember pontoz több mintát, az egészet átlagolják 1: elfogadhatatlan, 2: gyenge, 3: közepes, 4: jó, 5: tökéletes 4 felett: nagyon jónak számít

kódolási késleltetés minél nagyobb időszeletet dolgozunk fel egyszerre, annál

jobban tömöríthetünk -- nagyobb késleltetés árán 0,125 – 80 ms

komplexitás főleg mozgó eszközök esetében fontos mértékegység: MIPS (Million Instructions Per Second, millió

utasítás másodpercenként)

23

Kodek jellemzők

robosztusság hiba esetén nincs idő újraadásra rádiós átvitel hibaaránya kb. 10-3

hibajavító kódolás, FEC (Forward Error Correction, előremenő hibajavítás

tandemezhetőség és átkódolhatóság önmagával vagy más kodekkel egymás után csatolása:

hogy tűri? átlátszóság

DTMF (Dual Tone MultiFrequency, kéthangú többfrekvenciás jelzésátviteli rendszer), adatátvitel lehetséges?

adaptivitás terhelés esetén kisebb jelsebesség de: hálózat nehezebben tervezhető

kodek2kodek1 kodek1 kodek2A D1 AA D2

24

Kódoló típusok

Hullámforma kódoló analóg jel alakjának a megőrzése jó minőség nagy sebesség átlátszóság

Vokóder adó oldalon: beszédből jellemző paraméterek kiszűrése vevő oldalon: ezek alapján beszéd szintetizálás kis sebesség eredetire nem nagyon hasonlító hang

Hibrid kódoló előbbiek keveréke

25

Kódoló típusok

log!

2 4 8 16 32 64

1

2

3

4

5

bitsebess g[kb it/s]

é

kódolók

vokóde rek

m a -kódolók

M O S

26

Kódoló típusok

ADPCM: adaptív differenciális PCM (Adaptive Differential PCM) egymás utáni minták különbségének a kódolása FR: Full Rate, teljes sebességű HR: Half Rate, félsebességű EFR: Enhanced Full Rate, javított teljes sebességű

Szabvány v.kódoló neve

Főalkalmazás

Bevezetéséve

Adatsebsség(kbit/s)

Beszédhang-minőség(MOS)

Kódolásikésleletetés

(ms)

Számításikomplexitás

(MIPS)G.711(PCM)

vezetékestávb. h.

1972 64 4,5 0,125 0,52

G.721(ADPCM)

vezetékestávb. h.

1984 32 4,1 0,125 7,2

GSM 06.10(FR)

GSM 1989 13 3,7 20 4,5

GSM 06.20(HR)

GSM 1994 5,6 3,5 24,4 17,5

GSM 06.60(EFR)

GSM 1995 13 4,0 20 14,4

GSM 06.90(AMR)

3G mozgótávb. h.

1998 4,75-12,2 3,5-4,0 20 15-25

G.723.1 VoIP 1996 6,35,3

3,93,6

3030

1520

G.729 VoIP 1996 8 4,0 15 11LPC-10 katonai 1976 2,4 2,3 22,5 7

27

Beszéddetektor (angolul: Voice Activity Detector, VAD) (volt már erről is szó)

Ha az adott fél épp nem beszél, akkor nem küldünk jelet

csökkenthető a kodek teljesítményfelvétele (mozgó készüléknél jó)

sávszélesség spórolható (ha van statisztikus nyalábolás) Vevő oldalon komfortzaj, hogy ne legyen zavaró a

csend Alkalmazás, pl.:

mozgó távbeszélő rendszerek műholdas rendszerek VoIP rendszerek telefon kihangosítók

28




Követelmények csomagkapcsolt hálózatokban

29

Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény Alkalmazások, pl.:

e-mail telefonálás videotelefonálás film megnézése valós időben

Minőségi paraméterek: csomagkésleltetés csomagkésleltetés ingadozása (angolul packet delay

variation, vagy packet jitter) csomagvesztési arány téves csomagkézbesítési arány (adatsebesség mennyiségi és nem minőségi paraméter)


30

Sokféle alkalmazás, sokféle követelmény nagyon sok kombináció legtöbbször nincs is megadva (pl. szabványban)

Pár példa: VoIP csomagkésleltetés: mint PSTN-nél: 250 ms,

visszhangtörlés szükséges 12,5 ms felett VoIP csomagvesztés: kodektől függ, kb. 5-30% a határ igény szerinti videózás (Video-on-Demand, VoD):

késleltetés: akár 5-10 sec. késleltetésingadozás legyen alacsony (puffertől függ)


31

Csomagkapcsolt hálózatok forgalmi modellezése

(továbbiakban TCP/IP-ről beszélünk) Cél: hálózatméretezés tudományos megalapozása Távbeszélő hálózatokénál lényegesen nehezebb,

mert: alkalmazások:

sokféle, különféle hálózati igényekkel időben, térben változó összetételű alkalmazás-mix évről évre jelentős változások lehetnek a tipikusan használt

alkalmazásokban (nehéz középtávra tervezni) alkalmazások erőforrásigénye is nehezen meghatározható

(pl. e-mail hossza bájtban) elasztikus folyamok

pl. FTP, HTTP, e-mail továbbítás a rendelkezésre álló teljes sávszélességet elfoglalják nehezen definiálható az erőforrásigény

32


Távbeszélő hálózatokénál lényegesen nehezebb, mert:

nem független források: elasztikus folyamok és a TCP garantálja a teljes sávszélesség

kihasználást emiatt blokkolás, különböző források csomagjai versengenek a

továbbításért követk.: nem független források

Következmények: Hosszú távú összefüggés (időben távoli értékek is korreláltak) Önhasonlóság: különböző időskálákon nézve is hasonló

forgalmi jelleg (forgalom: bit/s, csomag/s) Nagy börsztösség, csomósodás PSTN: n-szeres felhasználó, forgalom átlaga is n-szeres, de

szórása -szeres: a forgalom „kisimul” TCP/IP: a forgalom sokkal lassabban „simul ki”

n

33


Ezek miatt a TCP/IP forgalommodellezés még gyerekcipőben jár

bár vannak bíztató eredmények Akkor hogyan lehet TCP/IP hálózatot méretezni?

tapasztalatok alapján mérések alapján túlméretezés (overprovisioning)

másik ok a túlméretezés mellett: olcsó a kapacitás, de jelentős a bevétel: nem szabad egy vevőt sem elszalasztani kapacitáshiány miatt

Documents

23. Távközlő Hálózatok előadás