meta data for this page
  •  

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Kurssin aluksi opiskelijat kirjaavat näkemyksensä tietoliikenteestä tähän kohtaan omaa oppimispäiväkirjaansa. Näkemys sinällään ei tarvitse olla pitkä selostus max 10 riviä tekstiä ja max 10 avainsanaa.

Tietoliikenneteniikka on käyttäjän, siis arkipäivän käyttäjän, kannalta monesti varsin näkymätöntä. Lopputulos näkyy, kuten kuva TV:ssä tai tekstiviesti kännykässä, mutta tekninen toteutus ei niinkään näy. Tänä päivänä tietoliikennetekniikkaa on länsimaisessa yhteiskunnassa joka paikassa ja käytämme sitä paljon jopa tiedostamattamme asiaa, esimerkiksi, kun asiakas ostaa viivakoodilla varustetun tuotteen kaupasta niin kassapäätteen aikaasaama piippaus saa aikaan myös suuren määrän tietoliikennettä kaupan kassa-, varasto- ja kirjanpitojärjestelmissä. Langattomat sovellukset, kuten lähiverkot kotona, työpaikoilla ja kouluissa toimivat niin ikään yleensä käyttäjän niihin puuttumatta. Oletettavasti käyttäjä tiedostaa käyttävänsä tietoliikennetekniikkaa useimmiten kännyköiden ja TV-lähetysten puitteissa.

Asiasanoja tietoliikennetekniikasta: WLAN; WAN, LAN, GPS, 3G, Roaming, Packet, TCP/IP, VOIP, Protokolla.

Ennakkotehtävä 1. Kotitehtävä1:

Kodin/ kotitoimiston tietoliikennetekniikka

Jotta tieto kulkisi kodin ja ulkomaailman välillä, nimenomaan kotitoimiston näkökulmasta, niin tarvitsemme teknologiaa esim. tietokoneen ADSL-yhteyden ja kännykkäliittymän, joka on tänä päivänä 3G-yhteys. Muuten kotona tarpeellisia yhteysmuotoja ovat, omassa tapauksessani, lähinnä tiedon vastaanottamiseen käytettävät digi-TV ja radioyhteys. Liikkuvan työn kannalta satunnaisesti käytettävä GPS-paikannus on kätevä.

Tietoteknisistä palveluista tarpeellisimmiksi katson puhelin- ja sähköpostiyhteydet. Muita internet-palveluita, kuten Facebook tai internetin kauppapaikat en katso omalta kohdaltani niinkään hyötykäytöksi vaan enemmänkin huvikäytöksi.

Kysymyksiä, joihin haluaisin vastauksia: 1. PC:n tietoliikennekytkennät, miten ne toimivat ja miten rakentaa toimivat yhteydet maksamatta itseään kipeäksi. 2. Puhelinteknologian tehokas soveltaminen liikkuvan työn tehostamiseksi. 3. Tärkein kysymys: Miksi? Siis miksi olemme nykyään niin riippuvaisia,, osittain jopa erittäin epävarmasta teknologiasta, voisimmeko tehdä asiat toisin?

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1: Mitä opin, mikä oli päivän tärkein sanoma, … Mitä opin ensimmäisenä luentopäivänä? - Verkkotyyppejä, kuten WAN, LAN, MAN ja PAN - Kerrosmallit - Kolmen kerroksen malli viestin lähettämisestä: johtaja →sihteeri →lähetti - OSI, josta en ollut aikaisemmin kuullut - TCP/IP, josta tiesin ennalta, että lyhennys IP tulee sanoista Internet Protocol. Muu oli uutta. - Ja jonkin verran uutta vielä jäsentymätöntä tietoa, joka tulee vastaan jatkossa.

Luentopäivä 2:

Oppimispäiväkirja

Protokollat

Protokollien yleiset ominaisuudet. Protokolla ovat ”käyttäytymissääntöjä”, jotka koostuvat seuraavista:

  • Syntaksi
  • Sanasto ja sen muotoilu
  • Kentät
  • Semantiikka
  • Toimintalogiikka, mitä tehdään milloinkin
  • Ajoitus
  • Siirtonopeus
  • Pakettien ajoitus
  • Siirron ajoitukseen liittyvät asiat

Protokollien tehtävänä on kahden samalla tasolla sijaitsevan olion kommunikoinnin mahdollistaminen. Tämän tehtävän täyttämiseksi protokollilla on joitain perustoimintoja mm.

  • Segmentointi ja kokoaminen
  • Paketointi
  • Yhteyden hallinta
  • Toimitusjärjestys ja vuon valvonta
  • Virheen havoinnointi
  • Kanavointi

Kommunikointijärjestelmistä

Erimallisia kommunikointijärjestelmiä ovat esim. point-to-point, multipoint, switched network, internet.

Standardointi

Standardointi mahdollistaa eri toimittajien laitteiden ja ohjelmistojen yhteensopivuuden. Nykyisten tietoverkkojen toiminta ei käytännössä olisi edes mahdollista ilman jonkin asteista standardointia, joka kieltämättä joskus hidastaa kehitystä pahimmillaan useilla vuosilla. Aina standardointi ja teknologian käyttöönotto eivät täsmää, esim. OSI vs. TCP/IP. Maailmalla on useita standadointiorganisaatioita, osa kansallisia ja osa kansainvälisiä. Internet-maailmassa tekniikka on käytännössä standardoitu, kun siitä on julkaisut Request For Comments (RFC) –asiakirja.

Kotitehtävät 2. luennon jälkeen

Kolme protokollaa

Esimerkkeinä kotona ja päivittäisessä käytössä vastaan tulevista protokollista:

  • TCP/IP – internetin käyttö
  • VOIP –Voice Over Internet, esim. Skype
  • Internet TV – Internet Protocol Television (IPTV)

(Wikipedia-linkit ovat mielestäni sikäli perusteltuja, että Wikipediassa asiat on usein esitetty pelkistetysti, arkipäivän kielellä ilman liikaa tieteellisyyttä. Toisaalta tiedon oikeellisuudesta ei ole mitään takeita.)

Luentopäivä 3:

Oppimispäiväkirja

Siirtotiet

Siirtotiet voidaan jakaa kahteen ryhmään, johtimelliset ja johtimettomat siirtotiet. Sekä johtimelliset että johtimettomat siirtotiet soveltuvat analogisen ja digitaalisen signaalin välittämiseen. Johtimelliset siirtotiet ovat fyysisti käsin kosketeltavia kuten kuparia tai valokuitua. Johtimetteomat puolestaan toimivat eri aallonpituuksisilla radioaalloilla. Tiedonsiirtoon vaikutavat siirtotien ja signaalin laatu. Yleisesti ottaen voidaan sanoa: etäisyyden kasvaessa signaali heikkenee lopulta ”kuulumattomiin”. Tämän vuoksi siirtoteillä on käytettävä vahvistimia (analoginen signaali) ja toistimia (digitaalinen). Johtimettomassa tiedon siirrossa antennin ominaisuudet, esim. suuntaavuus, ja signaalin kaistanleveys ovat siirtotien ominaisuuksia tärkeämpiä. Johtimellisessa siirrossa kaistanleveys siirtonopeus ovat tekijät, jotka määräävät laitteiden etäisyydet.

Johtimelliset

Johtimelliset voidaan jakaa:

  • Parikaapeli
  • Koaksiaalikaapeli
  • Valokuitu
  • Sähköjohto (n. tuhat erilaista)

Parikaapeli

  • Halvin ja eniten käytetty siirtotie
  • Käyttö sekä puhelin että dataverkoissa
  • Koostuu kahdesta toistensa ympärille kierretystä kuparijohtimesta
  • Kierteen pituudella voidaan vaikuttaa häiriöiden kestoon ja ylikuulumisen estämiseen
  • Voidaan yhdistää useita pareja kaapeleiksi
  • Mitä suurempi siirtonopeus sitä lyhyempi etäisyys
  • Parikaapelit on jaettu eri luokkiin ominaisuuksien perusteella (Kat. 1 – Kat. 7)

Koaksiaalikaapeli

  • Koostuu kahdesta sisäkkäin olevasta johtimista
  • Parempi häiriönkesto kuin parikaapelilla
  • Käyttö nykyään lähinnä TV-signaalin siirrossa
  • Mahdollisuus käyttää parikaapelia korkeampia taajuuksia ja näin ollen suurempia siirtonopeuksia
  • Häiriötekijöitä mm. vaimennus, keskeismodulaatio- ja lämpökohina

Optinen kuitu

  • Halkaisijaltaan n. 2 – 125 mm olevaa, valoa läpäisevää, kuitua
  • Valon aallonpitudet; 100 – 1000 THz
  • Valon lähteenä LED tai Laser
  • Koostuu ytimestä, heijastuskerroksesta ja kuoresta
  • Valokuidut jakautuvat kolmeen pääryhmään:
  • askeltaitekuoresta
  • Valokuidut jakautuvat kolmeen pääryhmään:
  • - Askeltaitekertoimiset
  • - Asteittaistaitekertoimiset
  • - Yksimuotokuidut
  • Käyttökohteita
  • - Runkoverkot
  • - Kaupunkiverkot
  • - Lähiverkot
  • - Tilaajajohdot
  • Signaalin vaimeneminen tapahtuu valon hajoamisen eli dispersion kautta
  • - Dispersio pahin asketaitekertoimisilla kuiduilla ja pienin yksimuotokuiduilla

Sähköjohto

  • Data ja sähkö siirretään samassa verkossa, jolloin data erotellaan pistokemodeemilla
  • Etuna saatavavuus. Joka paikassa on jo sähköverkko saatavilla
  • Haittana paljon kohinaa ja jännitepiikkejä
  • Käyttö jäänyt lähinnä tilaajajohtoihin

Johtimettomat

Johtimettomat ovat

  • Mikroaaltolinkit, 1 – 40 GHz
  • Satelliittilinkit
  • Infrapunalinkit, 300 GHz – 200 THz
  • Radiotie, 30 MHz – 1 GHz

Signaalin edetessä antennien välityksellä ilmassa, tai muussa väliaineessa, puhutaan johtimettomasta siirrosta. Johtimeton siirto tapahtuu suunnatusti tai suuntaamattomasti (ympärisäteilevä).

Etenemismekanismit

  • Line-of-sight
  • - Maksimietäisyys vähän pidempi kuin optinen horisontti johtuen aallon taipumisesta
  • - Maksimietäisyyttä voi kasvattaa rakentamalla korkeampia antenneja
  • - UHF (esim. yleisradiolähetykset), SHF ja EHF alueilla
  • - Taajuudet n. 30 MHz – 300 GHz
  • Eteneminen ilmakehän avulla
  • - Perustuu ilmakehän aiheuttamaan sirontaan
  • Taajuudet n. 0.3 – 10 GHz
  • Eteneminen ionosfäärin avulla
  • Alle 30 MHz taajuiset aallot voivan heijastua inosfääristä
  • Mahdollisuus, että aalto kulkee maailman ympäri heijastumalla maan kuoren ja ionosfäärin välillä
  • Maanpinta-aalto
  • - Aalto seuraa maan pintaa
  • - Toimii muutaminen megahertsien taajuudella, mutta taajuuden kasvaessa kasvaa myös vaimeneminen

Satelliitit

  • Geostatinäärinen korkeus 35784 km, GEO-satelliitit
  • Uudemmat Medium- ja Low Earth Orbit (MEO ja LEO) satelliitit
  • High Elliptical Orbit (HEO)
  • Satelliitit eivät voi olla liian lähekkäin, etteivät häiritse toisiaan
  • Eri taajuudet downlink ja uplink signaaleille
  • n. 0.25 s. Etenemisviive signaalissa
  • Haasteena kellojen tahdistus
  • - Satelliittien nopeus maan pintaan nähden niin suuri, että aika vääristyy
  • Käyttö pääsääntöisesti televisio, puheliikenne ja military-sovellukset

Signaalikoodaukset

Signaalinkoodauksissa on neljä eri vaihtoehtoa

  • Digitaalinen signaali, digitaalinen data
  • Digitaalinen signaali, analoginen data
  • Analoginen signaali, digitaalinen data
  • Analoginen signaali, analoginen data

Digital data, digital signal

Yleistä

Yleisesti ottaen koodauslaitteet digitaalisen datan koodaamiseksi digitaaliseen signaaliin ovat yksinkertaisempia ja halvempia kuin modulointin digitaalisesta - analogiseen.

Digitaalinen signaali on diskreetti, jatkumaton jännitepulssi. Jokainen pulssi on signaalielementti. Binäärinen data siirretään koodaamalla jokainen biti signaalielementiksi, siis ykköseksi tai nollaksi.

Signaalielementit edustavat matemaattista arvoa, positiivista tai negatiivsta, jolloin signaali on unipolaarinen. Polaarisessa signaloinnissa positiivinen jännite edustaa yhtä loogista asemaa ja negatiivinen jännite toista.

Signaalin nopeus ilmoitetaan bittiä per sekunti. Modulointinopeus ilmoitetaan baudeina (bauds/s), joka tarkoittaa signaalielementtiä per sekunti.

Tiedonsiirtoon vaikuttavia asioita:

  • signaalispektri (signal spectrum)
  • ajoitus (clcocking)
  • virheenetsintä (error detection)
  • signaalihäiriö ja kohinaimmuniteetti (signal interference and noise immunity)
  • kustannukset ja monimutkaisuus

Signaalityyppejä:

  • NRZ-L, Nonreturn to Zero,
  • - vaihtaa tilaa aina bitin vaihtuessa
  • NRZI, Nonreturn to Zero Inverted
  • -vaihtaa tilaa aina ykkösbitillä
  • Multilevel Binary
  • - bipolar AMI
  • - vaihtaa tilaa ykkösbitillä joko nollaksi tai ykköseksi, nollabitillä tila pysyy neutraalina
  • pseudoternary
  • - ykkösbitti pitää tilan neutraalina, nollabitti kääntää tilan päinvastaiseksi kuin edellinen bitti
  • Biphase
  • - Manchester
  • – tilan vaihteluista ei ota pirullakaan selvää
  • - Differential Manchester
  • – ja tämä on sama tilanne kuin edellä

Modulaationopeus

Signaalin koodauksessa on käsitteellinen ero datan nopeudessa ja modulaation nopeudessa. Datanopeus ilmaistaan yksiköllä bittiä sekunnissa ja modulaationopeus on baudia sekunnissa.

bit rate = 1/tb, missä tb on bitin kesto (bit duration)

modulaationopeus, baud D= R/b = R/log2L, missä

D = modulation rate, baud R= data rate, bps (bittiä per sekunti) L= signaalielementtien määrä b= bittien määrä per signaalielementti

Sekoitustekniikat (Scrambling Techniques)

Scrambling-tekniikkaa käytetään, jotta voidaan välttää signaalissa pitkään jatkuva sama jännite eli jos signaalissa on yhtäjaksoisesti pitkään voimassa ykkös- tai nollabitti.

Saman bitin voimassaolo voi aiheuttaa sen, että vastaanottava laite ei saa dataa alkuperäisessä muodossa johtuen lähettäjän ja vastaanottajan kellojen mahdollisista epätarkuuksista, jolloin vastaaottaja ei tiedä milloin yksi bitti loppuu ja toinen alkaa.

Tällaisessa tilanteessa voidaan käyttää ns. täytesekvenssiä (filling sequence), joka on ennalta määritelty jono ykkös- ja nollabittejä. Täytesekvenssi on saman pituinen kuin alkuperäinen, korvattava, jakso signaalissa, jolloin ei tarvitse lähettää ylimääräistä dataa.

Digital data, analog signal

Yleisin digitaalisen datan siirtokohde analogisella signaalilla on puhelinverkko. Puhelinverkko on alunperin suunniteltu siirtämään analogista signalaalia, jonka äänitaajuus on noin 300 - 3400 Hz.

Digitaalista dataa voidaan siirtää puhelinverkossa esimerkiksi modeemin avulla, joka muuttaa digitaalisen datan analogiseksi ja päinvastoin. (Tämä modeemijuttu on siis viidennestä painoksesta vuodelta 1997)

Perustaltaan samaa tekniikkaa kuin modeemeissa on myös käytössä korkeammilla taajuuksilla, esim. mikroaalloilla.

Koodaustekniikat (Encoding techniques)

Kuten aiemmin on mainittu modulaatiossa operoidaan yhtä tai useampaa seuraavista: amplitudi, taajuus ja vaihe. Vastaavasti, tekniikat on nimetty:

  • Amplitude-shift keying (ASK)
  • Frequency-shift keying (FSK)
  • Phase-shift keying (PSK)

Kaikissa em. tapauksissa lopputuloksena oleva signaali käyttää taajuuskaistaa kantoaaltotaajuuden keskeltä.

ASK:ssa kaksi binääriarvoa esitetään kahdella kantoaaltotaajuuden eri amplitudilla.

FSK:ssa kaksi binääriarvoa esitetään kahdella eri taajuudella, jotka ovat lähellä kantoaaltotaajuutta.

PSK:ssa data esitetään muuttamalla kantoaallon vaihetta

(ks. kuva: Luento 3_2, s. 24)

Analoginen data, digitalinen signaali

Tässä kappaleessa käsitellään analogisen datan muuttamista digitaaliseksi signaaliksi. Prosessia nimitetään myös digitalisoinniksi.

Kun analoginen data on muunnettu digitaaliseksi signaaliksi voidaan tehdä useita asioita, esim.

  • digitaalinen data voidaan lähettää käyttäen NRZ-L:n avulla. Tässä tapauksessa oletamme, että olemme muuttaneet analogisen datan suoraan digitaaliseksi signaliksi.
  • digitaalinen data voidaan koodata digitaaliseksi signaaliksi jollain muulla kuin NRZ-L:llä, jolloin tarvitaan yksi lisästeppi.
  • digitalinen data voidaan muuttaa analogiseksi signaliksi jollain modulointitekniikalla, joita kuvattiin luvussa 5.2 (ks. kuva: Luento 3_2, s. 39)

Laite, jolla koodaus analogisesta datasta digitaaliseen tunnetaan nimellä codec (coder - decoder). Tässä esitellään kaksi pääasiallista tekniikkaa, joita käytetään codec:ssa, pulssi koodi moduloitu (pulse code modulation) ja delta moduloitu (delta modulation).

Pulse Code Modulation, PCM

Pulse Code Modulatio perustuu teoriaan joka sanoo:

“If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all information in original signal.“

Toiminta

(Ks. kuva Luento 3_2, s. 41)

Jos oletamme, että alkuperäisen signaalin kaistanleveys on B, jolloin otamme signaalista näytteitä nopeudella 2B tai joka 1/2B sekunti. Nämä näytteet esitetään kapeina pulsseina, joiden apmlitudi on suhteessa alkuperäisen signaalin arvoon kyseisessä kohdassa. Menetelmä tunnetaan nimellä Pulse Amplitude Modulation, PAM.

PCM-datan aikaansaamiseksi jokainen PAM-näyte numeralisoidaan (quantized), eli jokainen PAM-pulssi aproksimoidaan n-bitin kokonaisluvuksi. Esimerkiksi, n=3. Jolloin on 2^3=8 tasoa käytettävissä PAM-pulssien aproksomointiin.

Signal-to-noise ratio, SNR

SNR on suhteessa n:ään ja voidaan laskea kaavalla:

S/N=6n + 1.8 dB

Kaavasta näemme, että jokainen numeralisointiin käytetty ylimääräinen bitti kasvattaa S/N suhdetta kuudella dB:llä.

Delta modulaatio, DM

PCM:n tehostamiseksi ja sen monimutkaisuuden vähentämiseksi on kehitetty monia tekniikoita. Delta Modulointi on yksi suosittu vaihtoehtom PCM:lle.

Delta modulaatiossa analoginen signaali aproksimoidaan porrasfunktiolla, joka liikkuu ylös ja alas yhden numeralisointitason (quantization level) jokaista näyteintervallia kohden (ks. kuva Luento 3_2, s. 45).

Funktion liike alas / ylös on valittu siten, että porrasfunktio seuraa alkuperäistä analogista aaltomuotoa niin lähellä kuin on mahdollista.

Delta moduloinnissa on kaksi tärkeää parametriä:

  • jokaisen stepin koko
  • näytteenottonopeus

Analoginen data, analoginen signaali

Modulointi on määritelty prosessina, jossa yhdistetään input-signaali m(t)kantoaaltoon taajuudella fc, jotta saadaan signaali s(t), jonka kaistanleveys on (yleensä) keskellä fc:tä. Digitaaliselle datalle syy modulointiin on selvä: Kun pelkkä analoginen signaali on saatavilla, on modulointi tarpeen digitaalisen datan muuttamiseksi analogiseen muotoon.

Tarve modulointiin ei ole niin selvä, kun data on valmiiksi analogista. Loppujen lopuksi äänisignaalit välitetään puhelinverkossa niiden alkuperäisillä taajuuksilla (perustaajuussignaalisiirto, baseband signal transmission). On olemassa kaksi pääasiallista syytä:

  • Korkeampi taajuus saattaa olla tarpeen tehokkaaseen siirtoon. Ohjaamaton siirto (unguided transmission) olisi käytännössä mahdotonta perustaajuussignaalilla. Tarvittavat antennit pitäisi olla halkaisijaltaan useita kilometrejä.
  • Modulointi mahdollistaa taajuusjaetun multiplexingin.

Tässä kuvataan pääasialliset analogisen datan modulointimenetelmät, amplitudimodulointi (AM), taajuusmodulointi (FM) ja vaihemodulointi (PM).

Amplitudimodulointi AM

AMplitudimodulointi on teknisesti yksinkertaisin modulointimenetelmä, joka kuvataan matemaattisesti kaavalla:

s(t)=[1+nax(t)cos2pfct

missä 2pfct on kantoaalto ja x(t)on input-signaali (siirrettävä data). Tekijä na on modulointi-indeksi, joka tarkoittaa kantoaallon ja input-signaalien amplitudien suhdetta. Vastaavasti, input-signaali m(t)=nax(t). Em. kaavassa oleva luku 1, on dc-komponentti, joka estää informaation katoamisen. Tämä kaava tunnetaan myös nimellä double-sideband transmitted carrier (DSBTC).

Angle modulation (kulmamodulaatio)

Taajuusmodulaatio (FM) ja vaihemodulaatio (PM) ovat molemmat kulmamodulaation erikoistapauksia. Moduloitu signaali esitetään muodossa:

s(t)=Accos[2pfct+f(t)]

Vaihemoduloitu signaali on suhteessa moduloivaan signaaliin:

f(t)=npm(t)

missä np on vaihemodulointi-indeksi.

Taajuusmodulointi:

f´(t)=nfm(t)

Signaalikoodaukset

Synkroninen ja asynkroninen tiedonsiirto Ajoitutusta tarvitaan sykronoimaan lähettävä laite ja vastaanottava laite samaan tahtiin. Kellojen synkronointiin on kaksi mahdolliuutta, synkroninen ja asynkroninen.

  • Synkroninen
  • - Bittiblokki lähetetään vakaalla virtauksella (steady stream) ilman alku- ja loppubittejä
  • Asynkroninen
  • - Välttää ajoitusongelman olemalla lähettämättä pitkiä keskeytyksettömiä bittivirtoja

Asynkroninen

Data lähetetään merkki kerrallaan. Jokainen merkki koostuu viidestä kahdeksaan bitistä. Vastaaottaja pystyy synkronoitumaan jokaisen merkin alussa. Etuina yksinkertaisuus ja halpuus. Haittana ajoitusvirheiden määrän kasvu lähetettäessä suurempia datablokkeja. Soveltuu esim. näppäimistön ja tietokoneen väliseen liikenteeseen, joka on hidasta. Synkroninen Bittbiblokki lähetetään steady streamina ilman alku- tai loppumerkkiä, jolloin kellojen on oltava synkronoituina ajoitusvirheen välttämiseksi. Kellojen tahdistus voidaan tehdä joko käyttämällä erillistä kellolinjaa tai liittämällä aikasignaali dataan. Soveltuu suurten datamäärien lähettämiseen paremmin kuin asynkroninen menetelmä.

Virhetyyppeinä:

  • Single bit error
  • - Aiheutuu lämpökohinasta
  • - Yksi bitti vaarantuu, mutta sitä ympäröivät bitit eivät
  • Burst error
  • - Peräkkäiset B-bitin pituiset sekvenssejä, joiden ensimmäinen, viimeinen ja jokin määrä muita bittejä vastaaotetaan virhetilassa
  • - Aiheutuu impulssikohinasta tai langattoman yhteyden vaimentuessa äärilaidoilla
  • - Esiintyy yleisemmin suurilla datamäärillä

Virheenhavaitseminen

Suunnittelusta huolimatta, lähetettävään dataan tulee aina jossain määrin virheitä. Virheet voidaan havaita lähettävän laitteen signaaliin asettaman virheentunnistuskoodin avulla, jota kutsutaan myös tarkistusbitiksi (check bit). Vastaanottava laite laskee koodin ja vertaa sitä lähetettyyn dataan

Pariteetti

Pariteetti on yksinkertaisin virheentunnistusmenetelmä on lisätä pariteettivbitti lähetetyn datan perään. Pariteettibitti asetetaan siten, että merkillä on joko parillinen tai pariton määrä ykkös-merkkejä.

  • parillinen pariteetti – parillinen määrä ykkösiä
  • - käytetään synkronisessa siirrossa
  • pariton pariteetti – pariton määrä ykkösiä
  • - käytetään asynkronisessa siirrossa

Cyclic Redundary Check

  • Yksi tehokkaimmista virheentunnistusmenetelmistä
  • k-bitin pituiselle blokille lähettäjä generoi n-bittiä pitkän Frame Check Sequencen (FCS)
  • Lähettäjä lähettää k+n pituisen bittijonon, joka on jaettavissa tasan jollain luvulla
  • Vastaanottaja jakaa bittijonon pituuden samalla luvulla ja jos jakojäännöstä ei synny oletetaan signaalin olevan virheetön

On olemassa myös muita kuin em. kaksi tapaa virheenhavainnointiin.

Virheen korjaus

Virheen korjaus yleensä edellyttää datan uudelleen lähettämistä. Ei toimi langattomissa sovelluksissa, koska virheiden määrän ollessa suuria aiheutuu paljon uudelleenlähetystarpeita. Lähetysviiveen ollessa suuri (esim. satelliitit) verrattuna kehyksen lähetysaikaan aiheutuu kehyksen uudelleen lähetys virheellisenä. Uudelleen lähetyksen sijasta korjataan virheellisesti saapunut data käyttämällä koodisanaa.

Koodisana

Jokaisen k-bittiä pitkän datablokin jälkeen data pakataan n-bitin blokkeihin (n>k) käyttämällä Forward Error Correction (FEC) kooderia, joka lisää koodisanan lähetetyn datan perään. Toiminta samanlainen kuin virheen havaitsemissessa. Myös muita virheenkorjausmenetelmiä on kehitetty.

Data Link Protocols

Datan lähetyksessä kontrollin aikaansaamiseksi fyysisen kerroksen päälle on lisätty logiikkaa, josta käytetään nimitystä data link control tai data link control protocol ja, jonka tehtävänä on:

  • Kehysten synkronointi
  • Vuon valvonta (flow control)
  • Virheiden valvonta
  • Osoitteistus (addressing)
  • Control and data (mitä sillä sitten tarkoitetaan?)
  • Linkkien hallinta (link management)

Vuon valvonta

  • Varmistaa, ettei lähettävä laite hukuta vastaanottajaa dataan
  • Vaikuttavia asioita
  • - lähetysaika (aika, joka menee kaikkien bittien lähettämiseen siirtotiehen)
  • - siirtoaika (aika, joka biteillä menee siirtymiseen)
  • Oletus on, ettei virheitä ole vaan ainoastaan eri pituisia viiveitä

Vuonvalvontamenetelmiä

  • Stop-and-wait
  • - yksinkertaisin menetelmä
  • - toimii hyvin, kun data lähetetään muutamissa suurissa kehyksissä
  • Liukuvan ikkunan menetelmä (Sliding Windows Flow Control)
  • - sallii useiden kehysten yhtäaikaisen siirron
  • - vastaanottajalla on W:n pituinen puskuri
  • - lähettäjä lähettää W:n kokoon asti kehyksiä ilman ACK:ta
  • - ACK sisältää seuraavan odotetun kehyksen järjestysnumeron

Virheenvalvontamenetelmiä

Virheenvalvontaa tarvitaan havaitsemaan rikkoutuneet hukatut kehykset.

Menetelmiä

Automatic Repeat Request, (ARQ) yleisnimitys virheenvalvontamenetelmille. ARQ:n tavoitteena on kääntää epäluotettava datalähetys luotettavaksi. Käytettyjä tekniikoita ovat:

  • stop-and-wait
  • - lähde lähettää yksittäisen kehyksen
  • - odotetaan kuittausta
  • - jos kehys on vahingoittunut se hylätään
  • - jos kuittaus on vahingoittunut vastaanottaja ei tunnista sitä
  • - yksinkertainen, mutta ei kovin luotettava menetelmä
  • go-back-N
  • - perustuu liukuvaan ikkunaan
  • - jos virhettä ei havaita lähetään normaali kuittaus (ACK)
  • - jos virheitä, vastauksena hylkäys eli kaikki kehykset hylätään kunnes saapuu ehjä
  • selective-reject
  • - tunnetaan myös nimellä selective transmission
  • - vain hylätyty kehykset lähetetään uudelleen
  • - menetelmä minimoi uudelleenlähetykset
  • - vastaanottajalla oltava riittävän suuri puskurimuisti
  • - käytetään satelliittiyhteyksissä, joissa on pitkä lähetysviive

Kotitehtävät 3. luennon jälkeen

Laitteet, siirtotiet, koodaus. Kolme tapausta, niiden siirtotiet ja koodaukset

Siirtotie

  • Parikaapeli
  • - analoginen puhelu
  • - taajuusalue 300 Hz – 10 kHz
  • Koaksiaalikaapeli
  • - Koaksiaalikaapelin taajuusalue 10^3…10^9 Hz
  • - Sovellus: Digi-TV, taajuusalue 10^7…10^9 Hz
  • - Koodaus: emmää löytänyt
  • Optinenkuitu
  • - esim. runkoverkko ja tilaajakaapeli
  • - taajuusalue 186 – 370 THz
  • - koodauksina kaikki mahdolliset datan siirrossa käytetyt koodaukset, siis ymmärtääkseni Manchester, Inverted Manchester etc.

Luentopäivä 4:

Oppimispäiväkirja

Kanavointi (multiplexing)

Kanavointia käytetään, koska useimmiten kahden laitteen välinen kommunikointi ei vie koko siirtotien resurssia, joten resurssit jaetaan usean eri lähettäjän kesken eli kanavoidaan. Käyttö optisilla kuiduilla, koaksiaalikaapeleilla, mikroaaltolinkeillä runkoverkoissa ja matkaviestinverkoissa.

Kanavoinnissa lähettävässä päässä useita syötteitä yhdistetään yhdeksi signaaliksi, jotka puretaan vastaanottavassa päässä alkuperäiseksi määräksi syötteitä. (Syöttävä laite MUX, purkava laite DEMUX).

Kanavointiluokkia

  • Taajuusjakokanavointi, FDMA (Frequency Division Multiple Access)
  • Aikajakokanavointi, TDMA (Time….)
  • - synkroninen
  • - asynkroninen (tilastollinen)
  • Koodijakokanavointi, CDMA (Code….)
  • Aallonpituusjakokanavointi, WDMA (Wavelength….)

Taajuusjakokanavointi, FDMA

  • Kukin signaali omalla taajuuskaistalla eli kanavalla
  • Kanavien väliin jätettävä riittävän suuri väli häiriöiden estämiseksi
  • Siirtotien kapasiteetin tulee ylittää siirrettävien signaalien yhteenlaskettu kaistanleveys
  • Toimii sekä digitaalisella että analogisella datalla
  • Käyttö esim. TV- ja radiokanavien välityksessä

Aikajakokanavointi, TDMA

  • Perustuu signaalien viipalointiin eli aikajakoon, joka voi tapahtua:
  • - bittitasolla
  • - tavutasolla, tai
  • - suuremmissa yksiköissä
  • Siirtotien kapasiteetin tulee ylittää siirrettävien signaalien yhteenlaskettu kaistanleveys
  • Toimii sekä digitaalisella että analogisella datalla
  • - synkroninen ja
  • - asynkroninen (tilastollinen) TDMA

Synkroninen TDMA

  • Datan oltava digitaalista, mutta signaali voi olla joko digitaalinen tai analoginen
  • n-syötettä yhteen signaaliin
  • - tuleva data puskuroidaan
  • - multiplekseri käy puskureita läpi peräkkäin ja muodostaa signaalin puskureiden sisällöstä
  • Siirrettävä data muodostaa kehyksiä, jotka on jaettu aikaviipaleisiin
  • Yhden lähteen varaamia viipaleita kutsutaan kanaviksi
  • Aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi
  • Ei tarvita:
  • - ohjausinformaatiota datan yhteydessä
  • - linkkiprotokollaa
  • - vuon valvontaa (kiinteä nopeus)
  • Käyttökohteita:
  • - puheen ja digitaalisen datan välitys
  • - ISDN
  • - SONET/SDH
  • - GSM

Asynkroninen (tilastollinen) TDMA

Synkronisen TDMA:n ongelmana on kehyksen aikavälien hukkaaminen eli suurimman osan ajasta joku/jotkut yhteydet ovat tyhjillään. Ratkaisu tähän ongelmaan on asynkroninen (älykäs) TDMA, jossa aikavälit varataan dynaamisesti tarpeen mukaan.

  • Koska siirtojen taukoja hyödynnetään, voi siirtotien kapasiteetti olla pienempi kuin lähteiden nopeuksien summa
  • Vaatii ohjausinformaatiota datan yhteyteen
  • Käyttö, esim:
  • - kaapelimodeemit (downstream ja upstream toimivat eri taajuuksilla)

Koodijakokanavointi, CDMA

  • Käytetään johtimettomalla siirtotiellä (radiotie)
  • Käytössä koko taajuusalue ja aikaviipaleet, etuina:
  • - teoreettisesti tehokkaampi ja taajuuksien käytöltä joustava
  • - useat CDMA-asemat voivat toimia samalla alueella, jolloin verkon suunnittelu helpottuu
  • Analogista tai digitaalista dataa analogisella signaalilla
  • Koodijakokanavoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite
  • - vastaanottajan oltava selvillä käytetystä koodauksesta
  • - koodausavaimena yksilöllinen tieto, esim. Bluetooth
  • Jokainen bitti jaetaan k-chipseihin, määrätyn chip-koodin mukaan
  • Lopputuloksena uusi kanava, jonka chip-data nopeus on kD chippiä sekunnissa

WCDMA, Wideband CDMA

Laajakaistainen koodijakokanavointi, sama kaistanleveys kaikille datanopeuksille (pienemmille suurempi signaalinvahvistus). Käyttö esim. UMTS/ 3G verkoissa.

Aallonpituusjakokanavointi, WDMA

  • Käyttö optisissa kuiduissa (yksimuotokuiduissa), joiden kapasiteetti saadaan kunnolla käytettyä, kun voidaan siirtää useita signaaleja samassa kuidussa.
  • Eri taajuisia valonsäteitä, joista jokainen muodostaa oman kanavansa
  • Ongelmat:
  • - kanavien ylikuuluminen jos kantoaaltojen taajuudet liian lähekkäin
  • - vahvistuksen yhteydessä voi signaaliin tulla toisen signaalin komponentteja

Teleliikenne vs. dataliikenne eli piirikytkentä vs. pakettikytkentä

Kytkentäiset verkot koostuvat toisiinsa kytketyistä solmuista (node), joiden välityksellä laitteet, esim. tietokoneet (asemat, stations) kytketään verkkoon. Toisin sanoen solmut tarjoavat asemille tietoliikenneverkon.

Jotkut solmut toimivat pelkästään verkon sisäisinä pisteinä ja jotkut taas ottavat vastaan ja lähettävät dataa asemille. Solmujen väliset linkit on jaettu kanavoinnin avulla.

Liikenteen jako:

  • Teleliikenne
    • puhelinverkot
    • ääni tarvitsee reealiaikaisen kytkennän
    • piirikytkentä
  • Dataliikenne
    • datalle on tärkeää, että kommunkaatioväylää käytetään mahdollisimman tehokkaasti ⇒ pakettikytkentä
    • dataverkot
    • lähiverkot
    • internet
    • GPRS…..

Piirikytkentä

Verkko varaa päästä-päähän yhteyden, esim. puhelu.

  • Edellyttää määriteltyä yhteyspolkua kahden aseman välillä
  • Yhteys sisältää kolme vaihetta:
    • yhteyden muodostus (piirin muodostus)
    • datan siirto (esim. puhe)
    • yhteyden lopetus (piirin purku)

Signalointi voi tapahtua:

  • Puheen kanssa samalla kanavalla
    • kaistansisäisesti (puheen seassa)
    • kaistan ulkopuolella
  • Omalla kanavalla
    • yhteinen kanava eri datavirroille

Pakettikytkentä

Data pilkotaan paketeiksi, joiden koko riippuu paljolti siirtoverkosta. Jokainen paketti sisältää dataa ja ohjausinformaatiota. Paketit varastoidaan lyhyeksi aikaa reitin solmuissa ja lähetetään eteenpäin.

Pakettikytkentäisen verkon etuja:

  • Verkon tehokkuus parempi kuin piirikytkentäisessä
  • Pakettikytkentäinen verkko voi muuttaa datanopeutta jos eri asemilla on eri nopeuksiset yhteydet
  • Paketeille voidaan määritellä prioriteetteja, jolloin korkeamman prioriteetin omaava paketti kulkee ensin

Käytössä kaksi eri kytkentätapaa:

  • Tietosähke ja
  • Virtuaalipiiri

Tietosähke / Datagram

  • Joka paketille tehdään reitityspäätös
  • Ei tarvitse tehdä päästä-päähän reitinetsintää lähetyksen alussa
  • Mukautuu ruuhkatilanteisiin
    • voidaan valita ruuhkattomin reitti
  • Solmun ”kaatuminen” ei estä datan perille pääsyä, koska voidaan tehdä uudelleen reitityksiä

Virtuaalipiiri

  • Vain Call Request –paketille reitityspäätös
  • Paketit liikkuvat nopeammin ja varmemmin
  • Reitillä olevan solmun ”kaatuminen” estää datan lähettämisen perille

Kotitehtävät 5. luennon jälkeen:

Oppimispäiväkirja

Solukkoverkot – Cellular Networks

  • Mobiilin tiedonsiirron perusta
  • Perustuu matalatehoisiin lähettimiin
  • Peittoalue on jaettu soluihin
  • yksi solu käyttää useita taajuuksia
  • käyttäjät eri taajuuksilla saman solun alueella

Mikrosolut ja makrosolut

  • Mikro
    • solun halkaisija: 0.1…1.0 km
    • lähetysteho: 0.1…1 W
    • kesk.nopeus: 10…100 nanosek.
    • maximum bit rate: 1 Mbps
  • Makro
    • solun halkaisija: 1…20 km
    • lähetysteho: 1…10 W
    • kesk.nopeus: 0.1…10 mikrosek.
    • maximum bit rate: 0.3 Mbps

Local Area Networks Tarkoituksena yhdistää lähellä toisiaan olevat laitteet keskenään.

LAN peruselementit

  • Topologia
  • Siirtotie
  • Layout
  • Medium Access Sontrol, MAC

—- Tähän on päästy 5.12 klo 15.04. Jatkuu vähänmyöhemmin.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Tehtäväkuvaus: Pyri kuvaamaan ennakkotehtävässä määrittelemäsi termit/aihepiirit/kokonaisuudet yhdessä kuvassa.

Kotitehtävä 2

Tehtäväkuvaus:

Kotitehtävä 3

Tehtäväkuvaus:

Kotitehtävä 4

Tehtäväkuvaus:

Ajankäytön arviointi

Luentoviikko 1 Lähiopetus x h Valmistautumista lähiopetukseen y h Kotitehtävien tekoa z h Luentoviikko 2 Luentoviikko 3 Luentoviikko 4 Pääsivulle

Logged in as: f0382925 (f0382925)