T-110.249 Introduktion till modern telekommunikation Föreläsning 1 Mål Behandla grundläggande begrepp inom telekommunikation Förse ett högnivå-exempel på telekommunikationssystem Förse en inblick i telekommunikationen utvecklats (historia) Förstå varför standardisering behövs Känna till de viktigaste standardiseringsorganisationerna Känna till varifrån information om telekommunikation kan hittas Diskutera trender inom telekommunikation Förse en kort överblick av nuvarande och framtida kommunikationsnät 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 1 Information and data Data A representation of facts, concepts, or instructions in a formalized manner suitable for communication, interpretation, or processing by human beings or by automatic means Information The meaning that is currently assigned to data by means of the conventions applied to those data (ANSI: Dictionary for Information Systems) 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 2 Grundläggande begrepp Information svårdefinierat begrepp en fundamental storhet såsom energi och materia uppgifter såsom läge, entropi och moment Kommunikation förflyttning av information i tid genom lagring i rummet medelst vågutbredning Telekommunikation (tele = avlägsen, fjärran, kommer från grekiska) kommunikation över godtyckligt långa (och korta) avstånd Modern telekommunikation förmedling av alla typer av information i digital form begränsas enbart av avkänning och återskapade exempelvis lukt-, smak- och känselintryck är problematiska 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 3 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 1
Behov av kommunikationssystem Mänsklig kommunikation längre än höravstånd förhindra avlyssning Maskinkommunikation processtyrning Människa-maskin (och vice versa) styrning: statusrapporter (såsom varningsignaler) och kommandon tillgång till lagrad information (databaser) simuleringar och spel 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 4 Kommunikationskrav (1/2) Kvalitet fördröjning informationsförlust tillförlitlighet säkerhet användarvänlighet Konnektivitet (förbindelse) envägs och tvåvägs (simplex, half-duplex och duplex) en till en, en till flera, en till många (alla) 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 5 Kommunikationskrav (2/2) Kostnad för informationen (ex. royalty) för tjänsten överföringens resurser (tid och kapacitet) överföringens etablering (adressupplysning, förhandsbokning, säkerhetsåtgärder mm) Kraven ges av ändamålet med kommunikationen 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 6 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 2
Modern telekommunikation Källa Källkodning Kanalkodning Linjekodning eller modulering Meddelande Symboler Bitar Bitar Vågformer Brus Mottagare Källavkodning Kanalavkodning Linjeavkodning eller demodulering 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 7 Nät Transmissionslänk vågledare där elektromagnetiska vågor kan breda ut sig sändare genererar vågformer som representerar olika bitvärden bitarna ramas in för att ange början och slutet på ett meddelande mottagare detekterar inkommande våg och avkodar bitsekvensen Multiplexering transmissionslänken delas i frekvens eller tid för att stödja flera sändare Växling länkar kopplas samman med hjälp av växlar möjliggör överföring mellan godtyckliga sändare och mottagare Styrning Datorer övervakar och styr nätet 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 8 Förmedling Informationen representeras digitalt oavsett dess typ krav på begränsad förvrängning vid digitalisering Förmedling av digital information med hjälp av modulerade elektromagnetiska vågor krav på begränsad fördröjning och förlust Informationen återskapas hos mottagaren tidsberoenden återskapas fel rättas eller skyls över 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 9 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 3
Några milstolpar (1/2) Första metoder för telekommunikation: eldsignaler (1184 f. Kr.) röksignaler (360 f. Kr.) trummor Telegraf (1809) Morse kod (1841) Telefonen (1876) manuell telefonväxel (1878) 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 10 Några milstolpar (2/2) Trådlösa signaler (1894, Marconi) TV (1931) Internets födelsedag 02.09.69 (ARPANET) GSM 1991 WWW 1993 (Mosaic browsern) 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 11 Trender integration av olika telekommunikationssystem (telefonnät, TV, radio, Internet) IP teknologins dominans En nätverksteknologi i hela nätet (ALL IP) bandbredden ökar (kapaciteten ökar) Moore s law (the computing power doubles every 18 months) Mobilitet Trådlös telekommunikation säkerhet 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 12 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 4
Standarder Standarder viktiga inom kommunikation produkter bör fungera på ett deterministisk, definierat sätt produkter från olika framställare bör fungera tillsammans Interoperabilitet: mjukvara och hårdvara på olika maskiner och framställda av olika organisationer kan kommunicera meningsfullt (RFC1392) Konformans (conformance): en implementation är förverkligad enligt specifikationer 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 13 De facto standard De facto standard: produkten är den första av sin typ på marknaden det är fråga om en nyckelprodukt produkten når en relativt stor del av världsmarknaden 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 14 Standardiseringsorganisationer (1/4) Internet Engineering Task Force (IETF) standardisering inom Internet består av arbetsgrupper största delen av jobbet sköts via e-postlistor möten tre gånger i året princip: running code and rough consensus alla publikationer gratis Internet drafts, Request For Comments (RFC), STDs http://www.ietf.org 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 15 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 5
Standardiseringsorganisationer (2/4) International Telecommunication Union (ITU) standardiseringsorganisation under FN medlemmar: stater och större organisationer har standardiserat bl. a. ISDN, B-ISDN och GSM består av områden och arbetsgrupper sluten standardiseringsprocess http://www.itu.int/ 3 rd Generation Partnership Program (3GPP) Tredje generationens mobila nätverk www.3gpp.org Open Mobile Alliance (OMA) standardiserar mobila tjänster http://www.openmobilealliance.org/ 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 16 Standardiseringsorganisationer (3/4) European Telecommunications Standards Institute (ETSI) har varit aktiv bl. a. i att standardiserade framtidens mobila nätverk http://www.etsi.org Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) i huvudsak standarder för OSI-modellen två lägsta nivåer (t. ex. WLAN) www.ieee.org 3GPP2 CDMA www.3gpp.org International Organisation for Standardization (ISO) standarder för olika områden utvecklade Open Systems Interconnection (OSI) modellen www.iso.org American National Standards Institute (ANSI) publicerar nationella standarder www.ansi.org 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 17 Standardiseringsorganisationer (4/4) World Wide Web Consortium (W3C) standarder relaterade till WWW www.w3c.org National Institute of Standards and Technology Standarder för många olika områden www.nist.gov Liberty Alliance Standarder relaterat till digitala identiteter www.projectliberty.org/ CERT Coordination Center (CERT/CC) Inte standardisering befrämja säkerhet inom Internet www.cert.org, www.cert.fi ATM Forum strävar till att befrämja användningen av ATM genom att publicera standarder http://www.atmforum.com 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 18 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 6
Aktörer inom telekommunikation (1/2) Telekommunikationsbolag (Telco) framställer telekommunikationssystem t. ex. Ericsson, Nokia, Motorola, Siemens, Alcatel, Nortel, Huawei Teleoperatörer erbjuder teletjänster t. ex. TeliaSonera, Elisa (HTF), Vodafone, Deutsche Telekom, T-Mobile, Orange, Cingular, Datakommunikationsbolag erbjuder apparatur för datakommunikation t. ex. Cisco, Lucent 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 19 Aktörer inom telekommunikation (2/2) ISP (Internet Service Provider) erbjuder internetanslutningar t. ex. TeliaSonera,, Saunalahti, Vodafone ASP (Application Service Provider) erbjuder tjänster t. ex. TeliaSonera NSP (National Service Provider) Erbjuder tjänster på nationell nivå t. ex. AT&T 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 20 Grundläggande begrepp Information och kunskap Bandbredd och transmissionskapacitet Protokoll och arkitektur Tjänst och tillämpning 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 21 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 7
Information och kunskap Svag koppling: information kan leda till kunskap förutsätter rimligt hög kvalitet och att mottagaren har tid, ork och förmåga att bearbeta den (reflektera) Risken med ökat informationsflöde minskad kunskap eftersom reflektionsförmågan överbelastas Teknisk definition av information Sammanhanget känt hos sändare och mottagare överföringen ökar informationen mottagaren redan har exempel: man väntar på besked om vilket parti som vann ett val partierna kända, likaså vad besked gäller när det kommer inget med kunskap att göra t.o.m. TV kan ses som informationskälla! 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 22 Information enligt Shannon För att ange en av N valmöjligheter behövs log 2 N bitar exempel: en bokstav i svenska alfabetet: 5 bitar En informationskälla ger ifrån sig symboler från ett alfabet bokstäver och skrivtecken för text intensitetsnivåer för bildpunkterna på en datorskärm kan vara kontinuerlig i amplitud och tid, såsom en ljudsignal sampling och kvantisering nödvändig för digital representation Symboler formas till meddelande som förmedlas exempelvis ett brev, en symfoni, de första hundra decimalerna av π Data: representation av information symboler med bestämd syntax 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 23 Informationskällans entropi Mått på osäkerheten i källans utvärden Undre gräns för antalet bitar som behövs i snitt för att representera en symbol i meddelandet Kan beräknas om källan har en väldefinierad sannolikhetsfördelning för symbolerna symbolernas relativa frekvenser är kända (empiriska sannolikheter) till exempel för bokstäver och skrivtecken i en given textfil N H = pilog 2 pi där p + Κ pn = i= 1 1 1 och 0log0 = 0 enligt definition 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 24 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 8
Exempel: binär källa med symbolerna 0 och 1 H = p log p p log p, p = 1 p 0 0 1 1 1 0 1 0,5 p 0 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 25 Bandbredd och kapacitet Mått på en kanals överföringsförmåga bandbredd för en analog kanal, mäts i Hertz [Hz] kapacitet för en digital kanal, mäts i bitar per sekund [b/s] ökad bandbredd kan ge ökad kapacitet koppling via modulation eller linjekodning en brusfri analog kanal har oändlig kapacitet Kanalens kapacitet bör överstiga källans entropi meddelanden kan då skickas med godtyckligt låg felsannolikhet på bekostnad av fördröjning om entropin överstiger kapaciteten förvrängning av signalen som funktion av tillgänglig kapacitet 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 26 Protokoll och arkitektur (1/2) Protokoll fastlägger format och funktioner för meningsfullt utbyte användardata: format styrdata: format och mening funktioner kodningsförfaranden styralgortimer säkerhetsfunktioner 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 27 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 9
Protokoll och arkitektur (2/2) Arkitekturen fastlägger systemstrukturen ingående protokollfunktioner byggsätt och teknologi användningsområden säkerhets- och betalsystem 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 28 OSI-modellen (1/2) International Organization for Standardization (ISO), 1970- Arkitekturbeskrivning, delar upp funktionaliteten i flera olika skikt Hos sändaren Tillämpning Presentation Session Transport Nät Datalänk Medium I nätet Nät Datalänk Medium Hos mottagaren Tillämpning Presentation Session Transport Nät Datalänk Medium 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 29 OSI-modellen (2/2) Ett telekommunikationssystem är komplext uppdelning av funktionaliteten: minskar komplexiteten gör systemet lättare att abstrahera olika implementerare kan bygga olika delar av systemet alla skikt behövs inte i nätet jämför till objekt-orienterade modeller 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 30 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 10
Tjänst och tillämpning Tjänst: vad en nätoperatör erbjuder till kund Tillämpning: vad kunden använder tjänsten till Exempel från telenätet förbindelse från en telefon till en annan tjänsten utgörs av röstförmedling användningen är samtal mellan två parter förbindelse från en fax till en annan tjänsten samma som ovan användningen är dokumentöverföring förbindelse mellan datorer via modem tjänsten är samma som ovan användningen kan vara WWW-bläddring, datorpost, filöverföring och mycket mer 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 31 Informationstyper Audio video data multimedia samtidig användning av flera olika informationstyper 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 32 Nuvarande kommunikationsnät (1/4) Telenät (PSTN, Public Switched Telephone Network) Byggt för analog röstöverföring abonnenter anslutna via enkel parkabel låg bandbredd, dryga 3 khz låg fördröjning, försumbara förluster data och grafik med eget modem (fax) Enkla terminaler med intelligens i nätet Olika tjänster endast i fråga om uppkopplingar (plustjänster) samtal väntar medflyttning nära och kära nummervisning 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 33 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 11
Nuvarande kommunikationsnät (2/4) ISDN (Integrated Service Digital Network) digital telefoni flertjänstenät, finns men otillräckligt Mobila nät (PLMN, Public Land Mobile Networks) mobila nätverk ((NMT), GSM, 3G) i dagens läge digital överföring 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 34 Nuvarande kommunikationsnät (3/4) Kabel-TV nät Envägsdistribution av analoga TV-signaler Kablering med hög kvalitet koaxialkabel eller optisk fiber Även dataöverföring (kabelmodem) kan ge stor kapacitet 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 35 Nuvarande kommunikationsnät (4/4) Datanät Det viktigaste är Internet (versalt I!) sammanslutning av oberoende nät gemensam adressering och överföringsformat (IP) Ofta anslutning via telenät kostnaden delvis betingad av telefonoperatören begränsad anslutningskapacitet kräver modem, ISDN, DSL-teknik, eller trådlös teknik 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 36 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 12
Framtida nät (1/2) Bredbands-ISDN (flertjänstenät) baseras på ATM och SDH från enkla koncept till omfattande och komplexa standarder nuvarande teleoperatörers bild av framtiden få nät i drift efter över tio års utveckling oklar introduktion med användningar, prissättning och dylikt Internets nästa generation bygger på dagens Internet stort och snabbt ökande antal användare gemensam vilja att öka tjänsteutbudet stor konkurrens bland tjänsteoperatörer från IP version 4 till version 6 Förbättringar till tidigare versionen bl. a. stöd för realtidstjänster 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 37 Framtida nät (2/2) Trådlösa nät Nya WLAN-tekniker Nya trådlösa tekniker som t. ex. Bluetooth Tredje generationens mobila nät 3G Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) WCDMA, CDMA TS-CDMA (kinesisk variant) Uttnyttaja elnät för dataöverföring Attraktivt, elnätsanslutning 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 38 Konstruktions- och analysmetoder Matematiska redskap: statistik och sannolikhetslära; linjär algebra Datorer: för simuleringar och prototyper Specifika metoder köteori: prestanda och dimensionering av nät för slumpmässiga dataflöden generellt område: diskreta händelse system (discrete-event systems) digital signalbehandling: bearbetning av informationen tillämpad informationsteori linjär och icke-linjär systemteori, reglerteori elektronik- och mjukvaru-utveckling: realisering av systemet VHDL och liknande objektorientering C++, Java; algoritmer (Knuth: Art of Computer Programming) testning: uppfyller ett verkligt system specificationerna slumpmässig sökning av en tillståndsrymd formella metoder, baserade på olika logiker, för bevisa egenskaper 13.09.2004 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 39 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 13