Telefonnätet Telefonnätet Sidorna 97-144, 445-530 i boken Telefonnätet är en över hundra år gammal konstruktion Denna föreläsning behandlar Telefonen Telefonväxlar Digitala transmissionsnät SS7 signaleringsnätet Intelligenta nät och tjänster Nästa vecka trådlösa teknologier Telefonen Analoga abonnentnätet Terminalen i (tråd)telefonnätet är en analog telefon, som är en mycket enkel apparat Mikrofon, högtalare, väljare, ringklocka, lurens tangent Telefonen är kopplad till telefoncentralen eller en koncentrator med en parkabel Duplex användningen av parkabeln orsakar eko, som filtreras bort i centralen med en ekosläckare Nummervalet sker antingen som pulser eller som tvåfrekvens tonval Signalen som kommer från abonnenten är analog Digitala lokalnät har inte blivit populära Mellan abonnenten och centralen finns ofta en koncentrator, eller alternativt finns samma funktionalitet i centralen I koncentratorn finns en A/D och D/A-konverter för varje abonnentledning Abonnentledningen är en kopparparkabel Kopparparen bildar stora kabelknippen med hundratals parkablar, som är svårhanterliga, dyra och som är känsliga för överhöring (crosstalk) I koncentratorn kan flere telefonsamtal multiplexeras till samma optiska fiber PCM-kodning av tal Multiplexering Ljudsignalens tryckvariationer ändras till en elektrisk signal i mikrofonen Den analoga elektriska signalen konverteras till digital genom sampling med 8000 sampel per sekund, och dessa sampel PCM-kodas till binär data med 8 bitar / sampel PCM (Pulse Code Modulation) Signalen filtreras först till 4 khz bandbredd Ett telefonsamtal blir alltså 64 kb/s i vardera riktningen kodningen sker i telefoncentralen eller koncentratorn Kvantiseringen är inte lineär, utan strävar att följa egenskaper typiska för talsignalen Från koncentratorn framåt är telefonnätet nuförtiden digitalt Multiplexering används bl.a. inom telefontekniken för transmission av flere samtal (d.v.s. dataflöden) på samma fysiska transmissionsmedia De vanligaste teknologierna är: Tidsmultiplexering TDM (Time Division Multiplexing) Frekvensmultiplexering FDM (Frequency Division Multiplexing) Våglängdsmultiplexering WDM (Wavelength Division Multiplexing) Kodmultiplexering CDM (Code Division Multiplexing) Flerbärvågsmodulering OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Statistisk multiplexering 1
Tidsmultiplexering (TDM) Tidsmultiplexering fortsätter Tidsmultiplexering är en grundteknologi som används i telefonnätet Med 8kHz samplingsfrekvens och 8 bitar per sample producerar PCM ett 64 kb/s bitflöde En 2 MB transmissionskanal kan delas i 32 tidsintervall så att ett telefonsamtal skickas i vart intervall 1100 1100 1011 1100 1100 1110 MUX 1100 1100 1011 1100... DEMUX 1100 1100 1011 1100 1100 1110 Tidsmultiplexering förutsätter att sändare och mottagare är synkroniserade Klockorna är i tillräckligt samma tid Sändaren vet i vilket tidsintervall ett inkommande bitflöde skall styras och mottagaren kan läsa rätt intervall Tidsmultiplexering används i telefonnätets styrda media (både koppar och fiber) samt i GSMradiotrafiken Frekvensmultiplexering (FDM) och våglängdsmultiplexering WDM Kodmultiplexering CDM Ifall det finns tillgång till bandbredd, kan bandbredden delas i kanaler och varje sändare kan ges en egen kanal T.ex. rundradiosändningar, radiotelefoner och NMTmobiltelfonnätet Termen FDM används oftast om radiofrekvenser WDM-termen däremot används när det gäller ljusets våglängder i optiska fibrer Trots att FDM och WDM baserar sig på samma fysikaliska fenomen, finns det skillnader i praktiska tillämpningar WDM-kanalerna kan t.ex. separeras behändigt med ett prisma och styras i rätta fibrer I kodmultiplexering delas mediet inte i fasta intervall, utan kanalerna separeras med hjälp av kodning varje kanal utnyttjar hela tids- och frekvensområdet mottagaren känner koden och läser den egna kanalen, övriga kanaler är brus CDM kan kombineras med frekvenshopp (frequency hopping) Ursprungligen militär teknologi, svår att tjuvlyssna eller lokalisera sändaren Utnyttjas i 3G telefonnätet för effektivt bruk av frekvensområdet Multiplexeringens betydelse Teknikerna gör det möjligt att utnyttja ett transmissionsmedium för många samtidiga användare Metoden väljs enligt hurdan trafiken är T.ex. analoga signaler kan multiplexeras endast med FDM I paketnät behövs inte multiplexering, eftersom pakettransmissionen naturligt stöder flere flöden på samma linje. Paketnätet ger inte garanterad transmissionskapacitet utan speciella arrangemang Telefonnätets transmissionsteknologi Förutom multiplexeringsmetoden, måste också kanalindelningen bestämmas för att kunna förmedla telefonsamtal I fasta telefonnätet använd både tids- och våglängdsmultiplexering Allmänna teknologier är Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Motsvarar Amerikanska SONET 2
Plesiochronous Digital Hierarchy PDH:s hierarkier PDH-teknologin förmedlar 8000 ramar i sekunden I en Europeisk E1-förbindelse består varje ram av 32 tidsintervall Storlek en byte (8 bitar) Intervall 0 är reserverat för klocksignal Intervall 15 är för telefonnätets signalering Övriga (30) intervall är för telefonsamtal eller annan data Sändarens och mottagarens klockor bör vara möjligast synkroniserade Nätet består av enkelriktade förbindelser i både riktningarna Ifall noderna i nätet inte är synkroniserade (snabbare/långsammare klocka) för någon för mycket eller för lite data Kallas eftersläpning (fi. luiskahdus) PDH-kanalknippen kan kombineras till större ramar för att få större kapacitet En E1-förbindelse ger ungefär 2Mb/s kapacitet E2 består av fyra E1 ramar, E3 av fyra E2 ramar o.s.v. Kapaciteten kan alltså ökas, men Ramfrekvensen för en kanal behålls som samma 8000/s Därför byggs större ramar med flere bitar / ram Högre kapacitet kräver media med större bandbredd Bättre kvalitet på kopparkabeln Optisk fiber Bitarna blir i praktiken kortare En E1-bit är ca. 500 ns (~150 m ljuspuls i vakuum, kortare i transmissionsmedium) En E3-bit är ca. 30 ns Synchronous Digital Hierarchy Asynchronous Transfer Mode SDH använder samma 8000 ramar per sekund SDH har en mera invecklad ramstruktur än PDH och större transmisionskapaciteter I praktiken används SDH endast på optiska förbindelser SDH förutsätter noggrannare klocksynkronisering än PDH SDH-hierarkin stöder 64kb/s telefonförbindelser, men det går också att reservera förbindelser av annan storlek mellan sändare och mottagare ATM är ett kretskopplat paketnät som utvecklades utgående från telefonteknologin Grundenheten i ATM är en 53 byte lång cell med 5 byte pakethuvud och 48 byte nyttolast ATM-celler behandlas inte enskilt som IP-paket, istället öppnas först en virtuell förbindelse via nätets växlar Varje cell har i sitt pakethuvud VPI/VCI -information Virtual Path Identifier, Virtual Channel Identifier I ATM-nätet är alltså nätet medvetet om förbindelserna och vägvalsbesluten görs vid uppkoppling av förbindelsen ATM fortsätter Telefoncentralen ATM-cellerna kan innehålla telefonsamtal, IP-trafik eller annan data Eftersom ATM-cellens nyttolast är endast 48 byte, anpassas trafiken till cellerna med ATM Adaptation Layer- skikten AAL 1 definierar ett byteflöde med garanterad kapacitet (tal) ATM-växlarna garanterar kvaliteten AAL 5 definierar delning av paketdata i flere celler T.ex. IP-trafik ATM ger teleoperatörer in flexibel infrastruktur I praktiken har ATM inte kommit i allmänt bruk ADSL-teknologierna löser (än så länge) abonnentanslutningarna 100 MB/s och Gb/s Ethernet är billigare lokalnät än ATM Telefoncentralen tar emot 64 kb/s telefonsamtal Analoga abonnentlinjer som PCM-kodas PDH/SDH/ATM-byteflöden från andra centraler Telefoncentralen kopplar inkommande och utgående samtal Ett samtal kräver ett dataflöde i vardera riktningen I analoga abonnentlinjer används samma kabelpar i både riktningarna och flödena separeras med en hybrid-krets i telefonen/centralen I övrigt är telefonsamtalet två simplex-förbindelser som förmedlas i t.ex. PDH-tidsintervall 3
Telefoncentralens uppgifter Samtalsförmedling Telefoncentralens uppgifter är noga definierade i ITU- T standarderna, här presenteras en centrals viktigaste uppgifter Tolka telefonnumret från anropande part (den som ringer) Puls- eller tonval Kontrollera om mottagarens (anropad part) linje är fri och koppla anroparens samtal dit Generera ringljud Identifiera när samtalet avslutas (luren läggs på) och nedkoppla förbindelsen Koppling av samtalet (vägvalsbeslutet) görs alltså i början av samtalet I gamla analoga systemets elektromekaniska centraler kopplades parternas kopparkablar ihop med en mekanisk omkopplare I moderna centraler flyttas bytes från tidsintervall i inkommande ramar till intervall i utgående ramar Det finns olika typers väljare (switch) för detta En del kan byta byte-ordningen inom en ram En del kan styra byte från ett kanalknippe till ett annat A1 A2 A3 B1 B2 B3 A1 B2 A2 B3 A3 B1 Signalering och SS7 Signaling system 7 Hur kopplas telefoncentraler samman Samtalen förmedlas i linjer eller tidsintervall Dessutom behövs information on vart inkommande förbindelser skall kopplas Ursprungligen kopplades fjärrsamtal för hand Senare användes kanalassocierad signalering mellan centralerna Information on numret dit samtalet skulle kopplas förmedlades som tonkoder på samma linje som samtalet Ledde till missbruk Nuförtiden används ett skilt signaleringsnät (samkanalssignalering) och samtalsförmedlingsnät Skilt användar- och styrplan Eget paketnät Logiskt skilt från telefonnätet Använder samma PDH/SDH-förbindelser som telefonnätet Styr upp- och nedkoppling av samtal i PDH/SDHnätet SS7 förmedlar alltså inte samtalsdata, utan styr kopplingen av samtal Samtalet förmedlas i PDH/SDH-nätets tidsintervall SS7 definierar en egen protokollstack (liksom TCP/IP) Telenätsinriktad SS7:s funktion SS7:s element Abonnent a i central A ringer till numret 1234567, som är abonnent b:s nummer i central B Central A tolkar numret och styr det utgående samtalet till ett lediga tidsintervallet 3 på linjen som kopplar central A till B A skickar ett SS7-meddelande till B och berättar att i tidsintervall 3 kommer ett samtal till nummer 1234567 B kopplar samtalet till b, ringer telefonens klocka och skickar A ett meddelande som berättar att returkanalen från b kommer i PDH tidesintervall 8 När b lyfter luren berättar B att samtalet är kopplat När a avslutar samtalet, skickar A ett meddelande till B a koppla ned förbindelsen I SS7-systemet kallas telefoncentralen Signal Switching Point (SSP) SS7-växlarna som kopplar telefoncentralerna samman är Signal Transfer Point (STP) Systemet innehåller databasservrar som kallas Signal Control Point (SCP) Dessa är viktiga, eftersom SS7 erbjuder ett styrnät som omfattar hela telefonnätet och därmed möjliggör följande steg i utvecklingen, d.v.s. intelligenta nät 4
Intelligenta Nät (IN) IN teknologi Telefonnätet är en stor maskin som ägs av teleoperatorn I de flesta länderna för kunden äga högst telefonapparaten, och även den måste vara av godkänd modell Operatorn förmedlar bitar, men säljer tjänster Den traditionella grundtjänsten har varit telefonsamtal, tilläggstjänster t.ex. fröken ur eller väckningstjänst I och med att datorer och datatransmission började bli allmänt på 1980-90 -talen, blev operatörerna rädda att de skulle bli bara bitförmedlare med dålig lönsamhet Behov att flexibelt och snabbt skapa nya mervärdestjänster Intelligenta nätet är teleoperatörernas flexibla tjänsteinfrastruktur jmf. ATM som transmissionsinfrastruktur IN bygger på SS7:s tjänster Ny funktionalitet läggs till i telefoncentralerna och dessa kallas Service Switching Point (SSP) SS7-nätets databaser är nu Service Control Point (SCP) För SSP definieras utlösare (trigger) som aktiverar funktioner Till exempel om mottagaren inte svarar på ett inkommande samtal på 20 sekunder (utlösare), fråga SCP om samtalaet skall kopplas till en svarare eller ett annat nummer (funktion) Exempel: 0800 -samtal IN-tjänster Mottagaren betalar -samtal var en av de första INtjänsterna SSP identifierar början på numret kunden ringer till som en 0800 utlösare och skickar ett SS7- meddelande till SCP SCP returnerar information om det egentliga numret som samtalet skall kopplas till Härifrån kopplas samtalet normalt Faktureringsdatan från samtalet flyttas efter samtalet till mottagaren Vidarekoppling Nummer med specialpris (företags- och nöjesnummer) Nöjeslås Mottagaren betalar -nummer Mobiltelefonens nummerflyttning Svarartjänster (svararsystemet är ett intelligent tillbehör, intelligent peripherial) o.s.v. Intelligenta nätets fenomen Internet-trafik i telefonnätet En stor skillnad mellan telefonnätet och Internet är att telefonnätet har fakturering Vad händer om anslutningen som 0800-numret pekar på vidarekopplas? Mottagande nummer betalat 0800-avgiften? Ursprungliga mottagaren betalar? Samtalet kopplas inte vidare? Att skapa nya tjänster är komplicerat, eftersom den nya tjänstens interaktioner med gamla tjänster måste definieras För telefonnätet är Internet motsvarande data som telefonsamtal Modemtrafik överförs som tal, 64 kb/s Internets stamnät är byggt på teleinfrastruktur Ofta byggs på PDH/SDH som erbjuder förbindelse mellan två punkter Inramning av IP-paket kan göras med t.ex. PPP (Point to Point Protocol, RFC 2615) för PDH/SDN överföring SDH:s fördel är bl.a. att den innehåller vissa kontrollmekanismer, som automatisk korrigering av optisk dubbelring Ur Internets synvinkel ligger hela teleinfrastrukturen på fysiska skiktet 5
Konvergens I framtiden kommer Internet och televärlden att kombineras VoIP blir hela tiden populärare Mobiltelefonerna har även Internet-tjänster Många frågor är trots det olösta Tillförlitlighet och tjästekvalitet Fakturering Nödtjänster Störningstolerans och krissituationer 6