Sisteme de Comunicatii

CCaappiittoolluull 11

Informa ia i traficul informa ional

Oamenii zilelor noastre cu greu ar putea s - i imagineze cum i-ardesf ura activit ile lor zilnice, profesionale, sociale i domestice, f r a face apel la serviciile de comunica ii. Folosim, de fapt, cu to ii, instala ii i aparate mai mult sau mai pu in sofisticate, prin intermediul c rora comunic m între noi prin scris, sunet sau imagine, distan ele geografice care ne separ pierzându- iimportan a, acces m baze de date ample i diverse, cu informa ii tiin ifice din orice domeniu sau de interes practic curent, ascult m muzic sau vizion m filme "la cerere", ne pl tim facturile prin transfer electronic de fonduri financiare i a amai departe, lista beneficiilor aduse de serviciile oferite de re elele actuale de telecomunica ii fiind departe de a fi epuizat . La mijlocul secolului al 19-lea, apari ia "telegrafului" a constituit un eveniment notabil i un mare avantaj pentru comunicarea inter-uman la mare distan . Plecând de aici i folosind cu iscusin descoperirile ulterioare în domeniul electricit ii, electronicii, matematicii i ale altor tiin e i tehnologii, speciali tii în " tiin a comunic rii la distan " au reu it s ofere ast zi un spectru amplu de servicii de comunicare unui num r imens de utilizatori. Comunicarea dintre utilizatori urm re te realizarea unui schimb de informa ie. La modul general, informa ia este tot ceea ce are sens într-un anumit context pentru cine o recep ioneaz , fiind prezent în diferite forme precum: imagine, sunet, cuvânt sau caracter. În fiecare caz, o anumit realizare particular , de exemplu cuvântul iw , con ine cu atât mai mult cantitate de informa ie, iI , cu cât este mai pu in previzibil . În consecin , între cantitatea de

SISTEME DE COMUNICA II2

informa ie con inut în cuvântul iw i ansa apari iei respectivului cuvânt, ip ,exist urm toarea rela ie:

~ 1i iI p (1.1) Pe lâng aceast caracteristic , cantitatea de informa ie mai prezint iproprietatea de a fi cumulativ . Aceasta înseamn c de fapt concatenarea mai multor cuvinte, de exemplu nwwww ,,,, 321 conduce la a ob ine o cantitate global de informa ie, I, egal cu suma cantit ilor individuale, adic :

nIIII 21 (1.2) Cum ansa apari iei succesiunii precedente de cuvinte este

npppp 21 rezult c este adev rat rela ia ce urmeaz :

ppppIIII

nn

11~21

21 (1.3)

Plecând de la aceast rela ie, se poate stabili o expresie de calcul al cantit ii de informa ie dac se face apel la func ia logaritm, singura func ie care converte te produsul în sum . În acest caz, se ob ine expresia:

ppppIIII x

nxn

1log1log21

21 (1.4)

Baza de logaritmare, x , reprezint unitatea de m sur a informa iei icorespunde num rului de simboluri cuprinse în alfabetul folosit în reprezentarea informa iei. Astfel, dac sunt folosite doar dou simboluri, precum 0 i 1, atunci cantitatea de informa ie con inut într-un reprezentant al unei mul imi de 8 elemente echiprobabile este:

12log 1 8 3I bi i (1.5)

unde bit este o prescurtate propus de J.W.Turkey pentru sintagma binary digit. Alegerea unit ii de m sur ine cont i de mijloacele tehnice de reprezentare (înmagazinare, prelucrare, comunicare) a informa iei, bitul fiind propice tuturor sistemelor numerice, informa ionale i de comunica ie, ce utilizeaz componente cu dou st ri stabile, precum releele electromagnetice, folosite frecvent în trecut pentru implementarea echipamentelor, i dispozitivele semiconductoare, utilizate în prezent. În cazul re elelor de comunica ii i al sistemelor de calcul, informa ia este generat , colectat , prelucrat , înmagazinat , transferat i utilizat în diverse forme precum: texte, desene, mesaje vocale, imagini fixe sau în mi care i prezent ri multimedia. Pentru desf urarea acestor activit i se face apel la un

ansamblu vast i dinamic de mijloace tehnice de calcul i comunicare care sunt referite împreun , prin termenul general de tehnologia informa iei (sau în exprimare complet , tehnologia informa iei i comunic rii, pentru a eviden ia amploarea celor dou subcategorii de mijloace, mai mult sau mai pu in i, în fapt tot mai pu in independente!). Informa ia este produs de oameni, aparate sau orice poate fi perceput, la modul abstract, drept proces i este recep ionat de alte procese care la rândul

1. Informa ia i traficul informa ional 3

lor, în urma unor prelucr ri caracteristice, genereaz informa ie nou , lan ulcontinuând la nesfâr it. Realizarea acestui schimb informa ional implic existen aunui mediu de comunicare (interconectare), prin care informa ia este transportat(transferat ) conform figurii 1.1. Termenul transport este provenit din doucuvinte ale limbii latine: trans, tradus "prin", i portare tradus "a purta" [6]) i, în cazul informa iei, reprezint transferul acesteia de la generator (surs , expeditor) la receptor (destinatar) prin intermediul unui purt tor (carrier). Purt torul poate fi reprezentat, de exemplu, de undele acustice în cazul unui dialog verbal direct între dou sau mai multe persoane, sau de c tre un furnizor al unui serviciu de livrare de genul po t , atunci când informa ia este înregistrat pe hârtie itransportat în plic, sau de genul furnizor de servicii internet ISP (Internet Service Provider), atunci când informa ia este tip rit i apoi trimis prin intermediul unei ferestre de compunere (composer) al unei aplica ii de po t electronic , de exemplu SMNP (Simple Mail Network Protocol).

Transportul, în general, i al informa iei, în particular, este descris de o serie de caracteristici (întârzieri, pierderi, bloc ri etc.) care depind atât de însu irile mediului de comunicare (capacitatea, disponibilitatea etc.) cât i de nevoile de schimb al informa iei, (frecven a, cantitatea i calitateatransferurilor). Studiul analitic al acestor caracteristici se face prin intermediul teoriei traficului i a tept rii (traffic and queuing theory), care ofer o serie ampl de modele matematice. Aceste modele iau în considerare o reprezentare abstract , precizat prin intermediul elementelor structurale i dinamice prezentate în figura 1.2.

Elementele de configurare avute în vedere sunt: sursa de clien i, de capacitate c, finit sau infinit , sistemul de servire alc tuit din:

- unit ile de servire, în num r de s,- loca iile de a teptare, în num r de q

iar elementele dinamice se refer la: )(tNa = procesul aleatoriu corespunz tor num rului de clien i genera i

de surs (care sosesc la intrarea în sistemul de servire); )(tNd = procesul aleatoriu corespunz tor num rului de clien i care ies

(pleac ) din sistemul de servire; )(tNL = procesul aleatoriu corespunz tor num rului de clien i respin i

de sistemul de servire; = rata cu care sursa extern ofer clien i;

mediu de comunicare

informa ieinforma ie

Figura 1.1: Transportul informa iei


ef = rata efectiv de intrare a clien ilor în sistem;

L = rata de respingere (de pierdere – Loss) a clien ilor; = rata de plecare a clien ilor ce au fost accepta i i servi i în sistem,

numit i productivitate a sistemului. Desigur c ef , to i clien ii intra i în sistem, p r sindu-l mai devreme sau mai târziu;

)(tNq = procesul aleatoriu corespunz tor num rului de clien i afla i în irul de a teptare (queue), de lungime maxim q ;

)(tNs = procesul aleatoriu corespunz tor num rului de clien i afla i în servire, în cele s servere ale sistemului;

)(tN = procesul aleatoriu corespunz tor num rului total de clien iprezen i în sistem (în serviciu sau în a teptare);

W = variabila aleatorie care reprezint timpul de a teptare în ir (waiting time);

= variabila aleatorie care reprezint timpul propriu-zis de servire (service time);

T = variabila aleatorie care reprezint timpul total petrecut de un client în sistem, numit i timpul de întârziere în sistem (delay time) sau timpul de tranzit prin sistem sau de sta ionare în sistem. Modelul abstract, descris anterior, valabil în cazul oric rui sistem real de servire, inclusiv al unui sistem de comunica ii, permite definirea conceptului strâns legat de no iunea de transport denumit trafic. Astfel, în privin a traficuluioferit de o surs (de clien i) unui anumit sistem de servire, acesta este descris analitic prin intermediul urm toarelor m rimi:

Volumul traficului (oferit):( )

1( ) aN to iiS t (1.6)

Volumul mediu de trafic:E ( ) E ( ) Eo aS t N t (1.7)

Sursa de clien i

c

L )(tNq )(tNs

)(tN

1

2

sq

ef

W

T

)(tNL

)(tNd)(tNa

Sistemul de servire

Figura 1.2: Elementele de modelare (structurale i dinamice)


unde este reprezentantul variabilelor aleatorii i , considerate independente iidentic distribuite (i.i.d.)

Intensitatea traficului: ( ) d ( ) do oA t S t t (1.8)

Intensitatea medie a traficului d ( )

E ( ) E E E ( ) Eda

oN t

A t tt

(1.9)

unde )(t este tot un proces aleatoriu reprezentând rata sosirilor, iar E ( )t este rata medie a sosirilor. Rela ia (1.9) se poate particulariza în cazul în care ( )t este un proces sta ionar cel pu in asimptotic în sens larg [28], adic atunci când lim E ( )

tt ,

unde este o valoare fix . În acest caz, intensitatea medie a traficului devine la rândul ei o constant , notat generic cu A sau :

EoA (1.10)

M rimea reprezint rata medie de servire, fiind inversul timpului mediu de servire. Conform rela iei (1.6), volumul de trafic se m soar în unit i de timp, reprezentând timpul necesar îndeplinirii activit ilor de servire a clien ilor sosi ipân la momentul t, dar poate fi exprimat i prin intermediul num rului total de bi i (octe i), atunci când clien ii constituie blocuri informa ionale. În mod asem n tor, intensitatea medie a traficului, pe scurt trafic, se poate exprima ca raport de timpi sau ca num r de bi i (octe i) pe secund . În primul caz, unitatea de m sur se nume te ERLANG, 1 Erlang reprezentând traficul deservit de o unitate/sistem de servire ce este ocupat continuu timp de o or .

Tema 1.1 Justifica i prima expresie de definire a intensit ii medii a traficului din rela ia (1.9)

* * * Tema 1.2 Stabili i rela iile corespunz toare de defini ie ale m rimilor ce caracterizeaz traficul servit i traficul pierdut.

* * * Tema 1.3 Calcula i traficul i volumul mediu de trafic oferit timp de 10 ore de c tre o surs de trafic, care genereaz blocuri informa ionale de lungime medie 1200 octe i cu o rat medie de 100 bloc/sec, unui sistem înzestrat cu o singurunitate de servire de capacitate 048,2 Mbit/sec. Rezultatele se vor exprima în ambele unit i de m sur .

* * *


În vederea în elegerii modului în care teoria a tept rii pune la dispozi ieinstrumente de evaluare a performan ei unui sistem de servire, în finalul acestui paragraf se prezint cel mai simplu model matematic dezvoltat în cadrul acestei teorii. Este vorba de modelul M/M/1 [27] care consider , ca ipoteze, c :

1) sosirea clien ilor urmeaz un proces Poisson, de rat medie ,ceea ce înseamn c : timpii dintre dou sosiri succesive sunt variabile aleatorii independente i identic distribuite (i.i.d.), care urmeaz o distribu ie exponen ial de medie /1 ;

2) timpii de servire sunt variabile aleatorii independente identic distribuite, ce urmeaz o distribu ie exponen ial , de medie /1 ;

3) num rul de servere din sistem este egal cu 1; 4) sursa care alimenteaz sistemul este infinit de mare; 5) num rul clien ilor ce pot fi accepta i în sistem este infinit; 6) disciplina servirii este FIFO.

i ofer urm toarele rela ii de calcul: a. probabilitatea de stare ( 1):

jjp )1( pentru 0j (1.11)

b. num rul mediu de clien i în sistem:

0E

1jj

N j p (1.12)

c. num rul mediu al clien ilor din ir (lungimea medie a irului de a teptare):

2 2

1E ( 1)

1 ( )q jj

N j p (1.13)

d. media timpului de tranzit prin sistem (timpul petrecut de un client în sistem):

E E1 1E1 1

NT (1.14)

e. media timpului de a teptare:

E W (1.15)

f. traficul servit sau gradul de utilizare a unit ii de servire:

E Esg N (1.16)

g. probabilitatea de a teptare:

01

Pr 0 Pr 1 1jj

W N p p (1.17)


h. productivitatea a sistemului (reprezint frecven a medie cu care sistemul finalizeaz servirea clien ilor):

01

(1 )ef j jj

p p (1.18)

i. func ia densitate de probabilitate a timpului de tranzit:(1 )( ) (1 ) e x

Tf x , 0x (1.19)

Tema 1.4 Evalua i performan a unui sistem de servire tip M/M/1 dac : lungimea medie a blocurilor informa ionale este de 1200 octe i, rata sosirilor este de 256 bloc/sec i capacitatea unit ii de servire este 3,072 Mbit/sec.

* * * Tema 1.5 Folosind aceea i lungime medie i rat a sosirilor precizate în tema anterioar , stabili i capacitatea unui sistem dac se impune ca întârzierea prin sistem s dep easc valoarea limit de 250 ms, în cel mult 1% din cazuri.

* * * Tema 1.6 Considerând modelul M/M/1, stabili i valoarea traficului oferit unui sistem de comunica ii, cu o capacitate de 2,048 Mbit/sec, dac timpul mediu de tranzit este de 5 msec pentru blocurile informa ionale deservite, de lungime medie de 800 octe i.

* * * Tema 1.7 Considerând modelul M/M/1, stabili i capacitatea unui sistem de comunica ii dac media timpului de a teptare este de 0,5 msec, traficul servit este de 0,8 E, iar blocurile informa ionale au o lungime medie de 1600 octe i.

* * * Pe lâng informa ie, schimburile i transferurile au în vedere i alte "obiecte" care, în general, nu suport transportul prin traducerea lor într-o formabstract , descris prin intermediul unui set de simboluri. Astfel de obiecte sunt bunurile materiale i oamenii pentru care civiliza ia uman a inventat i dezvoltat diverse re ele de comunica ii precum re elele de transport feroviar, auto, aerian sau maritim, teleportarea fiind în continuare de domeniul fic iunii tiin ifice.


Re ele i servicii de comunica ii

2.1 Introducere

O re ea de comunica ie [4] este un ansamblu de mijloace prin care se poate comunica între mai multe loca ii distincte. Comunicarea presupune existen a, atât a unor c i de comunicare (de interconectare), cât i a unor mijloace de circula ie (transport) specifice. Astfel, reluând exemplele anterioare, în cazul re elelor de comunica ii feroviare avem c i ferate i trenuri, în cazul re elelor de transport auto avem drumuri, str zi, osele i autostr zi pe care circul autoturisme, autobuze, camioane etc., iar în cazul re elelor de transport aeriene avem aeroporturi i culoare de zbor pentru avioane sau elicoptere. În ceea ce prive te informa ia, se poate recurge la re eaua de comunica iipo tale care pentru transport utilizeaz re elele men ionate anterior, fiind astfel simultan furnizor i beneficiar (utilizator) de servicii, sau se pot folosi re elele de telecomunica ii i/sau re elele de calculatoare unde c ile de comunicare sunt mediile de propagare, iar mijloacele de transport (purt tor) sunt undele electromagnetice. Aceste ultime dou tipuri de re ele, utile doar schimburilor de natur abstract , constituie obiectul de analiz al materialului de fa i, pentru simplitate, dar nu numai atât (vezi conceptul de convergen ), vor fi referite în continuare, în comun prin termenul de re ele de comunica ii. Re elele de comunica ii, de genul precizat anterior, sunt aranjamente de componente materiale (hardware) i logice (software) care ofer o serie de servicii de comunicare care permit schimbul de informa ii între utilizatorii s i.


Utilizatorii sunt, de obicei, oameni, dar i echipamente, dispozitive sau programe de calculator. Una dintre cele mai familiare i r spândite re ele de comunica ii este re eaua public de telefonie fix PSTN (Public Switched Telephone Network).Aceast re ea a fost destinat ini ial pentru a oferi serviciul de telefonie POTS (Plain Old Telephone Service), dar pe parcurs, a fost adaptat pentru noi servicii precum: identificarea liniei chem toare (calling line identification) sau accesul la Internet. Un alt exemplu de re ea de comunica ie îl constituie re elele particulare de calculatoare (office computer network) care au ap rut ca urmare a r spândiriicalculatoarelor personale i a sta iilor de lucru i nevoii de conectare a acestora în scopul partaj rii informa iei (programe i date) i a echipamentelor periferice (imprimante, scanere etc.). Cel din urm exemplu îl constituie Internetul care a dep it în popularitate i utilizare re eaua PSTN (vezi figura 2.1.1). Internetul este de fapt o re ea de re ele de calculatoare, care acoper aproape întreaga suprafa a globului i care permite sutelor de milioane de utilizatori s schimbe între ei informa ii de orice natur , anume de tip text, audio sau video, precum icombina ii ale acestora, în servicii multimedia.

Schimbul i transportul de informa ii între doi utilizatori oarecare se poate desf ura prin intermediul unei leg turi (circuit, linie) de comunicare punct la punct (point-to-point link) care interconecteaz permanent i în mod direct cei doi utilizatori, dup cum se poate observa i în figura 2.1.2(a).

PSTN (POTS)

INTERNET

trafic

2001 2003 2005 2007

Figura 2.1.1: Evolu ia traficului în PSTN i INTERNET

(a) (b)

User2

User 3

User4

User 5

User6

User 1

User1

User2

User 3

User 4

User 5

User6

Figura 2.1.2: Leg turi între utilizatori: (a) de tip "punct la punct" i (b) "partajate"

2. Re ele i servicii de comunica ii 11

În general, îns , o re ea are o configura ie ampl care nu se reduce la câteva leg turi punct la punct, fiind destinat interconect rii unui num r mare de utilizatori. Din acest motiv, o astfel de re ea nu este construit prin stabilirea de leg turi punct la punct între toate perechile de utilizatori deoarece costurile aferente realiz rii, exploat rii i între inerii ar fi nespus de mari, iar utilizarea resurselor ar fi ineficient . În locul acestei solu ii, adoptat doar în cazul în care num rul de utilizatori este relativ mic i când cerin ele de siguran în func ionare (fiabilitate) i confiden ialitate sunt severe (cum ar fi re eaua inter-guvernamental ), proiectarea re elelor reale aplic principiul partaj rii resurselor, adic repartizarea mai multor perechi de utilizatori a aceleia i leg turi de comunicare, numit în acest caz jonc iune (trunk), a a cum este ilustrat în figura 2.1.2(b).

Tema 2.1 Pentru a conecta 6 utilizatori localiza i în puncte ce constituie vârfurile unui hexagon regulat cu latura de 200 km se poate opta fie pentru varianta instal rii doar de leg turi punct la punct (varianta de interconectare total ), fie pentru varianta "hub and spoke" (butuc i spi ), care presupune interconectarea utilizatorilor prin intermediul unui dispozitiv special aflat în centrul cercului circumscris hexagonului. Compara i cele dou variante din punctul de vedere al cheltuielilor de instalare a leg turilor de comunicare, dac se consider c o leg tur de 10 km cost 500 unit i monetare.

* * * Proiectarea re elelor de comunica ii are ca obiective principale stabilirea configura iei, fixarea capacit ii leg turilor de comunica ie i identificarea unui mod optim prin care acestea sunt partajate între fluxurile informa ionale active la un moment dat. Toate aceste obiective trebuie raportate deopotriv i la operatorii de re ea i la utilizatorii de servicii. Punctul de vedere al operatorilor se refer cu prec dere la asigurarea unei utiliz ri cât mai eficiente a resurselor i la satisfacerea unui num r cât mai mare de transferuri informa ionale, scopul final fiind ob inerea unor câ tiguri maxime cu cheltuieli minime. Preten iile utilizatorilor sunt în principal în domeniul calit ii serviciilor i ele se exprim prin aceea c nu trebuie s fie confrunta i în timpul folosirii re elei cu situa ii precum a teptarea unei c i libere pân la destina ie, pierderea sau alterarea informa iei i transferul cu întârzieri ale c ror valori caracteristice (media, varian a etc.), peste un anumit prag, devin inacceptabile. Pentru toate aceste aspecte sunt definite anumite m rimi cantitative care definesc, pe de o parte gradul de servire GoS (Grade of Service), adicdisponibilitatea serviciului, func ie de starea resurselor care urmeaz a fi implicate (defec iune, ocupare etc.), iar pe de alt parte calitatea servirii QoS(Quality of Service), ce reprezint calitatea cu care se desf oar un serviciu (rata pierderilor, întârzierea etc.) Aplicarea principiului partaj rii resurselor nu înseamn doar diferen ierea c ilor de comunica ie, ci const i în înzestrarea re elelor de comunica ii cu func ii noi care, al turi de func iile de baz (transmisia i recep ia), duc la îndeplinirea


transferurilor de informa ie între surse i destina ii. Aceste func ii suplimentare,dar obiectiv necesare pentru asigurarea unui cadru eficient de desfa urare a func iilor de baz , sunt:

multiplexarea,comuta ia (înaintarea),rutarea.

Rolul multiplex rii i comuta iei, este prezentat în figura 2.1.3: prin comuta ie, fluxurile de informa ie din liniile de intrare sunt transferate în liniile de ie ire ale dispozitivului corespunz tor, numit comutator, iar prin multiplexare, mai multe fluxuri informa ionale sunt transmise prin aceea i cale de comunicare. Comutatoarele au rolul de a stabili fie leg turi locale între utilizatorii proprii, care sunt localiza i în imediata lor vecin tate i alc tuiesc o comunitate de interes, privind cel pu in nevoia de comunicare, fie leg turi distante între utilizatori din comunit i distincte afla i în zone diferite.

Plecând de la modelul din figura 2.1.3, structura real a unei re ele, care deserve te un num r mare de comunit i r spândite pe o arie geografic întins ,în extremi, pe întreg globul p mântesc, are o structur ierarhic ob inut recursiv, prin repetarea principiilor de configurare (stea, plas , arbore/evantai) pe fiecare din nivelele de ierarhizare considerate. Astfel, conform figurii 2.1.4, re eaua, metropolitan , la care sunt arondate terminalele/re elei utilizatorilor, reprezentate

leg tur distantleg tur local

Zona A Zona B echipament utilizator

Comutator

multiplexor/demultiplexor

Figura 2.1.3: Rolul comuta iei i multiplex rii

re eametropolitan

re eana ional

terminale utilizatori

Figura 2.1.4: Organizarea ierarhic a re elelor de comunica ii


prin p trate înnegrite, se reduce, la nivelul de re ea na ional , la un singur p trat înnegrit, "motivul" geometric reg sindu-se de asemenea i la scarinterna ional . Din punct de vedere al denumirilor folosite pentru elementele de re ea, acestea difer de la un nivel de "agregare" la altul pentru a- i p stra specificitatea. De exemplu, la nivelul re elei metropolitane, leg turile c tre terminalele/re eaua utilizatorilor alc tuiesc re eaua de acces, iar la nivelul re elei regionale/na ionale, vorbim de re ea de transport (backbone, core). În cazul re elelor de mari dimensiuni, cu configura ii complexe, func ia de comuta ie este înso it de func ia de rutare, care stabile te c ile de comunicare de-a lungul re elei, precizând local, în cadrul fiec rui comutator linia de ie irec tre care trebuie orientate componentele (octe i, cadre, pachete) unui anumit flux, în drumul lor c tre destina ie. Precizarea destina iei se face prin alocareaunei adrese (addressing). În cazul re elelor ierarhizate adresele se stabilesc pe considerente logice, având o structura adecvat , rutarea pe fiecare nivel executându-se doar pe baza unui element corespunz tor din adres (de exemplu, pe baza num rului telefonic de apel "xxx yyy zzzz" se face mai întâi rutarea în re eaua interurban folosind "xxx", apoi rutarea în re eaua urbanfolosind "yyy", ultimele cifre "zzzz" reprezentând identitatea abonatului chemat). În cazul re elelor de mici dimensiuni, de genul re elelor locale LAN (LocalArea Network), care nu încorporeaz func ia de rutare, adresele de lucru sunt cele ale pl cilor de re ea, de exemplu, A0-1F-16-29-BC-01, fixate hardware de c tre produc tori, indiferent de configura ie în care vor activa, rezultatul fiind o adresare plan (neierarhizat ). Func ionarea în bune condi ii a re elelor de comunica ii impune ca în cadrul acestora s se desf oare i alte func ii, pe lâng cele prezentate anterior care s asigure utilizarea resurselor atât în condi ii normale cât i de excep ie, ianume:

controlul traficului - are rolul de supraveghere a transferurilor în vederea prevenirii coliziunilor i congestiei în re ea;controlul congestiei sau suprasarcinii - intervine atunci când apar deranjamente în re ea i/sau rev rs ri de trafic, ca urmare a dep irii posibilit ilor de îndrumare, obiectivul imediat fiind cel al men inerii unui anumit grad de servire (vezi figura 2.1.5), prin utilizarea unor mecanisme de rutare alternativ i de limitare a accesului în re ea;managementul de re ea - se ocup în principal cu monitorizarea performan ei, detectarea i repararea defec iunilor, configurarea resurselor, înregistrarea informa iei de taxare pentru calcularea costurilor i facturilor i asigurarea securit ii prin supravegherea accesului la fluxurile informa ionale din re ea.

Prezentarea de mai sus privind configura ia re elelor conduce la o reformulare a defini iei acestora în sensul c re elele de comunica ii reprezint un ansamblu de noduri care schimb informa ie prin intermediul unor c i de comunica ie. Nodurile pot fi:

- noduri terminale – echipamente surs sau destina ie a informa iei de genul posturi telefonice, calculatoare, camere de luat vederi, imprimante imonitoare,


- noduri intermediare (de comunicare) – echipamente de schimb (transfer) al informa iei, precum centrale telefonice, repetoare (hub), pun i(bridge), comutatoare (switch) i rutere (router).

De i diferen iate func ional, nodurile din ambele categorii au tr s turi comune, cele intermediare fiind, la rândul lor surse i destina ii pentru informa ianecesar coordon rii activit ilor colective (de exemplu stabilirea traseelor optime prin re ea), iar cele terminale fiind înzestrate cel pu in cu func iile elementare ale comunic rii: transmiterea i recep ia informa iei.

2.2 Evolu ia re elelor i serviciilor de comunica ii

Progresul re elelor de comunica ii este influen at de o serie de factori atât de natur tehnico-economic cât i politic i social . În acest sens, introducerea cu succes a unui nou serviciu înso it , eventual de realizarea unei noi re ele, depinde de satisfacerea a patru condi ii (figura 2.2.1) referitoare la:

de inerea tehnologiei care s permit implementarea cu costuri acceptabile;

existen a unui cadru legislativ favorabil; formarea, mai mult sau mai pu in dirijat , a unei pie e de

desfacere; respectarea standardelor.

Satisfacerea primelor trei condi ii a fost suficient în contextul unui monopol controlat de un num r restrâns de furnizori de servicii i produc tori de echipamente. În schimb, în contextul actual, al liberaliz rii, s-a ad ugat cea de-a patra condi ie, cea a respect rii standardelor astfel încât echipamente provenite de la diver i produc tori i servicii oferite de diver i furnizori s aib caracteristici similare putând fi integrate oriunde, oricând i de oricine. Satisfacerea tuturor celor patru condi ii nu este numai recomandat ipreferabil , ci este chiar obligatorie, în caz contrar, neglijarea sau subestimarea uneia conducând, inevitabil, la insucces. Exemple în acest sens stau: serviciul de videofonie în re eaua telefonic i emularea re elelor locale (LANE) folosind tehnologia ATM care, datorit unor pie e firave de desfacere, s-au confruntat cu e ecul.

Trafic oferit

Trafic servit cu control al congestiei

f r control al congestiei

Figura 2.1.5: Efectul controlului asupra congestiei i traficului


Condi iile tehnico-economice se refer la posibilit ile tehnologice i financiare de care se dispune în momentul în care se urm re te

implementarea unui nou produs/serviciu. Aceste posibilit i variaz în timp, pentru tehnologii curba evolu iei având forma literei S, a a cum este ilustrat în figura 2.2.1(a), numit i curba logistic . La început posibilit ile unei anumite tehnologii cresc într-un ritm accelerat, dup care, o dat cu apropierea de limitele fundamentale, impuse de legile fizicii, ritmul este tot mai sc zut.

Dep irea posibilit ilor oferite de o tehnologie ajuns în faza de maturitate deplin este posibil atunci când o nou tehnologie, cu limite fundamentale superioare î i face apari ia. Acest fenomen este reprezentat grafic în figura 2.2.1(b) i poate fi exemplificat în cazul re elelor de comunica ii prin succesiunea: transmisiunea pe linie simetric , transmisiunea pe cablu coaxial, transmisiunea pe fibr optic . S-a plecat ini ial, cu re elele telegrafice, cu un debit echivalent de câ iva bi i pe secund , ca în prezent s se ajung la peste

1210 bit/sec (1 Tera bit/sec). Pe lâng posibilit ile de a transmite informa ie, dezvoltarea re elelor de comunica ii este influen at i de realiz rile din alte domenii de activitate, dintre care cele mai importante sunt: microelectronica, tehnica de calcul i prelucrarea semnalelor. Microelectronica conduce la realizarea de sisteme cât mai compacte i cât mai integrate (de exemplu telefoane mobile i PC-uri într-un singur cip).

Tehnica de calcul avanseaz rapid, astfel încât (vezi figura 2.2.2) la o diferende 18-24 luni po i cump ra la acela i pre capacit i duble de calcul i memorare (legea lui Moore); în acela i timp prelucrarea semnalelor ofer o palet tot mai larg de procedee sofisticate de tratare a informa iei (compresii, cod ri) necesare serviciilor avansate.

Cadrul legislativ care controleaz dezvoltarea re elelor i serviciilor de comunica ii este creat de forurile guvernamentale abilitate în acest sens. În România acestea sunt: MCTI (Ministerul Comunica iilor i TehnologieiInforma iei), ANRC (Autoritatea Na ional de Reglementare în Comunica ii) iCNA (Consiliul Na ional al Audiovizualului). Ini ial, datorit costurilor mari în dezvoltarea infrastructurii i importan ei strategice i politice a supravegherii comunica iilor, pia a comunica iilor a fost monopolizat de institu ii subordonate guvernelor precum PTTR (Po ta Telefon Telegraf Radio). Aceste institu ii ofereau

început

avânt

satura ie

Limit fizicfundamental

posibilit i

t Tehnologia 1 t

posibilit i

(a) (b) Tehnologia 2

Tehnologia 3

Tehnologia 4

Figura 2.2.1: Evolu ia în timp a posibilit ilor tehnologice


un set restrâns de servicii i, datorit lipsei concuren ei, nu erau interesate în suplimentarea lor. Ca urmare, explozia tehnologic din domeniile amintite anterior i apari ia de "nuclee" în care se maturizau noi mijloace de comunicare au creat o presiune asupra institu iilor diriguitoare, din partea poten ialilor noi furnizori de echipamente i servicii, ceea ce, în final, a condus la destr marea centraliz rii. Efectul direct al descentraliz rii este competi ia care, la rândul ei conduce la:

- accelerarea progresului tehnic; - dezvoltarea echilibrat a economiilor regionale; - egalitate privind accesul la informa ie.

În prezent, în urma liberaliz rii, re eaua de comunica ii na ional este împ r it între mai mul i furnizori de re ea i/sau servicii, (SC RomTelecom, SCVodafone SA, SC Orange România SA), pentru care un client poate opta în deplin libertate. Cu toat aceast descentralizare, to i ace ti furnizori sunt obliga i s respecte anumite condi ii impuse de organele legislative iguvernamentale, dictate de nevoile sociale i de siguran a statului i care sunt acelea i pentru to i. Aceste condi ii se refer la asigurarea accesului necondi ionat la serviciile comunitare de urgen (poli ie, salvare, pompieri), la genul de informa ie ce nu este permis a fi transferat prin re ea (de exemplu pornografia) sau la dreptul guvernelor de a descifra transmisiunile codate din motive de securitate.

Pia a de desfacere este factorul de care depinde introducerea cu succes a unui nou produs (re ea, serviciu sau con inut). Succesul este condi ionat, în primul rând de dispozi ia de plat a clien ilor poten iali al c ror interes depinde de pre , utilitate i atractivitate. În cadrul serviciilor de re ea,pre ul i utilitatea sunt strâns legate de num rul (masa) clien ilor deservi i. Din acest motiv, în prim faz , dezvoltarea unui produs trebuie s se bazeze pe o mas critic de clien i, urmând ca ulterior, în func ie de cerere, s se extind pe scar larg . Lipsa sau existen a acestei mase critice a f cut ca servicii precum videofonia prin re eaua public de telefonie s nu supravie uiasc , iar servicii

1970 anul

1000

MIPS

100

10

1980 1990 2000

8080

8038680486

Pentium

8086

80286

Figura 2.2.2: Evolu ia capacit ii de calcul (legea Moore) MIPS - Million Instructions Per Second


precum telefonia mobil s capete o amploare deosebit devenind un motor al dezvolt rii tehnologiei privind comunica iile f r fir.

Standardele reprezint în elegerile de natur tehnic , încheiate la nivel na ional sau interna ional, care au ca obiectiv garantarea interoperabilit ii echipamentelor realizate de diver i produc tori. Interoperabilitatea se refer în general la interfa a fizic i la modul de utilizare. În cazul re elelor de comunica ii, interoperabilitatea are în vedere aspectele hardware i software care permit comunicarea corect i sigur între echipamentele constitutive. Prin asigurarea interoperabilit ii, standardele garanteaz atât acoperirea unei cât mai mari comunit i de utilizatori, cât i diminuarea investi iilor, competi ia transferându-se i la nivelul furnizorilor de echipamente.

Tema 2.2 Identifica i interfa a fizic a unui autoturism i modul ei de utilizare.

* * * Standardele pot fi rezultatul ac iunilor consultative desf urate de organiza ii na ionale sau interna ionale, guvernamentale sau nu, sau al domin riipie ei de c tre un singur produs. Din prima categorie fac parte standardele de drept (de jure), iar dintre organismele implicate se eviden iaz : - ITU – International Telecommunication Union, - IETF – Internet Engineering Task Force, i - IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. Din a doua categorie fac parte standardele de fapt (de facto), privind de exemplu sistemul de operare Microsoft Windows sau implementarea calculatoarelor personale bazate pe microprocesoare Intel. De-a lungul evolu iei re elelor de comunica ii s-au succedat dou principii care au stat la baza proiect rii lor. Primul principiu s-a aplicat în etapa de maturizare a ansamblului conceptual i tehnologic utilizat i a constat în realizarea de re ele specializate, destinate unui anumit gen de serviciu. Astfel, inventarea telegrafiei a condus la realizarea re elelor telegrafice care au oferit serviciul de telegrafie, inventarea telefoniei a condus la realizarea re elelor telefonice care ofer serviciul de telefonie, inventarea radiofoniei a generat re elele radiofonice cu servicii de radiodifuziune, inventarea televiziunii a generat re elele de televiziune, iar inventarea calculatorului a condus la apari ia re elelorde calculatoare, cu serviciile de re ea aferente.

Al doilea principiu s-a conturat odat cu maturizarea bazei conceptuale i tehnologice i const în realizarea de re ele nespecializate, care s

încorporeze (integreze) orice gen de serviciu. Pentru atingerea acestui obiectiv se pot urma dou c i, i anume:

adaptarea unui anumit tip de re ea, deja existent , la servicii pentru care nu a fost conceput ini ial. Aceast solu ie a fost aleas , în cazul re elelor de telefonie PSTN, unde s-au introdus pe liniile de acces modem-uri în banda vocal sau modem-uri ADSL, în cazul re elelor de televiziune prin cablu (CATV)care ofer în prezent servicii de telefonie i re ea, în cazul re elelor publice de date i Internet unde protocoale specializate asigur servicii în timp real de genul


voce prin Frame Relay VoFR (Voice over Frame Relay) sau voce prin Internet VoIP (Voice over Internet Protocol).

proiectarea de re ele care s aib de la început calitatea de a putea satisface orice serviciu i s-a materializat în dou solu ii:

a) re eaua cu integrarea serviciilor i acces de band îngust N-ISDN(Narrow Band Integrated Service Digital Network), în care transmisia pe liniile de acces este numeric i organizat în cadre icanale de 64 kbit/sec i eventual 16 kbit/sec corespunz tor tehnicii MIC (Modula ia Impulsurilor în Cod), în englez PCM (Pulse Code Modulation), i

b) b) re eaua cu integrarea serviciilor i acces de band larg B-ISDN (Broadband Integrated Service Digital Network), în care transmisia fluxurilor se realizeaz prin intermediul unor blocuri informa ionaleconform cu tehnica ATM (Asyncronous Transfer Mode).

Solu iile ob inute urmând cele dou c i au avantaje i dezavantaje care fac ca în prezent cele dou mari tabere în competi ie, ale furnizorilor de echipamente i servicii pentru companiile de telecomunica ii respectiv Internet, scolaboreze, de unde i sintagma IT&C (Information Technology andCommunication), obiectivul urm rit fiind urm toarea genera ie de re ea NGN(Next Generation Network). La baza acestei solu ii se g sesc: Internet Protocol(IP), în special pentru func ia de rutare, MultiProtocol Labeled Switching (MPLS)împreun cu ATM i FR pentru func ia de comuta ie în re eaua de transport (dorsal ), Synchronous Digital Hierarchy (SDH) pentru func ia de transport în re eaua de transport i Ethernet pentru func ia de transport i comuta ie la periferia re elei (network edge).

2.3 Telegrafia i comuta ia de mesaje

Telegraful a fost inventat în 1837 de Samuel P. Morse i a constituit mijlocul de implementare a primului serviciu de comunicare la distan cu ajutorul semnalelor electrice, prin intermediul unor mesaje text, denumite telegrame.Traducerea textului în format compatibil transmiterii la distan s-a realizat prin intermediul codului Morse care utilizeaz dou simboluri, punct i linie, cu care se compun cuvinte de cod distincte pentru fiecare caracter text (alfanumeric). Simbolurile sunt transpuse în semnale de scurt durat , pentru punct, irespectiv de lung durat , pentru linie. Aceste semnale sunt fie electrice itransmise pe o linie simetric , fie acustice de aceea i frecven dar de durate corespunz toare i recep ionate direct de un operator uman. Alegerea doar a dou simboluri, punct i linie, i stabilirea cuvintelor din alfabetul Morse, a a cum este prezentat în tabelul 2.3, au urm rit asigurarea unei transmisiuni cât mai eficiente în condi iile date. Doar dou simboluri pentru ca transmisiunea s fie cât mai sigur (cu erori minime) i cuvinte cu num r variabil de simboluri pentru ca transmisiunea s fie cât mai rapid . Aplicarea acestor dou principii face din telegraful lui Morse precursorul sistemelor actuale de comunica ii digitale în care orice flux informa ional este convertit în form binar ,


pentru ca apoi, dup ce, eventual, a suferit o compresie, s fie transmis prin intermediul unor semnale binare.

Tabelul 2.3: Alfabetul Morse

Caracter Codul Morse

Probabilitateade apari ie Caracter Codul

MorseProbabilitatea

de apari ie A 0.08149 S 0.06099 B 0.01439 T 0.10465 C 0.02757 U 0.02458 D 0.03787 V 0.00919 E 0.13101 W 0.01538 F 0.02923 X 0.00166 G 0.01993 Y 0.01982 H 0.05257 Z 0.00077 I 0.06344 1 J 0.00132 2 K 0.00420 3 L 0.03388 4 M 0.02535 5 N 0.07096 6 O 0.07993 7 P 0.01981 8 Q 0.00121 9 R 0.06880 0

Utilitatea economic , politic , militar i social a f cut ca telegrafia s se dezvolte rapid, r spândindu-se i legând în scurt timp toate continentele (primul cablu submarin a fost instalat în 1851 i a legat Londra de Paris). De asemenea s-a creat cadrul dezvolt rii unei noi industrii, industria tirilor, unul dintre exponen ii ei fiind Compania Daily Telegraph. Extinderea folosirii acestui procedeu de comunicare a condus, din motive de eficien privind utilizarea circuitelor telegrafice, la crearea re elelor de telegrafie (Telex) na ionale iinterna ionale. În asemenea re ele, telegramele (mesajele) sunt transferate prin intermediul unor noduri de comuta ie telegrafic , în care se desf oar opera iimo tenite i în prezent de c tre re elele moderne de comunica ii. Este vorba de rutarea (routing) pe baza adresei destina iei, pentru a stabili linia de ie ire din nod, i de înaintarea cu înmagazinare (store and forward), prin care mesajul este re inut pân când linia aleas se elibereaz i apoi transmis. Având ca obiect de lucru mesajele, toate aceste opera ii sunt referite global prin termenul de comuta ie de mesaje.

Cre terea continu a num rului de transmisiunilor telegrafice i dorin a de a utiliza cât mai eficient resursele a impus m rirea vitezei de transmitere [12] prin intermediul unui circuit telegrafic, care ini ial în cazul unui operator experimentat ajungea la 25-30 cuvinte/minut. Aceast cre tere s-a ob inut prin multiplexaresau modula ie. Multiplexarea presupune transmiterea prin între esere a mai multor fluxuri telegrafice prin acela i circuit telegrafic. Acest principiu a fost aplicat în cadrul sistemului Baudot, unde fiec rei litere din alfabet îi


corespundea un caracter, grup de 5 simboluri binare, "0" i "1", idee preluat idezvoltat ulterior în cazul codurilor ASCII (American Standard Code for Information Interchange) cu caractere de 7 simboluri binare plus un bit de paritate. Modula ia presupune utilizarea unor perechi de impulsuri sinusoidale (o frecven pentru simbolul "0" i o frecven pentru simbolul "1") repartizate câte una fiec rui flux telegrafic i se reg se te în prezent în principiul de func ionare a modem-urilor moderne.

Tema 2.3 Fie un sistem Baudot, alc tuit din circuite telegrafice, fiecare cu o capacitate util de 16 (32) kbit/sec, i multiplexând câte 32 (8) fluxuri telegrafice. Considerând c întârzierile din noduri sunt neglijabile, stabili i durata de transfer a unei telegrame de 216 (128) litere între dou noduri ale acestui sistem ce sunt interconectate prin 3 (4) noduri intermediare. Se tie c interconectarea fizicdintre dou noduri adiacente se face prin medii de comunicare a 1000 (2000) km i c viteza de propagare este egal cu 2/3 (3/4) din viteza luminii.

2.4 Telefonia i comuta ia de circuite

Telefonia, transmiterea la distan a semnalului acustic vocal (vocii) prin conversie în semnal electric i telefonul ca aparat îns rcinat cu aceast func iesunt rodul activit ii de cercetare-proiectare întreprinse de c tre Alexander Graham Bell [38]. Fiind vorba de o transmisiune în timp real, care permite efectiv conversa ia, i de un mod de utilizare al aparatului, extrem de simplu, inven ia s-a adresat direct utilizatorilor finali (interlocutori), spre deosebire de telegrafie unde comunicarea dintre ace tia se desf ura prin coresponden iapela la serviciile unor operatori specializa i, telegrafi tii. Din acest motiv, succesul privind pia a de desfacere nu s-a l sat a teptat, num rul aparatelor telefonice în 1877, la un an dup prezentarea inven iei, fiind de 100, apoi în 1880 de 50.000, iar în 1890 de 250.000.

2.4.1 Re ele ierarhizate Cre terea num rului de aparate telefonice în uz a condus inevitabil la

apari ia re elelor de telefonie, din acelea i motive de utilizare eficient a liniilor de leg tur între noduri i utilizatori i de asigurare a unui grad de complexitate acceptabil al dezvolt rii pe scar larg i foarte larg (extensibilitate - scalability). Re elele de telefonie, dat fiind amploarea num rului de utilizatori, au o structur ierarhic , prezentat în figura 2.4.1, care este constituit , la baz ,dintr-o re ea de acces prin care utilizatorii (aparate telefonice) sunt conecta i la centrele (centralele) locale de comuta ie (nodurile din periferia re elei). În continuare, centralele locale se pot interconecta direct sau pot stabili leg turi care trec, în func ie de necesit i prin unul sau mai multe nivele ale ierarhiei. În cadrul re elelor telefonice, comunicarea implic o serie de opera ii care le imprim o caracteristic aparte, cea de a fi orientate pe conexiune. Opera iileavute în vedere sunt:


stabilirea conexiunii, la care conlucreaz , f când uz de func ia de rutare i de semnalizare, atât aparatele telefonice (terminalele) cât inodurile intermediare pentru rezervarea i alocarea unei c i de comunica ie, aceea i pe toat durata conexiunii, înaintarea fluxurilor informa ionale prin calea stabilit în etapa anterioar , ieliberarea conexiunii, necesar "repunerii în circula ie" a resurselor în vederea reutiliz rii lor pentru satisfacerea cererilor ulterioare de conexiune.

O cale de comunica ie include dou sau mai multe noduri, înaintarea fluxurilor informa ionale realizându-se prin intermediul unor circuite/canale fizice concrete între dou noduri adiacente i prin transfer de pe circuitul de intrare pe circuitul de ie ire corespunz tor, în cadrul unui nod. Acest transfer poartdenumirea de comuta ie de circuite, re elele care folosesc aceast tehnicnumindu-se re ele cu comuta ie de circuite.

2.4.2 Semnalizarea Semnalizarea const în schimbul de informa ie necesar îndeplinirii opera iilor sus men ionate, care are loc între componentele implicate, precum aparatele telefonice, centralele locale i centralele de tranzit, ale re elelor PSTN. Acest schimb de informa ie se desf oar conform unui anumit protocol, denumit protocol de semnalizare, care, al turi de ansamblul componentelor hardware i software angrenate, alc tuie te un sistem de semnalizare. În cadrul re elelor PSTN, sistemele importante de semnalizare, care s-au succedat i au coexistat, sunt: sistemul R2 i sistemul SS7.

Abona i (Nivel 5)

leg turi prin satelit

Centru de tranzit interna ional (CTI)cabluri

submarine

Centru de zon , CZ (tranzit ter iar)

Centru de distribu ie, CD (tranzit secundar)

Centru de grup, CG (tranzit primar)

Centru local

RE EA INTERURBAN

(DE JONC IUNI)

RE EA INTERNA IONAL

RE EA URBAN(LOCAL )

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 3

(Nivel 4)

Figura 2.4.1: Structura ierarhizat a re elei telefonice


Sistemul R2, atât în varianta sa ini ial , analogic , implementat într-o manier complet hardware, pe principiul circuitelor logice combina ionale isecven iale, cât i, cu mici excep ii, în varianta numeric , ulterioar , utilizeazdrept c i de semnalizare c ile de comunicare, asocierea fiind unu la unu, ifolose te pentru transmiterea semnalelor (de unde i denumirea de semnalizare) combina ii de tonuri, frecven e în banda vocal (corespunz toare codurilor "2 din 5" sau "2 din 6"), fiecare combina ie fiind generat continuu pân la recep ionarea i procesarea confirm rii, care este, de fapt, o nou combina ierecep ionat din sens opus. Drept exemplificare, figura 2.4.2 prezint modul în care se desf oarsemnalizarea de registru a sistemului R2, pe parcursul c reia centrele de comuta ie î i transfer , cifr cu cifr , informa ia de numerotare. Nota iile I-7 i I-3 reprezint combina iile de cod de semnalizare corespunz toare cifrelor 7 i 3, emise de centrul de plecare (numite "semnale înainte"), iar A-1 reprezint un "semnal înapoi" emis de centrul de sosire, care semnific o cerere de trecere la urm toarea cifr , constituind astfel confirmarea c cifra anterioar a fost corect recep ionat (pentru detalii suplimentare vezi [38]).

Pe ling semnalizarea de registru, sistemul R2 include i semnalizarea de linie care se ocup cu angajarea unei c i de comunica ie, în vederea desf ur rii semnaliz rii de registru, i eliberarea sa odat cu stabilirea îndeplinirea conexiunii. În varianta analogic , semnalizarea de linie utilizeaz o tonalitate care, prin prezen a sa în linie (calea de comunica ie), precizeazdisponibilitatea acesteia.

Sistemul nr.7, SS7 (Signaling System no.7), este pur numeric, schimbul de mesaje realizându-se prin intermediul unor blocuri binare, cu bogat con inut informa ional, i folose te un suport fizic complet separat de cel al c ilor de comunicare, care este utilizat în comun de toate semnaliz rile asociate acestora, de unde i alt denumire folosit frecvent, aceea de CCS7 sau simplu C7(Common Channel Signaling Number 7). În fapt, se constituie ca o re ea separat cu comuta ie de mesaje, specializat scopurilor de semnalizare. Întabelul 2.4.1 se precizeaz structura simplificat a mesajului IAM (Initial Address

Figura 2.4.2: Exemplificarea semnaliz rii de registru în sistemul R2: T – transmi tor, R – receptor


Message), ca exemplu edificator al con inutului bogat al mesajelor de semnalizare.

Tabelul 2.4.1: Structura simplificat a mesajului IAM

Destination Point Code Originating Point Code Circuit Identification Code Nature of Connection Indicators Forward Call Indicators Called Party Number Calling Party Number

Mesajele de semnalizare sunt schimbate între a a numitele puncte de semnalizarea ( SP – Signaling Point), componente ale centrelor de comuta ie(CO - Central Office) i identificate printr-un anumit cod (Point Code), care intrîn alc tuirea re elei de semnalizare asociat sistemului nr.7, structurat conform variantelor prezentate în figura 2.4.3.

În primul caz, a), vorbim de o semnalizare asociat c ilor de comunica ie, iar în al doilea caz, b), ne referim la o semnalizare cvasi-asociat ,în configura ia re elei intervenind i noduri intermediare, denumite puncte de transfer al semnaliz rii (STP – Signaling Transfer Point). Din motive de securitate, o calea de semnalizare între dou puncte utilizeaz cel pu in doucanale fizice din medii de propagare distincte, un punct de semnalizare este legat la dou alte noduri ale re elei, iar nodurile de transfer al semnaliz rii se interconecteaz fiecare cu fiecare.

2.4.3 Planul de numerotare Func ia de rutarea are drept scop stabilirea c ilor de leg tur între

centrele de comuta ie local . Alegerea c ilor în vederea stabilirii conexiunilor dintre utilizatori se face pe baza adreselor de destina ie care sunt schimbate între

SPCO

SP

CO

SP

CO

b)a)

RE EA SEMAFOR

RE EA TEELFONIC

STP

STP

SP

CO

SP

TO

STP

STP

SP

TO

SP

CO

Cale de comunica ie

Cale de semnalizare

Figura 2.4.3: Modul de func ionare a re elei semafor: a) asociat, b) cvasi-asociat: CO – Central Office (central urban ), TO – Transit Office (central de tranzit)


nodurile vizate ale re elei prin intermediul func iei de semnalizare (destinat ialtor sarcini aferente fazelor de stabilire i eliberare a conexiunilor).

Adresele folosite în procesul de selec ie a c ilor (rutelor) reprezintidentificatori ai terminalelor sau serviciilor, care apar in unui a a numit plan de numerotare. Corespunz tor acestui plan, ITU-T, prin recomandarea E.163, precizeaz structura adresei telefonice care trebuie s con in urm toarele câmpuri (grupuri de cifre zecimale):

- prefixul – "00" pentru apeluri interna ionale i, respectiv, "0" pentru cele na ionale, identificând astfel categoria apelului,

- indicativul de ar (interna ional) – format din 31 cifre i stabilit în raport cu pozi ia geografic a fiec rei ri i cu dimensiunea re elei sale na ionale,

- indicatorul operatorului de re ea,- codul de oficiu (indicativ) interurban, - codul de oficiu urban (indicativ central ),- adresa abonatului, precizând segmentul de adres propriu terminalului,

prin identificarea valorilor de Mie, Sut , Zece i Unitate.Trebuie precizat c lungimea adresei interna ionale (f r prefixul

interna ional) poate fi cel mult de 12 cifre (deocamdat ). De asemenea, dacsursa i destina ia apelului se afl în cadrul acelea i zone de re ea (fie în acela iora , fie în aceea i re ea na ional ), atunci adresa se scurteaz corespunz tor.

În figura 2.4.4 este prezentat un exemplu relativ la adresa unui abonat din România conectat în re eaua telefonic fix (operator Romtelecom) i care trebuie folosit pe rela ia interna ional i, respectiv, pe cea na ional , precum ial unui abonat al re elei mobile, terminalul mobil aflându-se pe cuprinsul teritoriului na ional.

Exist , în plus, cerin e separate de adresare pentru "serviciile speciale", ca salvarea, pompierii, ora exact , deranjamente, informa ii, poli ie etc., pentru care sunt alocare adrese prescurtate (de exemplu 112, 956, 9281, 9521 etc.) folosite pentru a se ob ine o selec ie rapid .

2.4.4 Transportul i comuta ia numericRe elele telefonice publice cu comuta ie de circuite PSTN (Public

Switched Telephone Network) au cunoscut o evolu ie gradat , trecând prin diverse stadii de dezvoltare. Ini ial transmisiunea a fost analogic iar comuta ia,

00 40 2 xx yyy MSZU

Identitate abonat

Indicativ centralIndicator "operator re ea fix "

Indicativ interurban

Prefix apel interna ional Indicativ interna ional

0 2 1 xxx MSZU

Prefix apel na ional

0 7zz xxx yyyy

Indicator "operator re ea mobil "

Figura 2.4.4: Numerotarea în re eaua telefonic public comutat (Rec.E.163)


atât la nivel fizic de interconectare a liniilor deservite de un nod intermediar, cât ilogic, de comand i conlucrare în re ea în vederea stabilirii/eliber rii conexiunilor (circuitelor) a fost electromecanic , [7]. În acest context, cre terea eficien ei în utilizarea mediilor de comunica ie s-a f cut prin multiplexarea în frecven , ce s-a concretizat într-o serie de sisteme ierarhizate de curen i purt tori [10]: grup primar (12 c i), grup secundar (60 c i), grup ter iar (300 c i), grup cuaternar (900 c i).

Inventarea tranzistorului în 1948 a deschis calea dezvolt rii sistemelorde transmisiuni digitale care s-a accelerat odat cu inventarea în anii '60 a circuitelor integrate. Perspectivele încurajatoare privind costurile de implementare i asigurarea unor performan e superioare, au f cut ca prin introducerea în

exploatare în anul 1962 a primului sistem de transmisiuni digitale, T-1 destinat traficului vocal între dou centre, re elele de telecomunica ii s intre într-un amplu proces de digitizare. Sistemul T-1, folosit cu prec dere în America i Japonia, realizeaz simultan, prin multiplexare în timp, 24 de circuite, fiecare cu o capacitate de 64 kbit/sec, capacitatea total de transmisie fiind de 1,5 Mbit/sec. Capacitatea de 64 kbit/sec, aferent unui circuit este rezultatul aplic riimodula iei impulsurilor în cod (MIC/PCM) care const în e antionareasemnalului analogic vocal (cu valori semnificative ale puterii în banda 300-3400 Hz), urmat de o cuantizare neliniar (din motive de garantare a unui raport semnal-zgomot de cuantizare satisf c tor, în condi iile reducerii la minim a num rului de trepte de cuantizare) i de o codare binar în cuvinte de 8 bi i, 7 bi ipentru amplitudine i 1 bit pentru semn.

Corespondentul european al sistemului T-1 este denumit multiplex de ordinul 1 (multiplex primar) i const în transmiterea continu de cadre organizate conform schemei din figura 2.4.5. Din cele 32 de intervale temporalecon inute, 30 sunt destinate implement rii a 30 de canale de comunica ii/trafic, unul este rezervat pentru controlul transmisiunii prin sistem (bi i de sincronizare la nivel de cadru, bi i de control al erorilor, bit de alarm ), iar unul este dedicat func iei de semnalizare (spre deosebire de sistemul T1 unde semnalizarea se face în intervalul circuitului deservit folosind cel mai pu in semnificativ bit – bitrobbing).

Modul de organizare a transmisiei în cadrul sistemului E1 permite

0 j 15

Multicadru (2 msec)

Cadrul primar (0,125 msec)

1 15 16 17 310

Cuvânt MIC de 8 bi iSemnalizare de linieSincronizare

i (orice interval temporal 1-15 sau 17-31)

Figura 2.4.5: Cadrul primar MIC - 32


identificarea implicit a circuitelor de comunicare prin pozi ia în cadrul primar a intervalelor temporale constitutive. În ceea ce prive te canalul de semnalizare, aceasta este împ r it , în cazul utiliz rii sistemului R2 în 30 de circuite distincte, în care se face semnalizarea de linie a fiec rui circuit de comunica ie, identificarea f cându-se tot implicit, func ie de pozi ia celor 4 bi i repartiza i în interiorul unui multicadru sau, în cazul sistemului SS7, este folosit în comun, pentru transferul secven ial al tuturor mesajelor de semnalizare.

Tema 2.4.4.1 Stabili i durata de transfer a unui mesaj SS7, de 256 octe i, printr-o cale de semnalizare a unui sistem E1 care leag dou centre de comuta ie.

* * * În privin a modului de realizare a comuta iei de circuite, aplicabil în cazul

sistemelor de transmisiuni multiple (multiplexate) MIC, aceasta const , conform figurii 2.4.6, în transferul informa iei, prin intermediul unei re ele de conexiune, de pe un circuit al unei linii de intrare într-un nod de comuta ie (eventual intermediar), pe un circuit al unei linii de ie ire din respectivul nod. Func ie de liniile i intervalele avute în vedere, comuta ia de circuite este de trei feluri, ianume:

Comuta ie spa ial , dac intervalul temporal se p streaz acela i, dar identit ile liniilor sunt diferite, Comuta ie temporal , TSI (Time Slot Interchange), dac liniile au aceea iidentitate, dar intervalele temporale (time slot) sunt diferite Comuta ie spa io-temporal , dac atât identit ile liniilor cât i intervalele temporale sunt diferite.

Tema 2.4.4.2 S se stabileasc întârzierea pe care o introduce un nod de comuta ielegat la nodurile vecine doar prin sisteme E1, în cazul comut rii unui flux numeric din circuitul 14/25 al liniei de intrare 2/5, în circuitul 9/16 al liniei de ie ire 4/1.

Indica ie: a a cum se arat i în figura 2.4.6 prin intermediul nota iei 0t ,cadrele MIC, atât de pe liniile de intrare, cât i de pe cele de ie ire, sunt sincrone.

* * *

LE1

LE j

LEN

LI1

LIk

LIM

321 321

comuta ie temporalcomuta ie spa ial comuta ie spa io-temporal0t

Re ea de conexiune

0t

ts

Figura 2.4.6: Tipuri de comuta ie de circuite


Plecând de la multiplexul primar, progresele din domeniile dispozitivelor imediilor de transmisiuni au permis realizarea în timp, de multiplexe de ordin superior care au format, în final, o ierarhie digital plesiocron PDH(Plesiocronous Digital Hierarchy), ultimul atribut precizând c ceasurile din cele dou capete ale sistemului de transmisiuni (emi torul i receptorul) au frecven easem n toare, fiind permise abateri relative de pân la 10-4.

Modul de formare al celor 4 nivele stabilite pentru Europa respectrecomandarea ITU-T G.732, având urm toarele structuri:

- E0: 64 kbit/sec – nivel (acces) de baz ,- E1: 2,048 kbit/sec (32 x E0) – multiplex de ordinul 1 (primar) sau

acces primar, - E2: 8,448 kbit/sec (4 x E1) – multiplex de ordinul 2 (secundar), - E3: 34,368 kbit/sec (4 x E2) – multiplex de ordinul 3 (ter iar), - E4: 139,264 kbit/sec (4 x E3) – multiplex de ordinul 4 (cuaternar).

Ierarhia digital plesiocron are avantajul unui mecanism simplu de sincronizare, care folose te ceasuri cu cuar , dar prezint , din acest motiv, urm toarele dezavantaje: posibilitatea ie irii din sincronizarea i necesitatea desfacerii pân la nivelul accesului primar a multiplexurilor de nivel superior, în vederea inser rii/extragerii unui flux individual.

Drept urmare, urm toarea treapt evolutiv a sistemelor de transmisiuni multiple o reprezint ierarhia digital sincron SDH (Synchronous DigitalHierarchy) destinat re elelor sincrone de transport, care utilizeaz ca mediu de propagare fibrele optice sau ghidurile de und . În acest scop, în conformitate cu Recomand rile G707, G708, G709, au fost create N niveluri de module de transport sincron STM-N (Synchronous Transport Module).

Din punct de vedere al fluxului binar, un modul de transport sincron constituie tot un bloc de 125 sec, dar cu o structur i o utilizare complet diferit de cea întâlnit în ierarhiile numerice plesiocrone, conform cu cea prezentat în figura 2.4.7. Un modul STM este alc tuit din 9 rânduri de câte 270 octe i, din care 261 reprezint sarcin util [11]. Prin multiplexarea cu intercalare a N module STM-1 se ob in nivelurile superioare de transport STM-N. Debitele binare ce caracterizeaz aceste niveluri sunt prezentate în tabelul 2.4.2. Detalii suplimentare vor fi precizate în capitolul urm tor.

Sarcin util

SOH

AU-PTR

SOH

9 octe i 261 octe i

3

5

1

Figura 2.4.7: Organizarea unui modul STM-1


Tabelul 2.4.2: Debitele binare ale nivelurilor STM-N

Nivelul Debit binar (kbit/sec) STM - 1 155.520 STM - 4 622.080 STM - 16 2.488.320 STM - 64 9.953.280

2.4.5 Conceptul de re ea inteligentImpulsul urm tor, în evolu ia re elelor telefonice, c tre o re ea complet

digital a venit în urma apari iei, dezvolt rii i maturiz rii echipamentelor de calcul numeric (calculatoarelor). În prim faz , obiectivul vizat a fost înlocuirea în partea de comand a centralelor, a logicii cablate, greu de exploatat i dificil dac nu chiar imposibil de modificat pentru a dezvolta i îngloba noi func ii, cu o logic programat , înscris într-un program executat de un calculator specializat. Aceast solu ie, numit comand prin program înregistrat SPC(Stored Program Control) ofer un cadru extrem de flexibil dezvolt rilor, permite un mod mult mai facil de exploatare, administrare i între inere i realizeaz mult mai eficient func ia de semnalizare, ultima caracteristic permi ând dezvoltarea de sine st t tor a unui sistem complet digital, cum este cazul sistemului de semnalizare CCS (Common Channel Signalling), numit i sistem de semnalizare pe canal semafor.

Posibilit ile superioare de prelucrare a informa iei de comand ,caracteristice sistemelor de semnalizare, de genul precizat anterior, practic sisteme de calcul distribuit suprapuse peste re elele de comunica ii deservite, au permis ca, începând din anii 70, s se implementeze o serie de serviciiavansate de telefonie, în beneficiul utilizatorului i al companiilor de profil:servicii cu valoare ad ugat , numere universale, cartele pentru servicii cu plata în avans (prepayed) etc.

Mai mult, aceste caracteristici, care au condus la conceptul de re eainteligent IN (Intelligent Network) i apoi de re ea inteligent avansat AIN(Advanced Intelligent Network), au deschis drumul concentr rii în centre specializate OAMC (Operation Administration and Maintenance Center), a func iilor de exploatare, management i între inere, cu care, pân în acel moment, erau îns rcinate toate centrele de comuta ie interconectate. Aceste centre de OA&M apar in unei re ele specializat în managementul telecomunica iilor, notat TMN (Telecommunication Management Network).

2.4.6 Accesul numeric Ini ial, apanaj, în mare m sur , al sectoarelor economic, politic i militar,

calculatorul a devenit, în final, un produs de larg consum i, prin aceasta, a declan at ultima faz a digitiz rii complete a re elelor de telefonie (telecomunica ii). În aceast faz , în curs de desf urare, sectorul vizat este "co marul" telecomunica iilor: re eaua de acces, iar obiectivul fixat este re eauade band larg , a c rei extindere depinde, în special, de interesul utilizatorilor fa de serviciile de band larg (sensibil mai costisitoare).


Prima tentativ a fost re eaua numeric cu integrarea serviciilor ISDN(Integrated Service Digital Network) în care s-au definit dou tipuri de acces is-au proiectat dou tipuri specifice de interfe e:

accesul de baz BRA (Basic Rate Acces), cu interfa a BRI (Basic RateInterface), iaccesul primar PRA (Primary Rate Acces), cu interfa a PRI (Primary RateInterface).

Accesul de baz (2B+D) are o capacitate de 144 kbit/sec i este structurat astfel:

- dou canale de câte 64 kbit/sec, notate B, sunt destinate leg turilor telefonice i de date, - un canal de 16 kbit/sec, notat D, este destinat semnaliz rilor, pentru care

s-a dezvoltat sistemul de semnalizare digital num rul 1 - DSS1 (Digital Signalling System no.1) i leg turilor de date cu debit mic.

Accesul primar (30B+D) are o capacitate de 2,048 Mbit/sec i este alc tuit din:

- 30 canale de câte 64 kbit/sec, destinate leg turilor telefonice i de date, - un canal de control al transmisiei pe leg tura fizic (sec iunea de transfer), - un canal de semnalizare comun celor 30 de canale de comunicare.

În timp, odat cu "explozia" traficului de date, caracterizat prin debit variabil i sporadicitate, i cu progresul tehnicii de codare a semnalului vocal, care a condus la debite de pân la câ iva kbit/sec, interesul fa de aceast primtentativ s-a diminuat, datorit debitelor mici oferite (în special în cazul BRA) i a organiz rii insuficient de flexibil , în canale, care permite utilizatorilor sfoloseasc c i cu capacitate fix , multiplu sau submultiplu al capacit ii de baz (valabil în ambele cazuri, varianta acces primar nestructurat fiind introdus pentru a elimina acest neajuns). În consecin , eforturile colectivelor de cercetare i dezvoltare R&D (Research and Development) din industria telecomunica iilor, supus unei presiuni puternice din partea concuren ei("re eli tii" - networkings), au condus la dezvoltarea unui nou concept: re eauanumeric cu integrarea serviciilor de band larg B-ISDN (Broadband ISDN).

Dou tehnologii înso esc, în principal, acest tip de re ea:ATM (Asyncronous Transfer Mode) – modul de transfer asincron, ix-DSL (x-Digital Subscribe Line) – linia digital de abonat, de tip x.

Modul de transfer asincron, considerat ini ial solu ie final , oriunde în re ea, s-a dovedit eficient doar în zona central (de transport), unde principiul comuta iei ATM st la baza implement rii re elei de interconexiuni multiple din cadrul rutelor de mare capacitate. Toate eforturile de implementare ATM la nivel de re ea periferic LANE (Local Area Network Emulator) au e uat în fa aadversarului Ethernet mult mai "bine preg tit" la capitolul difuzare în grup sau în grup restrâns (broadcast, respectiv multicast) i cu poten ial pentru a concura iîn terenul advers (Metro Ethernet).

A doua tehnologie, x-DSL, a urm rit ob inerea unor modem-uri care sextind capacit ile pe vechile linii de abonat, din perechi de cupru torsadate,de la maxim 56 kbit/sec cât reu eau modem-urile în banda vocal , pân la câ iva


Mbit/sec i cu posibilitatea utiliz rii simultane a telefonului, în cazul ADSL(Asymetric Digital Subscriber Line) asimetrice, ca valoare fiind capacit ile pe cele dou sensuri.

2.5 Transmisia datelor i comuta ia de pachete

Apari ia calculatoarelor (sistemelor informa ionale) i, la scurt timp, manifestarea nevoii, ini ial de deservire a mai multor terminale aflate în proximitate sau la distan , iar ulterior de comunicare între ele, au condus la implementarea re elelor (sistemelor) teleinforma ionale în care activit ile de achizi ie, prelucrare i stocare sunt repartizate (de unde i no iunea de sistemedistribuite) între mai multe echipamente informa ionale (calculatoare sau terminale), îns rcinate suplimentar cu func ia de transport, necesar schimbului de informa ie [13]. Acest schimb se face prin intermediul unor blocuriinforma ionale, denumite mesaje i, în consecin , func ia de transport este similar serviciului de comuta ie de mesaje, proprii re elelor telegrafice (telex). Diferen a const în limitarea dimensiunii unit ii de transport, care în acest caz se nume te pachet, astfel încât valorile mediei i abaterii fa de medie a timpului de tranzit prin re ea s fie în limitele acceptate de aplica iile interactive.

2.5.1 Particularit iModul de transfer al informa iei, bazat pe principiile men ionate anterior,

poart numele de comuta ia de pachete, iar solu iile concrete, luând în considerare mecanismele prin care sunt îndeplinite func iile de rutare i înaintare, se împart în dou categorii: cu (orientate pe) conexiune i f r conexiune (de tip datagrame). În cazul primei categorii, îmbr i at de produc torii de echipamente de telecomunica ii i inspirat din experien a lor anterioar ,transferul propriu-zis este precedat de o faz de stabilire (înfiin are) a unei conexiuni i succedat de o faz de eliberare (desfiin are) a conexiunii,pachetele aferente fiind transmise între noduri prin circuite virtuale, fixate odatcu aplicarea func iei de rutare în faza de stabilire a conexiunii i men inute pe toat durata acesteia. În cazul celei de-a doua categorii, îmbr i at de produc torii de echipamente informa ionale i guvernat de ideea asigur rii unui transfer cât mai sigur în condi ii cât mai nesigure (erori de transmisie, deranjamente etc.), transferul se rezum doar la rutarea individual iindependent a fiec rui pachet prin re ea.

Din prima categorie fac parte re elele X.25, Frame Relay i ATM, iar din a doua re elele ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network),Cyclades i Internet, dezvoltarea celei dintâi fiind ini iat de Departamentul de Ap rare al SUA, ca reac ie la avansul tehnologic al URSS în domeniul spa ial, care în 1961, a lansat cu succes, în premier mondial racheta denumitVostok 1, cu om la bord, cosmonautul Yuri Gagarin. Tema 2.5.1.1

Calcula i timpul de tranzit, prin n noduri intermediare, al unui mesaj de lungime L octe i, dac transferul se face prin:


a) comuta ie de circuite, pentru care stabilirea i eliberarea unei conexiuni se realizeaz cu confirmare i utilizeaz semnale de durat at , iar timpii de prelucrare au durata ct ,b) comuta ie de mesaje, cu antet bh necesar func iei de înaintare de lungime i timp de c utare în tabela de rutare bt ,

c) comuta ie de pachete, orientat pe conexiune pentru care înfiin area idesfiin area unei conexiuni se realizeaz cu confirmare i utilizeaz pachete de lungime fix q, antetul are lungimea ch , iar timpul de c utare în tabela de rutare este ct ,d) comuta ie de pachete, f r conexiune, la care antetul are lungimea dh , iar timpul de c utare în tabela de înaintare este dt ,

i dac se consider c liniile de leg tur au capacitatea C, întârzierile din cozile de a teptare sunt neglijabile, iar transmisia nu este supus erorilor, întârzierea de propagare fiind pt , aceea i pentru toate liniile. Caz particular:

3n , 800L kB, 50q B, 100at msec, 1,0dt msec, 1,0bt msec, 01,0ct msec, 1pt msec, 40bh B, 6ch B, 40dh B, 128C kbit/sec.

Indica ie: Se traseaz diagrame temporale adecvate, de genul celor sugerate în figura 2.5.1.1, i se face analiza acestora.

ABcL

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

CA

B

CA

B

C

Antet tpÎntârziere

de prelucrare

Pachet cerere

conexiune

Pachet de

acceptare

pachet

a) comuta ia de circuite

b) comuta iade mesaje

c) comuta ia de pachete orientat

pe conexiune

d) comuta ia de pachete f rconexiune

Semnal "cerere de conexiune"

Semnal de confirmare

C

Mesaj

1 2 3 4

Figura 2.5.1.1: Tehnici de comuta ie i diagrame temporale - studiu comparativ * * *


Prima re ea de calculatoare, denumit SAGE (Semi-Automatic GroundEnvironment) a fost dezvoltat în cadrul sistemului de ap rare antiaerian a for elor armate ale Statelor Unite ale Americii între anii 1950 i 1956. Sistemul consta în 23 de re ele de calcul, fiecare cu câte un calculator central la care era conectat un ansamblu de terminale. Aceast solu ie, denumit re ea orientatpe terminal, a fost dictat de costul extrem de ridicat, la aceea dat , al calculatoarelor care impunea ca metod eficient de lucru, utilizarea acestora în comun, sarcinile (workload) primite de c tre acestea fiind rezolvate în paralel, prin partajarea timpului (timesharing), în maniera round-robin, adic pe rând, câte pu in din fiecare (secven ial i ciclic). Figura 2.5.1.2 prezint un aranjament tipic acestui gen de re ea, denumit re ea arbore, în care calculatorul gazd (hostcomputer) se afl în nodul r d cin , iar la capetele ramurilor se g sesc terminalele.

Dat fiind faptul c generarea mesajelor în re ea are un caracter sporadic, pentru conectarea terminalelor la calculatoarele gazd s-au adoptat diverse metode care s conduc la o utilizare eficient a liniilor de leg tur :

- o prim solu ie const în partajarea liniei de leg tur (multidrop line) inecesit introducerea unui mecanism suplimentar de arbitraj al transferurilor, care poate fi cu control centralizat, cu interogare (polling) sau descentralizat.

- alt solu ie o reprezint multiplexarea statistic (concentrarea traficului)i const în colectarea mesajelor generate de terminale, de c tre multiplexor,

ordonarea lor într-o coad de a teptare i transmiterea lor, pe rând spre calculator. Pentru diferen ierea originii ( i destina iei, în sens invers) mesajele sunt înso ite de o informa ie suplimentar necesar identific rii lor (de adresare).

Pe lâng aspectele legate de partajarea resurselor, reprezentate prin unitatea central de calcul CPU (Central Process Unit), echipamentele periferice (imprimante, unit i de stocare a informa iei) i mediile de comunicare, aceste re ele s-au confruntat i cu alte probleme, general valabile în cazul comunica iilor de date. Este vorba de necesitatea interconect rii unor echipamente cu viteze variabile de lucru i de efectul zgomotului asupra transmisiei. În acest scop s-au dezvoltat o serie de tehnici vizând: controlul fluxului i controlul erorilor.

Controlul fluxului urm re te corelarea debitului, cu care sursa genereaz blocuri informa ionale, cu capacitatea destina iei de a le prelucra, cele recep ionate i înc în a teptarea proces rii strângându-se într-o memorie tampon de capacitate finit i, prin urmare, expus rev rs rilor. Corelarea se poate realiza aplicând mecanisme cu bucl închis (cu reac ie) sau cu bucldeschis (f r reac ie). Prima categorie, reprezentat de mecanismele

M PSTN

Cal

cula

tor

Modem

T T T

TModem

TT multiplexor statistic (concentrator de trafic)

terminal

Figura 2.5.1.2: Arhitectura re elelor de tip arbore (orientate pe terminal)


Xon/Xoff sau Sliding Windows (fereastr alunec toare), propune controlul debitului sursei prin intermediul unor mesaje. A doua categorie se adreseazsitua iilor în care distan ele i vitezele de transmisie fac inoperante mecanismele amintite mai sus. În acest caz, principiul const în desf urarea unor negocieri prealabile CAC (Connection Admission Control) privind caracteristicile debitului (valoare medie, valoare de vârf etc.), urmat la destina ie, în faza de comunicare, de un mecanism de control local (Traffic Policy), al respect rii acordului (de exemplu, algoritmul Token Backet).

Tema 2.5.1.2 Se consider c pe o linie de leg tur cu lungimea de 200 km se transmit blocuri informa ionale, cu o lungime medie de 1000 bi i, unul dup altul cu o vitez de 100 Gbit/sec, viteza de propagare fiind de 200.000 km/sec. S se determine num rul de blocuri ce sunt recep ionate în continuare la destina ie, din momentul în care aceasta trimite c tre surs un mesaj de întrerupere a transmisiei (Xoff).

* * * Controlul erorilor urm re te detec ia erorilor la recep ie i corec ia

acestora local FEC (Forward Error Correction) sau cu reac ie invers BEC(Backward Error Correction), prin retransmisie ARQ (Automatic Retransmision ReQuest). Controlul local este aplicat în situa ii particulare, de genul comunica iilor prin satelit sau spa iale, unde retransmiterea pentru corec ia unui num r mic de erori, strecurate într-o cantitate mare de informa ie, este ineficientsau, efectiv, nu exist canal de comunicare în cel lalt sens. Controlul prin retransmisie, implementat într-o serie de mecanisme precum Stop and Wait ARQ, Go Back-N ARQ i Selective Repeat ARQ, se aplic în restul situa iilor în care "risipa" relativ de timp nu este atât de sup r toare i este de preferat cre terii exagerate a redundan ei transmisiunii i a complexit ii procedeelor de corec ie, ce se traduce în m rirea timpilor de procesare.

Mecanismele amintite mai sus au fost încorporate în a a numitele protocoale ale leg turii de date (data link protocols), precum HDLC (High-levelData Link Control) sau LAPDm (Link Access Protocol on channel D for mobile),a c ror execu ie la cele dou capete ale leg turii se suprapune func iilor propriu-zise ale unui sistem de transmisiune (refacerea tactului, sincronizarea la nivel de simbol/bit i la nivel de cadru, regenerarea, codare-decodare de linie, etc.) idispune de "formulare" specifice pentru comunicare, numite cadre. Un cadrueste un ir, în general de câteva sute pân la câteva mii de bi i, care cuprinde, de obicei, un antet (header), un câmp destinat informa iei de utilizator (DATA user information) i o termina ie (trailer), ca în figura 2.5.1.3. Antetul con ine, în general, adresele destina iei i sursei, informa ii de control al leg turii i eventual un num r de secven folosit de mecanismele de control al fluxului i erorilor, iar termina ia este rezervat , în principiu bi ilor aferen i detec iei erorilor FCS (Frame Check Sum).

header DATA trailer

Figura 2.5.1.3: Structur tipic de cadru


Pe lâng aceste informa ii, antetul i, eventual, termina ia con in o secven binar , de exemplu 01111110, necesar sincroniz rii de cadru, adicrefacerii (delimit rii) corecte a cadrului din succesiunea de simboluri recep ionate. Aceast secven este unic , evitarea apari iei sale în locuri nepermise, precum în câmpul DATA, f cându-se prin intercalarea, la emisie, respectiv a extragerii, la recep ie a simbolului "0", ce urmeaz unei succesiuni de 5 bi i de "1".

Citirea corect a simbolurilor, atât pentru identificarea secven ei de sincronizare la nivel de cadru, cât i pentru extragerea corect a restului de informa ie cuprins în cadru, se bazeaz pe sincronizarea la nivel de simbol (bit). Aceast sincronizare se poate desf ura în dou situa ii:

- atunci când cadrele sunt transmise în mod continuu, unul dup altul, între cadrele cu informa ie util (DATA) inserându-se cadre de umplere (sistemul de semnalizare SS7, re ele ATM etc.),

- atunci când transmisia este sporadic , având în vedere doar cadre utile, caz în care secven a de sincronizare de cadru este precedat de o succesiune de bi i destinat sincroniz rii la nivel de bit.

În primul caz, utilizarea benzii este superioar , iar în al doilea caz este mai mic consumul de energie.

Cu timpul, r spândirea calculatoarelor a creat necesitatea ca un terminal s poat accesa mai multe calculatoare. Îndeplinirea acestei dorin e a fost posibil datorit sc derii pre urilor de cost al calculatoarelor de la "mainframe" în anii '60, la "minicomputer" în anii '70, la "microcomputer" în anii '80 i la "nanocomputer" în prezent i înzestrarea terminalelor cu tot mai mult inteligen ,noul gen de re ea denumindu-se re ea de calculatoare, cu o topologie mult mai complex , care, la periferie p streaz configura ia tip arbore, dar în centru adopt configura ia tip plas (meshed).

În SUA, primul efort major în dezvoltarea unei re ele care sinterconecteze computere r spândite într-o arie geografic larg s-a concretizat în re eaua ARPANET. Având ca utilizatori exclusivi calculatoare înzestrate cu capacit i de prelucrare i stocare superioare terminalelor, re eaua ARPANET s-a dezvoltat luând în considerare acest lucru, rezultatul fiind implementarea de protocoale complexe care, în final, s-au concretizat într-un ansamblu (stiv ) de protocoale denumite generic, dup cele dou protocoale fundamentale incluse, TCP-IP (Transport Control Protocol, respectiv Internet Protocol), stiv care, în prezent st la baza Internetului. Acest mod de abordare care, ini ial, restrângea num rul de utilizatori este diferit de cel adoptat în cazul altor genuri de re ele destinate (de exemplu Cyclades sau Transpac) sau adaptate pentru satisfacerea aceluia i scop (de exemplu PSTN) care, din dorin a de a se adresa unui spectru cât mai larg de utilizatori au ales calea concentr rii inteligen ei în interior (telefonul, cu toate îmbun t irile aduse, r mânând un simplu terminal – dumb terminal), dar în final s-a ar tat superior, previziunile din 1983 ale lui Bob Metcalf [1] privind accesul maselor la tehnica de calcul confirmându-se cu o micîntârziere: "În anii '60 exista un calculator în fiecare companie, în anii '70 câte un minicalculator în fiecare departament, în anii '80 câte un microcalculator în fiecare birou/re edin , în anii '90 câte un nanocalculator în fiecare produs de larg consum".


Re eaua ARPANET s-a dezvoltat la sfâr itul anilor '60 i a reprezentat un cadru de cercetare privind implementarea re elelor de arie larg WAN (WideArea Network) cu comuta ie de pachete. Pachetul este un bloc care con ine informa ia utilizatorului i un antet în care, printre altele, este specificatadresa destina iei. Acest bloc este transferat prin re ea de sine st t tor, asem n tor cu telegramele din re eaua de telegrafie. Pentru realizarea transferului, re eaua dispune de o serie de comutatoare de pacheteinterconectate prin linii de comunicare prin intermediul c rora se realizeaz c ile de leg tur între calculatoarele utilizator (host computer) r spândite pe toatîntinderea SUA. Comutatoarele de pachete, în spe ni te minicalculatoare dedicate, sunt interconectate într-o structur plas , a c rei topologie este prezentat în figura 2.5.1.4, în care fiecare comutator este legat la cel pu in doucomutatoare pentru asigurarea unor rute alternative în caz de avarie în re ea.

Liniile de comunicare, dat fiind distan ele apreciabile, au fost ini ialînchiriate de la diver i operatori publici i au avut o capacitate de 56 kbit/sec. Dat fiind condi iile precare oferite transmisiunii de aceste linii, desf urarea eficienta controlului de flux i de eroare a impus limitarea dimensiunii pachetelor la o valoare în jurul a 1000 bi i. În aceste condi ii, re eaua a fost înzestrat cu func iade segmentare-reasamblare (dezasamblare) prin care mesaje de lungimi superioare sunt transferate prin intermediul mai multor pachete.

Tema 2.5.1.3Justifica i valoarea capacit ilor liniilor închiriate, de comunica ii, care au

intrat ini ial în alc tuirea re elei ARPANET. * * *

Re eaua ARPANET face parte din categoria re elelor cu comuta ie f rconexiune care nu dispun de mecanisme de alocare de band i capacitate de stocare, existente în prezent, în scopul asigur rii unei calit i superioare a serviciului. În aceste condi ii, func ionarea re elei se bazeaz doar pe faptul cpachetele cuprind o informa ie de adresare, iar nodurile dispun de o tabel de

UCLA RAND TINKER

USC

NBS

UCSB

HARV

SCD

BBN

STAN

AMES

AMES

McCLELLAN

UTAH BOULDER GWC CASE

CARN

MITRE

ETAC MIT

ILL

LINC

RADC

Figura 2.5.1.4: Configura ia re elei ARPANET


rutare pe baza c reia ac ioneaz func ia de rutare care, în cazul acestei re ele urmeaz un algoritm distribuit de sintez (stabilire) a rutei. Pentru desf urarea algoritmului, fiecare nod comunic cu nodurile vecine pentru a se informa reciproc de schimb rile survenite în trafic i topologie i, în consecin ,pentru a face modific rile de rigoare în tabelele de rutare astfel încât pachetele s fie deviate pe c i care ocolesc zona nevralgic , în avarie sau în congestie.

Algoritmul de rutare, implementat în re eaua ARPANET i nu numai, conduce inevitabil la recep ia dezordonat a pachetelor apar inând aceluia imesaj. Drept urmare, re eaua a fost înzestrat cu func ia de refacere a secven ei, executat în nodurile extreme ale acesteia. Mai mult, resursele limitate privind capacit ile de stocare i de prelucrare, au impus ca pe lângcontrolul fluxului care viza coresponden ii (end-to-end flow control), re eaua sse ocupe i de controlul congestiei, saturarea nodurilor intermediare, pentru care s-au imaginat o serie de algoritmi. Din categoria acestor algoritmi face parte i algoritmul RED (Random Early Detection) utilizat pentru realizarea unui control

preventiv cu detec ie timpurie a congestiei i cu pierderi întâmpl toare,nesemnalate coresponden ilor/utilizatorilor, dar care, resim ite de utilizatori, conduc automat la reducerea debitului transmisiunii pe rela iile afectate i reluare de transmisiune. Re eaua ARPANET a reprezentat atelierul în care s-au ridicat istudiat problemele fundamentale ale re elelor cu comuta ie de pachete i s-au imaginat o serie de aplica ii. Printre aceste aplica ii se num r : e-mail, remotelogin i file transfer, care au supravie uit cu succes trecerii timpului.

Proliferarea calculatoarelor pe arii restrânse (cl diri, departamente, birouri etc.), datorat sc derii continue a pre urilor de pe pia a tehnicii de calcul inecesitatea interconect rii i partaj rii resurselor scumpe înc la acea dat(imprimante, unit i de stocare) a condus la apari ia i dezvoltarea re elelor locale LAN (Local Area Network) sau CAN (Campus Area Network). Aceste re ele se deosebesc de re elele de arie întins deoarece, la baza proiect rii lor, au stat cerin e diferite. Astfel, distan ele mici dintre calculatore au permis implementarea într-o manier mult simplificat a controlului de erori, iar schimbarea frecvent a loca iei calculatoarelor în re ea (dintr-o camer în alta, dintr-o cl dire în alta) a impus diferen ierea calculatoarelor prin intermediul pl cilor interfa de re eaNIC (Network Interface Card) înzestrate cu o adres unic , înscris fizic, idifuzarea (broadcasting) ca manier de comunicare. Tot din motive economice, comunicarea se face prin medii comune, ceea ce a impus introducerea unui mecanism de control al accesului la mediu, MAC (Medium Access Control)interpus între controlul leg turii de date i func iile aferente transmisiunii propriu zise i destinat evit rii i rezolv rii coliziunilor.

Re eaua Ethernet este în prezent, de departe cea mai r spândit re eade tip LAN. La origine [17], a reprezentat o re ea experimental pe cablu coaxial creat în anii 70 de corpora ia Xerox pentru a func iona la o capacitate de 3 Mbit/sec i folosind pentru detec ia coliziunilor protocolul CSMA/CD (CarrierSense Multiple Access/Collision Detection). Succesul proiectului a f cut ca în 1980 trei companii s se uneasc (Digital Equipment Corporation, IntelCorporation i Xerox Corporation) i s finalizeze specifica iile versiunii 1.0:10 Mbit/sec Ethernet.


Standardul IEEE 802.3 este bazat i este similar acestei versiuni i a fost publicat oficial în 1985 (ANSI/IEEE standard 802.3/1985). De atunci, s-au ad ugat standardului o serie de complet ri care au luat în considerare progresele tehnologice, utilizarea de medii diferite, cre terea capacit ii de transmisie iintroducerea de mijloace noi de alc tuire a re elei (hub, bridge, switch etc.) ide control al accesului la re ea precum CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), în cazul re elelor LAN f r fir WLAN (WirelessLAN). În privin a implement rilor pe fir (wired), consecin ele majore ale acestor transform ri au fost trecerea de la cablu coaxial la perechea torsadatneecranat UTP (Unshilded Twisted Pair), abandonarea topologiei BUS în favoarea topologiei arbore i cre terea capacit ii de la 10 Mbit/sec la peste 10 Gbit/sec.

Existen a unui num r foarte mare de re ele de tip LAN, cu preponderende tip Ethernet i necesitatea interconect rii lor au condus la apari ia conceptului de internet, de re ea global . În cazul proiectului ARPANET, protocolul desemnat pentru transferul pachetelor f r stabilirea conexiunii, de-a lungul mai multor re ele diferite se nume te Internet Protocol (IP), iar re eaua global care utilizeaz acest protocol poart numele de Internet (cu majuscul !).

În Internet, re elele componente sunt interconectate, ca în figura 2.5.1.5 prin intermediul unor comutatoare de pachete numite rutere (gateway). Aceste comutatoare controleaz transferul pachetelor prin Internet pe baza unei logici de rutare ce precizeaz c tre care re ea constitutiv urmeaz s fie avansat un anumit pachet, stabilirea traseului prin re eaua aleas , pân la urm torul ruter sau destina ie revenind în totalitate acesteia.

Implementarea protocolului IP a urm rit ini ial s asigure un serviciu de transfer al pachetelor, cât mai bun posibil (best efort service) în condi iile men inerii unui grad de complexitate cât mai redus al ruterelor care, în afar de

Network

IXPG

G

G

G

GG

G

GG

G

G GG

Network

Network

Network

Figura 2.5.1.5: Re ea internet global : G – gateway, IXP - Internet eXchange Point


faptul c nu sunt obligate s se "încarce" cu informa ie de stare, relative la utilizatori i fluxurile aferente lor, i s ac ioneze în consecin (ca în cazul re elelor cu comuta ie de circuite), nu fac nimic atunci când pachetele sunt pierdute sau livrate dezordonat sau gre it. Gradul redus de complexitate al re elei(în spe al ruterelor) a fost men inut pe seama transfer rii func iilor de control al fluxului, erorilor i congestiei în responsabilitatea utilizatorilor de la capetele re elei (ent-to-end protocol) i a avut ca obiectiv garantarea posibilit ii de a extinde Internet-ul la scara mondial atât în întindere cât i ca densitate (scalability).

Protocolul IP folose te un spa iu finit de adresare ierarhic . Adresele sunt alc tuite din 4 octe i, prezenta i de obicei în baza 10, de exemplu 141.85.48.35, i con in dou elemente: identitatea re elei (network ID) iidentitatea gazdei (host ID). S-a ales o adresare ierarhic pentru ca s se specifice prin intermediul prefixelor sistemele care sunt în aceea i loca iegeografic i, implicit, pentru a u ura luarea deciziei de rutare pe baza unor tabele de rutare de dimensiuni rezonabile.

Adresele în format numeric, chiar i în baza 10 sunt greu de descifrat de operatorii umani. În consecin , spa iului de adresare i s-a asociat un spa iu al numelor, leg tura dintre acestea f cându-se prin sistemul numelor de domeniiDNS (Domain Name System). Sistemul utilizeaz o topologie ierarhic tip arbore, care reflect diverse nivele administrative. Sub r d cin se g sesc indicativi precum com, org sau ro înso i i la stânga de termeni de nivel inferior. Astfel, unul din domeniile Catedrei de Telecomunica ii din Universitatea POLITEHNICA Bucure ti se intituleaz comm.pub.ro, în care comm este un subdomeniu al domeniului pub.ro.

În prezent, best efort service nu este singurul mod de servire oferit de re eaua Internet. În dorin a unei competi ii reale i de a reprezenta cadrul de baz al genera iei urm toare de re ea, protocolul IP a încorporat o serie de mecanisme care ofer i alte genuri de servire, cap la cap, de-a lungul re eleieterogene. Este vorba de:

serviciul diferen iat (Differentiated Service sau softQoS) în care un anumit gen de trafic este tratat în ansamblu, mai bine decât altul (întârziere medie mai mic , band medie mai mare i pierderi medii mai mici). Aceastdepartajare se face printr-o clasificare a traficului i utilizarea unor mecanisme de genul: PQ (Priority Queueing), CO (Custom Queueing) sau WFQ(Weighted Fair Queue).

serviciul garantat (Guaranteed Service sau hardQoS) în care se rezerv la modul absolut resurse ale re elei pentru fiecare flux informa ional folosind mecanisme de genul RSVP (Resource Reservation Protocol).

Internetul face parte, conform celor prezentate mai sus, din categoria re elelor cu comuta ie de pachete. Spre deosebire, îns , de alte re ele cu aceea icaracteristic , precum X.25, X.75, Frame Relay sau SS7, Internetul se bucur de trei însu iri personale, de o importan capital , i anume:


1. nu se bazeaz pe un protocol propriu de control al transferurilor informatice în interiorul re elelor deservite, ceea ce permite utilizarea i, implicit interconectarea unui ansamblu eterogen de re ele puse în

func iune de diver i operatori i con inând componente realizate de produc tori diferi i (altfel spus, proprietatea de eterogenitate a dispozitivelor i tehnologiilor),

2. folose te o rutare dinamic care asigur adaptarea la schimb ri topologice imprevizibile (altfel spus, proprietatea de a fi robust , de a se reconfigura dinamic),

3. concentreaz inteligen a la periferie, inova iile vizând cu prec dere mijloacele logice (software) care se execut în dispozitivele legate la re ea i care utilizeaz interfe e deschise.

Problemele legate de transmisia datelor, precum cele amintite anterior, au condus la conceperea unor re ele de comunica ii ale c ror arhitecturi respect o serie de modele. Dintre acestea, dou sunt cel mai des vizate în literatura de specialitate i urmeaz a fi prezentate i în lucrarea de fa . Este vorba de modelul OSI, ca punct de referin teoretic , i modelul TCP/IP, ca solu iepractic , având cea mai larg utilizare. Pentru ambele modele este necesar ca în preambul s fie amintite principalele no iuni i concepte folosite în descrierea ispecificarea lor.

2.5.2 Modele de referin Complexitatea i omniprezen a re elelor de comunica ii, în general, i a sistemelor de comuta ie, în particular, au impus adoptarea, în vederea specific rii i descrierii acestora, a unui limbaj universal cl dit pe un ansamblu apreciabil de

termeni. Drept urmare, în continuare, f r a avea preten ia exhaustivit ii, sunt trecute în revist principalele no iuni i concepte, f r de care în elegerea func iilor de comuta ie i rutare, ce sunt func ii fundamentale ale re elelor de comunica ii, ar r mâne doar la un nivel superficial.

2.5.2.1 No iuni preliminare Implement rile curente de sisteme i re ele de comunica ii au la baz un anumit model. La modul general, un model este o descriere abstract , necesari suficient pentru în elegerea i reproducerea unui obiect, fenomen, sistem sau

a oric rei alte forme de manifestare a realit ii. Descrierea are drept suport un anumit limbaj (formalism) care, în cazul sistemelor/re elelor de comunica ii, folose te un vocabular amplu de termeni i concepte, ce vor fi introdu i în mod progresiv i iterativ pe parcursul acestui capitol. Este important de subliniat c , în cazul de fa , no iunea de model are semnifica ia de "tipar" i nu în elesulconceptului de modelare matematic . De regul , acest fel de modelare se folose te cu scopul de a "aproxima" realitatea în limite care s permitconstruirea unul aparat matematic, suficient de precis pentru a ob ine rezultate mul umitoare. Seria de concepte de lucru, prezentate i folosite în continuare, debuteaz cu definirea a dou concepte de baz , i anume: proces i entitate.


Procesul este un ansamblu de ac iuni i tranzi ii între st ri specifice, care se desf oar dup reguli proprii, sub influen a interac iunii cu exteriorul de la care prime te i c tre care trimite, în mod corespunz tor, stimuli de intrare i,respectiv, de ie ire. În descrierea proceselor cu num r finit de st ri (cum este, de exemplu, cazul circuitelor logice secven iale) se utilizeaz un formalism cu formtextual i/sau grafic intitulat: automat (extins) cu num r finit de st ri. Pentru prezentarea sub form textual a unui automat finit, notat de regul cu acronimul (E)FSM (Extended Finite State Machine), se utilizeaz formalisme de genul celui cuprins în Anexa A, iar pentru prezentarea sub form grafic se folosesc limbaje de genul celui descris în Anexa B (limbajul SDL - Specification and DescriptionLangage, în varianta grafic ). În ceea ce prive te interac iunea dintre mai multe procese, aceasta se reprezint prin diagrame temporale, cum sunt de exemplu diagramele MSC (Message Sequence Chart), prezentate în Anexa C.

Entitatea este o unitate activ de natur logic (software) i/sau fizic(hardware) ce desf oar una sau mai multe procese, individual sau în cooperare cu alte entit i. În situa ia cooper rii, entit ile în cauz trebuie scomunice în vederea coordon rii activit ii lor i pentru ob inerea informa iilornecesare realiz rii ac iunilor proprii ce le revin în cadrul procesului comun.

Comunicarea între entit i presupune existen a unei c i de comunicarei a unui protocol care are la baz un limbaj de comunicare specific

(vocabular i sintax ). În cazul re elelor de comunica ii, comunicarea se desf oar prin intermediul unor blocuri informa ionale, intitulate unit i de protocol i date PDU (Protocol Data Unit). Figura 2.5.2.1(a) exemplific o cooperare, prin leg turi directe, între trei entit i. Dac asemenea leg turi nu exist , atunci se apeleaz la diverse mijloace de transport al informa iilor, asigurate de furnizorii de servicii de comunica ii (Service Providers), a a cum este figurat în imaginea (b). În acest ultim caz, între fiecare dintre cele trei entit i cooperante i furnizorul de servicii exist câte o interfa , accesul la serviciul f cându-se prin intermediul unui punct de acces la serviciu SAP (Service Access Point), iar unitatea de serviciu cu date SDU(Service Data Unit), ca bloc informa ional manipulat de furnizorul de servicii,

Ey

Ex EzPDU

PDUPDU

(a) (b) Ex

Ey

Ez

SDU

SDU

SDU

PDU

PDU

PDU SAP

Stratul entit ilor cooperante

Stratul furnizorilor de servicii

Figura 2.5.2.1: Cooperare între entit i: (a) prin leg turi directe; (b) printr-un furnizor de servicii de comunicare


constituie "imaginea" unit ilor PDU la nivelul (în stratul) acestuia. În general, la un SAP pot fi conectate mai multe entit i care se diferen iaz prin cap tul(endpoint), numit i port, din cadrul SAP la care este conectat. Din punctul de vedere al furnizorului de serviciu, entit ile deservite sunt i poart numele de utilizatori (users), iar procesele colective, pe care ace tia le desf oar prin intermediul stratului subordonat, reprezint aplica ii ale serviciului oferit de c tre acesta. De exemplu, dialogul dintre dou persoane poate constitui o aplica ie a serviciului telefonie sau po t electronic , atunci când se recurge la respectivul intermediar.

2.5.2.1.1 Moduri de servire Serviciile de comunicare se pot desf ura în dou moduri: cu conexiunei f r conexiune. Conexiunea reprezint o asociere stabilit în stratul furnizor,

pe termen scurt, mediu sau lung, pentru ca doi sau mai mul i utilizatori s poatcomunica între ei. Asocierea are în vedere atât entit ile "utilizatori" cât ientit ile din stratul furnizor i se realizeaz prin intermediul capetelor de conexiune (connection endpoint) ce apar in fiec rui SPA (figura 2.5.2.2). O conexiune cu mai mult de dou capete se nume te conexiune multi-punct.

Referirea la un anumit cap t de conexiune se face prin intermediul unui identificator al acestuia, CEI (Connection Endpoint Identifier), ce este compus din dou p r i:

- adresa punctului de acces implicat în conexiune (SAP address),- sufixul cap tului de conexiune CES (Connection Endpoint Suffix).

Modul de servire cu conexiune are urm toarele caracteristicile principale: presupune efectuarea a trei faze de opera iuni:- stabilirea conexiunii, - transferul informa iei,- eliberarea conexiunii.

permite fixarea i respectarea unui acord privind atât modul în care utilizatorii schimb informa ii, cât i modul în care furnizorul î i îndepline teatribu iile,

asigur livrarea ordonat a unit ilor (octe i, cadre, pachete) ce compun fluxul informa ional al comunica iei,

permite controlul fluxului în vederea evit rii situa iilor de congestie. Stabilirea i eliberarea unei conexiuni presupune utilizarea unor protocoale specifice, denumite protocoale de semnalizare. Modul de comunicare (semnalizare) între entit ile cooperante care desf oar acest gen de protocoale poate fi:

conexiune

Stratul utilizator

Stratulfurnizor

SAP

conexiune multi-punct

cap t de conexiune

interfa

Figura 2.5.2.2: Conexiuni, puncte de acces la serviciu i capete de conexiune


- în band , dac blocurile informa ionale aferente sunt schimbate prin intermediul c ii de comunica ie destinat schimbului de informa ie între utilizatori - în afara benzii, în caz contrar.

Tema 2.5.2.1 Preciza i care sunt semnaliz rile folosite în linia de abonat telefonic analogic i ar ta i care dintre acestea sunt în band i care sunt în afara benzii.

* * * O conexiune se stabile te la solicitarea unei entit i utilizator pe baza adreselor SAP la care sunt conectate ea i entit ile cu care urmeaz sdialogheze. Pentru a putea suporta mai multe conexiuni simultane ce folosesc acela i SAP, entit ile utilizator primesc din stratul furnizor câte un CEI stabilit de c tre entitatea subordonat . Eliberarea conexiunii se poate efectua în mod normal, la cererea uneia dintre entit ile implicate sau în mod excep ional prin ac iunea unei entit iasociate conexiunii din stratul furnizor, ca urmare, de exemplu, a unor deranjamente ap rute în acest strat sau într-unul subordonat lui. Pe durata conexiunii, utilizatorii schimb informa ii, depunând i preluând unit ile PDU în capetele de conexiune corespunz toare. Schimbul de informa ii se realizeazf cându-se apel la o serie de func ii, care revin furnizorului în cele mai multe cazuri i care urm resc utilizarea eficient a resurselor i asigurarea calit iispecifice a serviciului. F r a le explica înc , ci doar pentru a eviden ia num rul lor, aceste func ii sunt:

- secven ialitatea, - gruparea, - concatenarea (realizat de utilizator), - fragmentarea, - multiplexarea, - despicarea i distribuirea (opera ia invers multiplex rii),- rutarea, - controlul fluxului, - controlul congestiei, - detec ia i corec ia erorilor, - delimitarea i sincronizarea, - managementul resurselor, etc.

Modul de servire f r conexiune presupune transmiterea prin stratul furnizor a unei unit i informa ionale depuse într-un SAP expeditor, la unul sau mai multe SAP-uri destina ie f r stabilirea unei conexiuni. În aceste condi ii, livrarea fiec rei unit i SDU se face în mod independent i cere ca aceasta s fie înso it explicit de întreaga informa ie necesar transportului (adresa expeditor, adres /adrese destina ie, calitatea servirii, op iuni). Un serviciu (de comunica ie) poate fi înzestrat cu mai multe mijloace/componente autonome intitulate facilit i (facilities). Pentru fiecare component , interac iunea dintre o entitate utilizator i furnizorul de servicii, poate fi descris la modul abstract prin intermediul primitivelor care se schimbprin intermediul punctelor de acces la serviciu (SAP).


O primitiv este complet descris de numele s u i de lista parametrilorcorespunz tori, de exemplu:

T-CONNECT.request ( 1param , 2param ,…., nparam ).

Fiecare parametru reprezint : o informa ie de control, ICI (Interface Control Information), la nivelul

interfe ei dintre entit ile utilizator i cele ale furnizorului de serviciu, de exemplu: adresa destina iei înscris pe plic sau o informa ia de utilizator deservit (SDU), de exemplu: scrisoarea din

interiorul plicului. Numele primitivelor se compun aplicând urm toarea regul :<name_of_service_primitive>::=<service_name>-

-<facility_name>.<primitive_type>în care: <service_name> – identific stratul furnizor de service, sau o component a acestuia (T, de la transport, în exemplul anterior),

<facility_name> – identific una din componentele serviciului (CONNECT, în exemplul anterior), <primitive_type> – precizeaz clasa care con ine primitivele în cauz , l muriri în acest sens fiind date în tabelul 2.5.2.1.

Tabelul 2.5.2.1: Primitive

T-CONNECT.request dinspre utilizatorul ini iator (originating user) c trefurnizor 1

T-CONNECT.indication dinspre furnizor c tre utilizatorul destinatar(terminating user)

T-CONNECT.response 2 dinspre utilizatorul destinatar c tre furnizor T-CONNECT.confirm 2 dinspre furnizor c tre utilizatorul ini iator

1 reprezentat prin una sau mai multe entit i ; 2 primitive folosite în cazul serviciilor (facilit ilor) cu confirmare la expeditor.

Figura 2.5.2.3 prezint grafic sursele i destina iile primitivelor, iar figura 2.5.2.4 eviden iaz ordinea temporal în care se succed aceste primitive.

Din punct de vedere practic, schimbul de informa ii în cadrul interfe eiutilizator-furnizor se face prin intermediul unit ilor de date IDU (Interface Data Unit) sau de control ICI (Interface Control Information). În cadrul aceluia i serviciu, interfe ele dintre utilizatori i furnizor pot fi identice sau diferite. În primul caz, serviciul se consider simetric (Peer to

Request Confirm Indication Response

Furnizor de servicii

User B destinatar User A emitent

Figura 2.5.2.3: Surse i destina ii ale primitivelor


Peer), iar în al doilea caz, asimetric, situa ie în care interfe ele i, în consecin ,utilizatorii trebuie diferen ia i prin nume (identificatori) distincte, de exemplu: CLIENT i SERVER.

Serviciile cu conexiune pot fi descrise din punct de vedere al utilizatorului, la modul abstract, cu ajutorul modelului cu cozi de a teptare [9] prezentat în figura 2.5.2.5. Modelul const în dou cozi, câte una pe fiecare sens de avansare a informa iei. Capacitatea unui utilizator de a depune obiecte este condi ionat de modul în care utilizatorul destinatar preia obiectele din coad ide starea acesteia. Obiectele care sunt depuse sau sunt preluate din coad sunt rezultatul interac iunii dintre utilizatori i furnizor în dreptul SAP-urilor corespunz toare sau doar al ini iativelor luate de furnizorul de serviciu.

Din prima categorie fac parte obiecte de genul: - obiecte destinate conect rii (asociate primitivelor din categoria CONNECT

i parametrilor aferen i), - octe i apar inând datelor de utilizator (asocia i primitivelor din categoria

DATA),- obiecte de confirmare (asociate primitivelor din categoria

ACKNOWLEDGE),- obiecte de reini ializare (asociate primitivelor din categoria RESET i

parametrilor aferen i),- obiecte pentru deconectare (asociate primitivelor din categoria

DISCONNECT).Din a doua categorie fac parte:

- obiecte de reini ializare (asociate primitivelor din categoria RESET iparametrilor aferen i),

- obiecte pentru deconectare (asociate primitivelor din categoria DISCONNECT).

X-request

X-confirm

X-indication

X-response

User A emitent Furnizor de servicii User B destinatar

Figura 2.5.2.4: Ordinea temporal a primitivelor

Furnizor de servicii

SAP

User A User B

Figura 2.5.2.5: Modelul cu cozi al serviciului cu conexiune


Cozile sunt caracterizate la modul principal de urm toarele propriet i: o coad trebuie s fie goal înainte ca un obiect destinat conect rii

s fie depus în ea i poate fi golit la ini iativa furnizorului, informa ia con inut fiind pierdut definitiv,

obiectele din coad sunt preluate în mod normal în ordinea intr riilor, dar furnizorul poate interveni putând schimba ordinea a dou obiecte adiacente, luând în considerare criterii de prioritate, sau chiar elimina obiecte atunci când acestea sunt succedate de obiecte distructive (destinate deconect rii sau reini ializ rii),

o coad are capacitate limitat care nu este obligatoriu fix sau cunoscut .

Tema 2.5.2.2 Descrie i interac iunea din cadrul interfe ei om-echipament ce este proprie serviciului de telefonie pus la dispozi ie de re elele de telefonie fix , de re elelede telefonie mobil i de re elele de calculatoare.

Indica ie: configura ia interfe ei în cadrul telefoniei fixe este prezentat în figura 2.5.2.6.

2.5.2.1.2 Calitatea servirii Serviciile sunt caracterizate prin calitatea servirii, QoS (Quality ofService), care, prin intermediul unui set de parametrii, descrie modul de îndeplinire al serviciului. De exemplu, serviciul de "telefonie" oferit de re eaua public de telefonie garanteaz , prin intermediul caracteristicilor sale tehnice (l rgimea de band , raport semnal-zgomot, întârzieri, etc.), inteligibilitatea irecunoa terea vocii la nivelul cerut/acceptat de c tre utilizatorii care desf oarprocesul de conversa ie telefonic . Parametrii utiliza i în exprimarea (evaluarea) calit ii se împart în doucategorii: categoria parametrilor asocia i serviciilor cu sau f r conexiune icategoria parametrilor proprii serviciilor cu conexiune. În prima categorie se aflparametrii lega i de transmiterea unei singure unit i informa ionale, precum:

întârzierea m surat prin medie, devia ie standard etc., probabilitatea coruperii, probabilitatea pierderii, probabilitatea duplic rii, probabilitatea livr rii gre ite, protec ia fa de accesul neautorizat, prioritatea în livrare.

Planul de conrol Planul utilizator

sonerie furc claviatur casc microfonprimitive

Furnizorul de serviciu

Figura 2.5.2.6: Configura ia interfe ei om-echipament proprie telefoniei fixe


dar i parametri care iau în considerare fluxurile informa ionale în ansamblu, ca de exemplu:

eficien a transferului, m surat prin medie, devia ie standard, etc., probabilitatea livr rii în dezordine.

Din a doua categorie fac parte parametrii precum: întârzierea stabilirii unei conexiuni, probabilitatea e ecului în stabilirea unei conexiuni, întârzierea eliber rii unei conexiuni, elasticitatea conexiunii.

2.5.2.1.3 Principiul stratific rii Un serviciu de comunicare reprezint un proces pe care furnizorul de servicii îl desf oar prin intermediul entit ilor sale. În consecin , aceste entit itrebuie s comunice la rândul lor între ele, acest lucru putându-se realiza conform celor prezentate anterior, direct sau indirect i folosind unit i PDU. Aceste unit i sunt alc tuite, ca în figura 2.5.2.7, din câmpul numit user data, în care se reg se te con inutul unit ii SDU i/sau câmpul con inând informa ia de control al protocolului PCI (Protocol Control Information), necesar coordon riifunc iilor desf urate de entit ile din stratul furnizor.

Dat fiind diferen ele privind dimensiunile unit ilor PDU folosite de utilizatori i furnizori, între unit ile SDU i PDU din stratul furnizor se pot stabili coresponden e de genul celor prezentate în figura 2.5.2.8. În general, "lan ul sl biciunilor" descris anterior poate avea un num roarecare de verigi, motiv pentru care, în loc de reprezentarea din figura 2.5.2.1,

(U)-PDU

(F)-SDU

(F)-PDU

Strat utilizator (U)

Strat furnizor (F)

(F)-PCI user data

Figura 2.5.2.7: Leg tura dintre unit ile informa ionale din straturile utilizator i furnizor

(F)-PDU(c) grupare/degrupare user data

(F)-SDU

user data

(F)-SDU

(a) f r segmentare sau grupare (b) cu segmentare/reasamblare

(F)-PCI

user data user data

(F)-SDU

user data (F)-PDU (F)-PDU

(F)-SDU

Figura 2.5.2.8: Coresponden a dintre unit ile SDU i PDU


concentric , se prefer cea din figura 2.5.2.9, stratificat , care descrie într-o manier abstract expedierea unei scrisori prin intermediul po tei (terestre/aeriene/navale). În primul caz, ilustrat în sec iunea (a), furnizorul realizeaz serviciul utilizând propriile resurse (centre de sortare, autoutilitare), iar în al doilea caz, recurge la autovehicule, trenuri, avioane sau vapoare apar inând unor companii de transport corespunz toare.

Un alt exemplu este aplica ia "strânge documente în vederea întocmiriiunui referat", ce se execut utilizând serviciile de re ea, într-un proces în care intervin mai mul i participan i, dup cum urmeaz :

- pentru a- i putea atinge obiectivul, utilizatorul uman face apel la serviciile unui motor de c utare;

- motorul de c utare, pentru a- i desf ura activitatea, recurge la serviciile unui furnizor de transport garantat al mesajelor (de exemplu TCP),

- furnizorul de transport prin re ea apeleaz la serviciile de transfer cu sau f r garan ie al pachetelor (de exemplu IP), care se bazeaz pe serviciile de transfer al cadrelor pe liniile de leg tur între nodurile re elei (de exemplu PPP),

EA

furnizor c supo tal

Ora ul X Ora ul Z

utilizator scrisoare

Plic(adres , scrisoare)

(a) modelul în dou staturi

EB EB'

Furnizor /utilizator

Ora ul Y Ora ul Z

cu trenul cu avionul

terminal

Sac po tal

(b) modelul în trei straturi

Ora ul X EA EB

Utilizator

Furnizor

………………

………………

Figura 2.5.2.9: Modelul stratificat al serviciului po tal pus în slujba aplica iei "comunicare scris "


- se folosesc în consecin serviciile de transfer ale mediului de transmisie al bi ilor (de exemplu ADSL), care utilizeaz serviciul de propagare al mediului de transmisie.

Toate aceste etape succesive, împreun cu participan ii în proces i cu sarcinile ce le revin fiec ruia, sunt concentrate în con inutul tabelului 2.5.2.2.

Tabelul 2.5.2.2: Modelul stratificat al servirii în re elele de comunica ii

Strat Proces (protocol) Tip proces Ac iuni aferente (rezumat)

Utilizator uman

Strângerea de documente în

vederea întocmirii unui referat

aplica ie

comenzi în fereastra de lucru a motorului de c utare

salv ri de fi iere redact ri de fi iere etc.

Aplica ie Google (HTTP) serviciu/aplica ie fixare op iuni etc.

Transport Transfer de mesaje (TCP) serviciu/aplica ie

fragmentare asamblare control erori cap la cap etc.

Re ea Transfer pachete (IP) serviciu/aplica ie

stabilirea rutelor conversia adresei comutarea pachetelor etc.

Date Transfer de cadre (PPP) serviciu/aplica ie

controlul erorilor locale controlul fluxului local managementul leg turii etc.

Fizic Transferul bi ilor (ADSL) serviciu/aplica ie codare de linie

refacerea sincroniz rii de bit etc.

Mediu Propagarea undei electromagnetice serviciu

atenu ridefaz ri zgomot etc.

2.5.2.1.4 Clasificarea traficului Entit ile i punctele de acces sunt caracterizate de un ansamblu de parametrii. Unii dintre ei sunt statici, precum capacitatea de stocare (câte obiecte, câte unit i SDU poate înmagazina) sau capacitatea de servire (cât de repede obiectele sunt procesate). Al ii sunt dinamici, precum traficul. La modul general, detalii fiind deja oferite în capitolul precedent, volumulde trafic, A, servit de un element (SAP sau entitate) reprezint num rul de obiecte(octe i, cadre, pachete etc.) care traverseaz acel element într-un anumit timp (un minut, o or , o zi). Pentru fiecare obiect, un element consum un timp corespunz tor pentru a-l "trafica". În consecin , volumul de trafic poate fi exprimat i ca durata de activitate a elementului, pe parcursul unui anumit interval de timp. Pe lâng volum, traficul se poate caracteriza i prin intensitatea traficului, a, definit , la modul empiric, ca raportul dintre volumul de trafic i intervalul de timp luat ca referin . inândcont de modul de exprimare a volumului de trafic, unitatea de m sur a intensit ii traficului poate fi:

kbit/sec – pentru referintadurata_de_

ctenumar_obiea , de exemplu 3850 kbit/sec;

Erlang – pentru referintadurata_de_activitatededurataa __ , de exemplu 0,4 E


Tema 2.5.2.3 Exprima i, în cele dou variante, volumul, respectiv intensitatea traficului tranzitat printr-un SAP pe durata a 2 ore, dac pachetele au o lungime de 1600 octe i i sunt extrase pe rând de entitatea destina ie la fiecare 250 nsec, iar viteza de tranzit este de 10Gbit/src.

* * * Pe lâng diferen ierea traficului în trafic oferit, cel generat de orice entitate care apeleaz la serviciile unui furnizor, trafic servit, cel care traverseaz un element (entitate sau SAP) i trafic respins sau trafic pierdut, care nu este acceptat spre a fi servit, o alt clasificare a traficului ia în considerare localizarea sursei i destina iei, relativ la entitatea prin care acesta tranziteaz . Astfel, conform figurii 2.5.2.10, vorbim de trafic local, când sursa idestina ia sunt legate direct la entitatea în cauz , vorbim de trafic de ie ire,când sursa este local iar destina ia nu are leg tur direct cu entitatea în cauz ,vorbim de trafic de intrare când sursa este distant i destina ia este local ivorbim de trafic de tranzit când i sursa i destina ia sunt distante.

2.5.2.1.5 Func ii asociate transportului inând cont de caracteristicile serviciilor oferite i în scopul utiliz rii

eficiente a resurselor, un furnizor de serviciu utilizeaz , de la caz la caz, diverse func ii, unele dintre ele fiind intuitiv prezentate în figura 2.5.2.11, iar toate sunt, pe scurt, definite în continuare:

Trafic de tranzit

SAP

Trafic de intrare

Trafic local

Trafic de ie ire

Strat furnizor

Strat utilizator

Entitate

Figura 2.5.2.10: Clasificarea traficului în func ie de localizarea sursei i destina ieifa de entitatea tranzitat

(d) recombinare

Flux "utilizator"

Fluxuri "furnizor"

(c) despicare

Fluxuri "furnizor"

Flux "utilizator"

(a) multiplexare (b) demultiplexare

Fluxuri "utilizator"

Flux "furnizor"

Fluxuri "utilizator"

entitate

SAP

Flux "furnizor"

Figura 2.5.2.11: Func iile de multiplexare, demultiplexare, despicare i recombinare


Multiplexarea, figura 2.5.2.11(a), prin care mai multe fluxuri utilizator sunt agregate într-un sigur flux în cadrul stratului furnizor; Demultiplexarea, figura 2.5.2.11(b), prin care mai multe fluxuri utilizator sunt separate din fluxul agregat; Despicarea, figura 2.5.2.11(c), prin care un flux utilizator este suportat de dou sau mai multe fluxuri furnizor; Recombinarea, figura 2.5.2.11(d), prin care din fluxurile suport furnizor se reface fluxul utilizator; Comuta ia, figura 2.5.2.10, prin care fluxurile ce intr într-o entitate sunt orientate c tre ie irile acesteia conform informa iei înscris în tabela de rutare/înaintare;Rutarea, cu ajutorul c reia sunt completate tabelele de rutare; Semnalizarea, prin intermediul c reia se realizeaz managementul resurselor, se stabilesc, monitorizeaz i elibereaz conexiuni i se execut func ii colective, precum rutarea.

t

Flux

uri i

ndiv

idua

le

Fluxul agregat interval temporal

b) multiplexarea în timp, determinist

t

1

2t

t3

1 2 3

c) multiplexarea în timp, statistic

t

t

t

t

Flux

uri i

ndiv

idua

le

Fluxul agregat

fFluxul individual 1

a) multiplexarea în frecven

f

f

Fluxul individual 2

Fluxul individual 3

Fluxul agregat

Figura 2.5.2.12: Multiplexarea – prezentare principial


2.5.2.1.5.1 Multiplexarea i demultiplexarea Multiplexarea are ca obiectiv cre terea eficien ei în utilizarea resurselor. Ea se poate realiza în frecven , în timp sau mixt, iar modul în care fluxurile individuale sunt între esute, multiplexarea poate fi fix (determinist ) sau dinamic (statistic ) [9]. Multiplexarea determinist const în alocarea pentru fiecare flux individual a unui procent constant din capacitatea fluxului suportat, spre deosebire de multiplexarea statistic , unde procentul ce corespunde unui flux individual este variabil. Principalele reguli de multiplexare/demultiplexare sunt prezentate la modul intuitiv în figura 2.5.2.12, detalii referitoare la aceste proceduri de prelucrare a semnalelor informa ionale putând fi g site în lucr ri special dedicate acestora [11, 12, 37]. Aici se precizeaz doar c :

- în cazul multiplex rii în frecven , demultiplexarea se efectueaz pe baza identit ii canalului,

- în cazul multiplex rii în timp, deterministe, demultiplexarea folose teidentitatea intervalului temporal,

- în cazul multiplex rii statistice, demultiplexarea folose te o informa ieanume înscris în blocurile informa ionale (adresa fizic , adresa logicsau identitatea circuitului virtual).

Tema 2.5.2.4 Da i exemple de solu ii practice de multiplexare întâlnite în re elele de comunica ii, pentru fiecare principiu.

Indica ie: vezi de exemplu GSM, PCM32, CDMA, Ethernet.

2.5.2.1.5.2 Despicarea Despicarea are rolul de a cre te siguran a unui serviciu, prin redundan aintrodus , i de a asigura benzi crescute cu costuri sc zute, utilizând resurse cu performan e/caracteristici inferioare (vezi cazul multiplex rii inverse, unde, de exemplu, pentru un debit de 3,5 Mbit/sec, este mai ieftin de închiriat 2 fluxuri E1, decât 1 flux E2).

2.5.2.1.5.3 Comuta ia Comuta ia este strâns legat de func ia de multiplexare, modul în care aceasta este implementat depinzând, conform celor precizate anterior, de modul de organizare a fluxurilor informa ionale deservite. Figura 2.5.2.13 prezintla modul intuitiv, configura ia tabelelor de înaintare în func ie de modul de transport al informa iei. Varianta cu comuta ie spa ial f r diviziune în timpeste caracteristic re elelor POTS (Plain Old Telephone Service Network),varianta cu comuta ie spa ial cu diviziune în timp i schimb de intervale temporale TSI (Time Slot Interchange) este proprie re elelor PSDN (PublicSwitched Digital Network), varianta cu comuta ie cu circuite virtualecorespunde re elelor cu multiplexare statistic de genul Frame Relay, ATM iMPLS, iar varianta cu comuta ie independent a blocurilor informa ionale(datagrame), se reg se te în cadrul re elelor Ethernet, Token Ring i IP.


Tema 2.5.2.5 Desena i o re ea în care fiecare din cele apte noduri constitutive este conectat la cel pu in alte dou noduri. Identificarea nodurilor se face prin litere (A, B, ...), iar interfe ele asociate leg turilor dintre noduri, considerate bidirec ionale, prin cifre (0, 1, ...) marcate în dreptul fiec reia, în imediata vecin tate a nodurilor. Alege i 4 c i de comunica ie prin re ea, care s con in 3 noduri intermediare (de exemplu, ABCEF i BCDEG) dintre care unul s fie comun (de exemplu C). Considerând c tehnica de comuta ie folosit este cea cu circuite virtuale, preciza i intr rile (înregistr rile) corespunz toare din tabelele de înaintare ale nodurilor intermediare implicate, care conduc la implementarea respectivelor c i, dac , ini ial, toate nodurile au la dispozi ie, fiind nealocate identific rii de circuite virtuale, numerele pare/impare începând de la 0/1.

2.5.2.1.5.4 Rutarea Rutarea implic adresarea, adic alocarea de adrese distincte (precum cele din PSTN sau Internet) în stratul furnizor, câte una pentru fiecare grup de SAP-uri asociate unei entit i furnizor, a a cum se prezint în figura 2.5.2.14, ise ocup cu generarea Informa iei înscris în tabelele de rutare. Aceast func iese poate desf ura atât la nivel local, precum celelalte func ii analizate, cât i la nivel global, entit ile implicate aplicând în cooperare diver i algoritmi de rutare.Pe baza con inutul înscris în tabelele de rutare, transferul obiectelor de la emitent la destina ie urmeaz un anumit traseu, trecând prin diferite entit i intermediare, în cauz .

COMUTA IE ie iriintr ri

(b) comuta ia spa ial de circuite cu diviziune în timp i schimb de intervale temporale

intrare ie ire it it

(a) comuta ia spa ial de circuitef r diviziune în timp

intrare ie ire

(d) comuta ia independent (f r conexiune)

adres ie ire

(c) comuta ia de circuite virtuale

intrare ie ire circuit virtual

circuit virtual

Figura 2.5.2.13: Tipuri de tabele de înaintare

SAPx

(F) - adresStrat furnizor

Strat utilizator

SAPy

Entitate

Figura 2.5.2.14: Adrese i SAP-uri


2.5.2.1.6 Arhitecturi stratificate Ansamblul entit ilor utilizator i furnizor se grupeaz din punct de vedere organizatoric pe vertical în sisteme, fiecare sistem con inând un subansamblu de entit i din diverse straturi care sunt interconectate prin SAP-uri corespunz toare (vezi figura 2.5.2.15). Sistemele respective sunt alc tuite din subsisteme care apar in unui anumit strat i sunt compuse din entit i cu caracteristici similare.

Interconectarea între entit i apar inând aceluia i strat se realizeaz la modul abstract (logic) sau concret (fizic) ob inându-se astfel o serie de re ele de comunica ii suprapuse (overlay networks). Aceste re ele au în general configura ii de genul prezentate în figura 2.5.2.16.

Structura planar (plas ) se întâlne te, de exemplu, în re elele publice de comunica ii de date PSDN (Packet Switched Data Network), structura ierarhizateste proprie, de exemplu re elei publice de telefonie (PSTN), iar structura tip bus este caracteristic re elelor locale (LAN). Variantele cu c i de comunicare distincte, pentru fiecare pereche de noduri surs -destina ie, fac parte din categoria re elelor cu comuta ie (switched network), iar variantele cu mediu

subsistem

Stratul n-1

Stratul 1

Sistem A

Stratul n

Sistem B Sistem K

Figura 2.5.2.15: Gruparea entit ilor în sisteme

(a) plan (plas ) (c) centralizat (stea)

(e) înl n uit

(f) cu interconectare totalsubsistem

cale de comunicare (logic sau fizic )

(b) ierarhizat

(d) bus

Figura 2.5.2.16: Configura ii tipice de re ea


comun de comunicare apar in re elelor de difuziune (broadcast network). Din prima categorie fac parte, de exemplu, re elele PSTN i GSM, iar în a doua categorie întâlnim, de exemplu, re elele Ad-Hoc i re elele de radiodifuziune.

Recapitulând, figura 2.5.2.17 cuprinde lista principalelor func ii necesare desf ur rii transferurilor de informa ie în re elele de comunica ii i eviden iazrolul model rii care, luând în considerare o serie de aspecte precum:

limitarea num rului de straturi la strictul necesar desf ur riiactivit ii de proiectare a sistemelor în condi ii optime,

fixarea frontierelor dintre straturi acolo unde serviciile pot fi descrise simplu i num rul de interac iuni este minim,

cumularea func iilor similare în acela i strat, a generat diverse modele concrete. Dintre acestea, în continuare sunt prezentate modelele OSI i TCP/IP.

2.5.2.2 Modelul OSI Modelul de referin OSI (OSI BR - Open System Interconnection Basic

Reference Model) a fost elaborat luând în considerare toate defini iile icaracteristicile elementare, necesare descrierii oric rui gen de structurstratificat , scopul s u fiind acela de a reprezenta un ghid pentru dezvoltarea standardelor aferente sistemelor deschise.

Fiind conceput în anii 2000, pe baza experien ei acumulate, în special, în re elele publice de date (X.25) i urm rind s fie exhaustiv, a sfâr it, în final, prin a fi mult prea rigid i insuficient pentru a se acomoda noilor tehnologii. În consecin , s-a m rginit, cu prec dere, la un rol pur teoretic, care justificdescrierea sa, la modul general, în cele ce urmeaz , deoarece ofer un cadru organizat de în elegere a principiilor ce stau la baza implement rii re elelor de comunica ii, precum i a complexit ii acestora.

Modelul OSI con ine 7 straturi ale c ror denumiri i înl n uire sunt prezentate în figura 2.5.2.18. Stratul cel mai înalt cuprinde entit ile aplica ie care coopereaz în ambian a OSI, iar straturile inferioare, de la 6 la 1, împreun cu mediul fizic asigur , rând pe rând, servicii de comunicare.

Func ii: - negocierea parametrilor - asocierea adreselor din nivele adiacente - stabilirea, eliberarea, suspendarea

conexiunilor, - multiplexarea - despicarea - segmentarea, gruparea i concatenarea - rutarea i înaintarea - controlul secven ei- controlul erorilor - controlul fluxului - delimitarea i sincronizarea - managementul

Modelare

Modele:OSI – ITU Rec.X200, … X.25 – ITU-T Rec.X.25, … S.S.No.7 – ITU-T Rec. Q.xxx FR – ITU-T Rec.I.xxx/ANSI ISDN – ITU-T Rec. I.xxx, Q.xxx ATM – ITU-T Rec. I.xxx NGN – ITU-T Rec. Y.xxx Ethernet – IEEE 802.3 TCP/IP – IETF RFC 793, …

Figura 2.5.2.17: Rolul model rii


Un serviciu de comunicare este oferit i folosit prin utilizarea unor standarde de servire OSI care se aplic în cadrul unor interfe e localizate simbolic pe grani a dintre dou straturi adiacente i se desf oar printr-o colaborare între entit ile din stratul furnizor, conform unui protocol standardizat (peer sau client-server protocol).

Un serviciu de comunicare este oferit i folosit prin utilizarea unor standarde OSI de servire care se aplic în cadrul unor interfe e localizate simbolic pe grani a dintre dou straturi adiacente i se desf oar printr-o colaborare între entit ile din stratul furnizor, conform unui protocol standardizat (peer sau client-server protocol).

Dat fiind imposibilitatea stabilirii de leg turi fizice directe între toate sistemele corespondente, modelul OSI cuprinde i sisteme cu arhitecturincomplet , numite sisteme releu (hub, bridge, switch, router.), destinate

Den

umire

a un

itilo

r tra

nsfe

rate

A-PDU

P-PDU

S-PDU

T-PDU

pachet

cadru

bit

Protocoale client/serverAplica ie

Prezentare

Sesiune

Transport

Re ea

Leg tur de date

Fizic

Sistem deschis Aplica ie

Prezentare

Sesiune

Transport

Re ea

Leg tur de date

Fizic

Sistem deschis

Mediu fizic pentru OSI

Figura 2.5.2.18: Modelul OSI

Sistem releu

Mediu fizic pentru OSI Mediu fizic pentru OSI

Re ea

Leg tur

Fizic

Sistem deschis Aplica ie

Prezentare

Sesiune

Transport

Re ea

Leg tur

Fizic

Aplica ie

Prezentare

Sesiune

Transport

Re ea

Leg tur

Fizic

Sistem deschis

Figura 2.5.2.19: Comunicarea mijlocit de sisteme releu


transfer rii informa iei dintr-un mediu fizic în altul. Figura 2.5.2.19 exemplificacest lucru eviden iind faptul c func iile i protocoalele care reprezint suportul înaint rii sunt implementate în cele trei nivele inferioare.

În continuare, este descris, la modul general, fiecare strat al modelului OSI, informa iile referindu-se în ordine la:

a) scop, b) servicii oferite stratului superior c) func ii desf urate în interior.

2.5.2.2.1 Stratul aplica ie (Aplication Layer)a) este stratul care, conform figurii 2.5.2.20, con ine entit ile asociate

proceselor tip aplica ie(de unde denumirea de entit i aplica ie) prin intermediul c rora aceste procese au acces la ambian a OSI (OSIE - OSI Enviroment) i pot comunica;

b) serviciile oferite proceselor tip aplica ie de c tre entit ile aplica ie pot fi cu sau f r conexiune i se ocup cu:

transferul informa iei (obligatoriu), identificarea corespondentului ce urmeaz a fi contactat (de

exemplu prin nume sau adres ), stabilirea calit ii servirii (timp de r spuns, frecven a erorilor

i costurile aferente), în elegeri privind securitatea (autentificare, autorizare), etc.

c) în interiorul stratului se desf oar urm toarele func ii, al turi de toate func iile de comunica ie cu care nu sunt îns rcinate straturile inferioare:

func ii executate de programe, func ii realizate de operatorul uman, func ii de utilizare a serviciilor din stratul prezentare.

2.5.2.2.2 Stratul prezentare (Presentation Layer)a) se ocup cu modul de reprezentare (sintaxa) a informa iei primit de

la i livrat entit ilor aplica ie,b) serviciile oferite sunt cu (figura 2.5.2.20, cazul I) sau f r (figura

2.5.2.20, cazul II) conexiune i se ocup cu:

SAP I

Punct final (end point)

Strat prezentare

Sistem A

Entitate aplica ie 1.1

PROCES APLICA IE 2

II



Strat aplica ie

Sistem B

PROCES APLICA IE 1

Figura 2.5.2.20: Procese aplica ie i entit i aplica ie în stratul aplica ie


identificarea setului de sintaxe de transfer, care pot diferi de cele folosite de entit ile aplica ie,

selectarea unei anumite sintaxe de transfer, accesul la serviciile stratului sesiune,

c) func iile: negocierea sintaxei de transfer, conversia informa iei din sintaxa abstract , folosit de

entitatea aplica ie, în sintaxa de transfer i viceversa (de exemplu, în cazul compresiei de date),

utilizarea serviciilor din stratul sesiune. 2.5.2.2.3 Stratul sesiune (Session Layer)

a) ofer mijloacele necesare entit ilor cooperante din stratul prezentare în vederea coordon rii schimbului de informa ii (organizare, sincronizare, management),

b) serviciile cu conexiune se ocup cu: stabilirea conexiunilor în stratul sesiune, eliberarea conexiunilor în stratul sesiune, transferul informa iei (de tip normal i expeditiv), raportarea situa iilor excep ionale, resincronizarea prin aducerea conexiunii la o stare

predefinit etc. iar serviciile f r conexiune se ocup cu:

transmiterea f r conexiune, folosind serviciul de transport f r conexiune din stratul subordonat,

raportarea situa iilor excep ionale.c) func iile desf urate sunt cele aferente serviciilor la care se adaug ,

în cazul serviciilor f r conexiune, repartizarea (mapping) conexiunilor din stratul transport conexiunilor din stratul sesiune, cele dintâi identificând entit ile din stratul sesiune. 2.5.2.2.4 Stratul transport (Transport Layer)

a) ofer un transfer transparent, sigur i eficient al informa iei între entit ile din stratul sesiune;

b) serviciile cu conexiune se ocup de: stabilirea i eliberarea conexiunilor în stratul transport, transferul informa iei (de tip normal i expeditiv), suspendarea i reluarea conexiunii (care pot fi cerute de

entit ile utilizator sau furnizor în anumite condi ii, de exemplu perioade mari f r activitate, i care constau, daceste cazul, în eliberarea, respectiv stabilirea conexiunii în stratul inferior)

iar serviciile f r conexiune se ocup de: traducerea unei cereri de transmitere a unei "transport-

service-data-unit" într-o cerere de servire f r conexiune, adresat stratului re ea.


c) serviciile cu conexiune pot avea ca suport urm toarele func ii: repartizarea adreselor de cap t din stratul re ea(end network

address) adreselor de cap t din stratul transport (endtransport address), cele dintâi identificând entit ile transport finale (end transport-entities), conform figurii 2.5.2.21.

multiplexarea mai multor conexiuni din stratul transport în conexiuni din stratul re ea, conform figurii 2.5.2.21,

stabilirea, suspendarea, reluarea i eliberarea conexiunii în stratul transport,

controlul secven ei, la capete, pe fiecare conexiune, controlul erorilor, la capete i monitorizarea calit ii servirii, fragmentarea, grupare, concatenare, controlul fluxului, la capete, pe fiecare conexiune, supervizare, etc.

iar serviciile f r conexiune dispun de: asocierea adreselor de transport cu cele de re ea, asocierea transmisiunilor f r conexiune din stratul transport cu

transmisiuni f r conexiune din stratul re ea, detec ia erorilor, la capete, i monitorizarea calit ii servirii, limitarea unit ii servite de date (Transport – SDU) în vederea

încadr rii, al turi de informa ia de control a protocolului (Transport – PCI), în dimensiunile maxime ale unit ii de date iprotocol (Transport – PDU),

supervizare.

2.5.2.2.5 Stratul re ea (Network Layer)a) ofer mijloacele necesare schimburilor cu sau f r conexiune, a

informa iei între entit ile din stratul transport, degrevându-le de sarcinile legate de rutare i avansare i ascunzându-le metodele prin care resursele subordonate entit ilor din stratul re ea, precum leg turile de date, sunt folosite.

b) ambele tipuri de servicii au în vedere adresele (Network SAP Address) din stratul re ea care, fiecare, identific în mod unic un anumit sistem

Strat re ea

Strat transport

Strat sesiune

Adres cap tde re ea

Adres cap tde transport

Entitate

Figura 2.5.2.21: Asocierea adreselor de transport cu cele de re ea


deschis; în cazul serviciilor cu conexiune (întâlnite în re elele X.25 i Frame Relay), acestea se refer la:

transferul unit ilor de serviciu cu date (N-SDU) prin intermediul capetelor de conexiune asociate punctului de acces la serviciu din stratul re ea,

semnalarea erorilor, confirm ri.

iar în cazul serviciilor f r conexiune, întâlnite de exemplu în sistemul de semnalizare nr. 7 (SSNo.7), constau în:

transferul prin intermediul punctului de acces la serviciu din stratul re ea, al unit ilor de serviciu (N-SDU) limitate de valorile acceptate de stratul subordonat,

semnalarea local a erorilor, etc. c) func iile:

rutarea i înaintarea,fixarea conexiunilor prin stratul re ea pe durate predefinite, prin acorduri între utilizatori i furnizorii de re ea, împreun cu parametrii aferen i calit ii servirii (frecven a erorilor, disponibilitatea servirii, siguran a servirii, întârzierea de tranzit) idesfiin area lor, la cerere,

repartizarea capetelor de conexiune, asociate adresei din stratul re ea i diferen iate prin identificatorul cap tului de conexiune, entit ilor din startul transport,

multiplexarea conexiunilor (asem n tor situa iei din figura 2.5.2.21),

segmentare i grupare, controlul erorilor, secven ialitatea (livrarea în ordine), controlul fluxului, asocierea adreselor din stratul re ea cu adresele din stratul

leg tur de date, managementul stratului etc.

2.5.2.2.6 Stratul leg tur de date (Data Link Layer)a) furnizeaz mijloace func ionale i procedurale pentru transferul

unit ilor DL-SDU prin intermediul leg turilor de dare, cu sau f r conexiune, care au ca suport una sau mai multe conexiuni fizice.

b) serviciul cu conexiune este definit de urm toarele componente: adresele leg turilor de date, conexiunea de date, unitatea de serviciu: DL-SDU, identificatorii capetelor de conexiune de date, semnalarea (notificarea) erorilor, parametri asocia i calit ii servirii, reset


iar serviciul f r conexiune este înso it de: adresele leg turilor de date, limitarea dimensiunii unit ii DL-SDU, parametrii asocia i calit ii servirii.

Adresele leg turilor de date sunt stabilite în stratul leg tur de date iidentific entit ile utilizator din stratul re ea. Adresele sunt unice în cadrul unui ansamblu de sisteme deschise, ata ate unui acela i suport de comunicareputând fi folosite de acestea pentru a se referi reciproc.

c) func iile comune ambelor tipuri de serviciu sunt: asocierea DL-SDU cu DL-PDU de tip 1 la 1, identificarea coresponden ilor i schimbul de parametri, controlul conexiunii din stratul fizic, detec ia erorilor, rutare i înaintare, management.

iar func iile suplimentare, corespunz toare serviciului cu conexiune sunt: stabilirea i eliberarea conexiunii, despicarea conexiunilor, controlul secven ei, delimitarea i sincronizarea, controlul fluxului, controlul erorilor.

2.5.2.2.7 Stratul fizic (Physical Layer)a) pune la dispozi ie mijloacele mecanice, electrice, func ionale i

procedurale necesare activ rii, men inerii i dezactiv rii conexiunilor fizice destinate transmiterii bi ilor între entit i utilizator din stratul DL.

b) componente i servicii: conexiune fizic , Ph-SDU, cap t de conexiune fizic , identificator al circuitului de date, parametri de calitate, secven ialitate, notificarea deranjamentelor.

O conexiune fizic leag dou sau mai multe entit i din stratul fizic, fiind alc tuit dintr-un singur sau mai multe circuite de date interconectate prin intermediul unor entit i releu. Un circuit de date sau sec iune de transmisiuneeste un mijloc de comunicare prin mediul fizic, care leag direct dou sau mai multe entit i din stratul fizic, înso it de mecanismele necesare transmiterii bi ilor, cu localizare în stratul fizic, conform figurii 2.5.2.22.

c) func ii: activarea i dezactivarea conexiunilor fizice, transmiterea PH-SDU, multiplexarea i managementul.


Pe lâng aspectele func ionale i procedurale, modelul OSI mai include, a a cum deja s-a referit ocazional, anterior, i o component managerial ,esen ial în buna desf urare a activit ilor din cadrul sistemelor deschise. Aceast component acoper o arie larg de activit i grupate în trei categorii:

managementul la nivel de aplica ie – se ocup , în general, cu: fixarea parametrilor, ini ierea, între inerea i încheierea proceselor aplica ie, alocarea i dezalocarea resurselor OSI pentru procesele aplica ie, detectarea i prevenirea interferen ei i st rii "deadlock", controlul securit ii, controlul integrit ii i în elegerii (commitment), sondare (checkpointing) i redresare (recovery).

managementul la nivel de sistem – const în:a) controlul activ rilor i dezactiv rilor, care cuprinde:

activarea, între inerea i dezactivarea resurselor distribuite în sistem, stabilirea, între inerea i eliberarea conexiunilor între entit ile

managementului, ini ializ ri i modific ri ale parametrilor sistemului.

b) monitorizarea, care cuprinde: raportarea st rilor i schimb rilor de stare, raportarea de date statistice.

c) controlul erorilor, care cuprinde: detec ia i diagnosticarea, reconfigurarea i reini ializarea.

managementul la nivel de strat – este caracterizat de dou aspecte: primul se leag de activit ile din cadrul stratului, care sunt

desf urate de protocoalele de care apar in, precum controlul fluxului sau controlul erorii,

al doilea se refer la faptul c managementul la nivel de strat reprezint un subsistem al managementului la nivel de sistem i prin urmare, protocoalele aferente aplica iilor ce privesc aceastsubordonare sunt destinate entit ilor îns rcinate cu managementul de sistem.

Strat fizic

Conexiune fizic

PH-SAP

Circuit de date

Mediu fizic #1 Mediu fizic #2

Entitate fizic

Cap t de conexiune fizic

Figura 2.5.2.22: Conexiuni fizice i circuite de date


2.5.2.3 Modelul TCP/IP Modelul TCP/IP face parte din categoria sistemelor deschise deoarece

toat documenta ia privitoare la descrierile i specifica iile aferente este public .Aceast documenta ie se g se te în seria de rapoarte tehnice intitulate: RequestFor Comments (RFCs), care sunt publicate în re ea, iar apoi sunt analizate irevizuite de comunitatea Internet. Modelul TCP/IP, denumit i modelul Internet, const într-o arhitectur pe patru straturi în care sunt repartizate o suit de protocoale de comunicare dintre care cele mai reprezentative sunt Transport Control Protocol (TCP) i Internet Protocol (IP) [29], [30], [31], [32]. Figura 2.5.2.23 prezint aceast arhitectural turi de cea a modelului OSI, eviden iind diferen ele majore dintre acestea:

specificarea concret a unor aplica ii, precum transferul de fi iere, emulare terminal sau po t electronic ;

posibilitatea interac iunii directe între entit i din stratul aplica ie cu cele localizate în straturi neal turate, ca în cazul "instrumentelor" ping itraceroute;

lipsa oric rei specific ri relative la suportul stratului Internet.

Acest mod de elaborare a fost ales în dorin a înzestr rii modelului cu o cât mai mare flexibilitate i rezultatul a fost c , în prezent, suita de protocoale TCP/IP, este cea mai r spândit deoarece poate fi folosit pentru a comunica prin orice ansamblu de re ele interconectate, atât LAN cât i WAN.

2.5.2.3.1 Stratul interfa la re eaStratul interfa la re ea al modelului TCP/IP nu impune tipul de re ea

fizic la care este conectat sistemul. Dimpotriv , stiva de protocoale care se "sprijin " pe acest strat trebuie s respecte regulile de func ionare ale acestuia, altfel spus, s suporte, s se adapteze diverselor tehnologii de transmisie.

În practic exist o serie de tipuri de pl ci de re ea NIC (Network Interface Card) destinate re elelor în uz, precum Ethernet, FDDI, Token Ring, ISDN, X.25,

Aplica ie

Transport

Internet

Interfa re ea

FTP, Telnet, DNS, SMTP, SNMP, PING,...

TCP, UDP

IP, ICMP, ARP, RARP, RIP, Hello, OSPF, BGP, ...

nespecificate

TCP/IP Protocoale

Aplica ie

Prezentare

Sesiune

Transport

Re ea

Leg tur de date Fizic

OSI – RM

Figura 2.5.2.23: Modelul TCP/IP, protocoale aferente i compara ia cu OSI RM


Dial-up, ATM, pentru care sistemele dispun de un software (driver)corespunz tor. Placa de re ea i driver-ul aferent, pe de o parte, i protocoalele de la baza stivei TCP/IP, pe de alta, î i împart sarcinile ce revin straturilor leg tur de date i fizic. Combina ia plac de re ea-driver se ocup cu filtrarea cadrelor recep ionate în sensul accept rii doar a celor care con in doar:

adresa pl cii (unicast), de exemplu 00:A0:92:0F:C9:B2, adresa de difuziune larg (broadcast), adic FF:FF:FF:FF:FF:FF, adresa de difuziune restrâns (multicast), înregistrat sub controlul

driverului. Filtrarea este executat hardware de c tre placa propriu-zis , care genereaz întrerupere hardware, adresat driverului, doar când acesta trebuie s"ridice" un cadru care respect criteriile sus men ionate. Ridicarea înseamntrecerea cadrului din memoria pl cii în memoria sistemului, devenind, astfel accesibil protocolului c ruia îi este destinat. Figura 2.5.2.24 prezint modul de orientare (demultiplexare) a cadrelor în cazul Ethernet, al c rui principiu este valabil în orice alt caz.

În sens invers, driverul pl cii de re ea trebuie s alc tuiasc cadrul de plecare. Pentru acest lucru, driverul trebuie s fie informat cu adresa fizic a sta iei ce urmeaz s recep ioneze respectivul cadru. În cazul pachetelor IP, acestea trebuie îndreptate c tre adresa specificat în tabela de rutare, care poate fi a unui sistem intermediar, dac destina ia nu se g se te în re eaua curent , sau a sistemului final, în caz contrar. În ambele situa ii, driverul trebuie s cunoasc adresa fizic a " intei" i pentru aceasta se recurge la protocolul ARP.

În vederea transmiterii cadrelor Ethernet prin mediul fizic, de comunicare, entit ile din stratul fizic ata eaz acestora câte un preambul i un delimitator de

bytes 6 6 2 46÷1500 4

ARP – Address Resolution ProtocolRARP – Reverse Address Resolution Protocol,CRC – Cycle Redundancy CodePAD – Pad bytes(octe i de completare astfel încât

lungimea minim a cadrului s fie de 64B)

Adresa destina iei

Adresasursei

Tipul Date CRC

Încapsulare Ethernet (RFC 894)

Pachet IP 0800

ARP request/reply0806 PAD

RARP request/reply0835 PAD

ARP RARP

IP

Driver Ethernet

Figura 2.5.2.24: Demultiplexarea cadrelor Ethernet


cadru, conform figurii 2.5.2.25. Preambulul este necesar la recep ie pentru sincronizarea de bit, iar delimitatorul pentru sincronizarea de cadru.

2.5.2.3.2 Stratul Internet Stratul Internet cuprinde o serie de protocoale (figura 2.5.2.23). Dintre

acestea, în continuare, pentru în elegerea principiilor fundamentale de func ionare, se vor prezenta doar ARP i IP.

Protocolul ARP (Address Resolution Protocol) se ocup cu asocierea dintre adresele fizice, corespunz toare pl cilor de re ea, i adresele logice, din stratul IP corespunz toare sistemelor aflate în aceea i re ea. Astfel, ori de câte ori un pachet IP trebuie inserat într-un cadru de plecare, ARP (de fapt nu protocolul, ci entitatea care desf oar respectivul protocol, dar, pentru simplificarea exprim rii se prefer acest abuz) caut în memoria ARP cache, cu con inut în genul celui prezentat în figura 2.5.2.26, adresa fizic corespunz toare adresei IP c tre urm torul sistem (next-hop), în care pachetul va suferi un saltdin linia de intrare într-o linie de ie ire sau în straturile superioare ale stivei de protocoale.

Dac ARP cache con ine o înregistrare în acest sens, informa ia este preluat i folosit pentru completarea cadrului i depunerea lui în placa de re ea. Dac nu, ARP ini iaz o cerere ARP (ARP Request) care se materializeaz într-un cadru cu adres destina ie broadcast i, în câmpul Data, cu adresa IP a sta iei int . Fiind destinat tuturor sta iilor din re ea, acest cadru ajunge i în driverul de plac al sta iei int care, ca r spuns i în conlucrare cu ARP-ul local, replic cu un cadru de tip ARP reply prin care specific c aceasta este inta, adresa dorit fiind extras din câmpul source address.

Protocolul IP reprezint mijlocul prin care comunic , conform figurii 2.5.2.27, entit ile TCP (Transport Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol) i IGMP (Internet GroupManagement Protocol). Serviciul de comunicare pus la dispozi ie de IP este f rconexiune cu diverse variante de asigurare a unei anumite calit i în servire, în general, urm rind s fac tot posibilul (best effort service) pentru ca pachetele IP s ajung la destina ie. Dac nu, controlul erorilor se face printr-un mecanism

Preambul Delimitator cadru

Cadru Ethernet

Ad ugate de stratul fizic

Figura 2.5.2.25: Cadrul Ethernet înso it de preambul i delimitator

c:\> arp-a Interface: 157.60.137.88

Internet Address Physical Address Type 157.60.136.1 00-00-01-07-1a-39 dynamic 157.60.136.99 00-da-19-a6-b5-48 dynamic 157.60.139.24 00-fc-a3-12-9A-13 static

Figura 2.5.2.26: Exemplu de con inut al memoriei ARP cache


sumar: pachetul este abandonat dac nu mai poate fi manevrat, oricare ar fi cauza, precum coruperea header-ului sau lipsa spa iului de stocare, i trimiterea, eventual, al unui mesaj ICMP c tre surs .

Protocolul IP desf oar o serie de activit i precum: fragmentarea i reasamblarea pachetelor IP (doar pentru

comunica ii între entit i IP aflate în aceea i re ea), rutarea i înaintarea, multiplexarea/ demultiplexarea.

Aceste activit i utilizeaz informa iile cuprinse în cadrul pachetului IP al c rui format este prezentat în figura 2.5.2.28.

Câmpurile cuprinse într-un pachet IP au urm toarea semnifica ie:version: versiunea IP folosit : 4 pentru IPv4, 6 pentru IPv6; header length: lungimea, în cuvinte de 32 de bi i, a header-ului; type of service: genul de servire dorit de protocolul din statul superior;total length: lungimea, în octe i, a întregului pachet; identification, flags i fragment offset: informa ii necesare

Strat transport

TCP UDP

IP

IGMP ICMP Strat Internet

Figura 2.5.2.27: IP - mijloc de comunicare pentru protocoalele TCP, UDP, ICMP i IGMP

Version Headerlength Type of service Total length

Identification Flags Fragment offset

Time to live (TTL) Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options (+padding)

Data

0 3 4 31 7 8 15 16

18 19

Figura 2.5.2.28: Formatul pachetelor IP


activit ilor de fragmentare i asamblare; pentru evitarea lor, se prefer stabilirea unit ii maxime de transmisie MTU (Maxim Transmission Unit), atunci când comunicarea cap la cap implicre ele cu diverse MTU; time to live: num r ce este decrementat odat cu tranzitul pachetului printr-un sistem (se evit , astfel, buclarea f r sfâr it);protocol: num r care identific tipul protocolului de nivel superior c ruia îi este destinat pachetul: 1 pentru ICMP, 2 pentru IGMP, 6 pentru TCP, 17 pentru UDP, etc; header checksum: valoare folosit pentru verificarea integrit iiheader-ului;source IP address: adresa sistemului expeditor; destination IP address: adresa sistemului destina ie;options: spre deosebire de câmpurile anterioare, care sunt obligatorii (mandatory), acest câmp este op ional, fiind destinat anumitor scopuri, precum este, de exemplu, înregistrarea traiectoriei pe care pachetul o urmeaz prin re ea. data: informa ie apar inând stratului superior.

Activitatea (func ia) de baz a IP este rutarea i aceasta presupune doucomponente fundamentale:

înaintarea propriu-zis , icompletarea / reactualizarea tabelelor de rutare.

Înaintarea presupune avansarea unui pachet IP ajuns într-o entitate IP c tre unul din protocoalele de nivel superior sau c tre una din pl cile de re easubordonate. Pentru aceasta, protocolul IP examineaz adresa destina ie, înscris în pachet i o compar cu informa ia cuprins în tabela de rutare i ia una din urm toarele decizii:

livrarea c tre protocolul din stratul superior, specificat în câmpul protocol, dac adresa corespunde cu cea a sistemului care "g zduie te" pachetul respectiv (local host),

înaintarea prin intermediul unei pl ci de re ea conectat local, eliminarea pachetului.

Orice tabel de rutare men ine patru tipuri de rute. Denumirea lor iordinea în care acestea sunt c utate pentru a g si o potrivire sunt urm toarele:

1. host, pentru rute c tre o singur adres specific IP, 2. subnet, pentru rute c tre o subre ea,3. network, pentru rute c tre o re ea, 4. default, pentru cazul în care celelalte trei c ut ri nu s-au soldat cu

succes. Denumirile network, subnet i host provin de la cele trei nivele de ierarhizare care pot alc tui o adres IP. Figura 2.5.2.29 prezint modul de organizare al adreselor în cazul formatului cu clase, iar figura 2.5.2.30 înf i eazmodul în care se poate "implementa" o subre ea. O tabel de rutare, [33], poate avea un con inut de genul celui prezentat în figura 2.5.2.31, care în acest caz apar ine unui sistem cu adresa IP 157.60.137.88 i masca 255.255.252.0.


Tema 2.5.2.6 C rei clase îi apar ine adresa IP 157.60.137.88 ?

* * *

Network Host 1 1 0 23 24

Clasa C

Network Host 7 31

Clasa A 080

Network Host 15 31 0 1

Clasa B 1 0 16

Clasa D Multicast Group Address 01 1 1

Clasa E Reserved for future use 11 1 1

Figura 2.5.2.29: Organizarea adreselor IP în clase

Subnet Host 1 023 24

Adresa cu subre ea15 16

Adresa original Network Host 1 0

Figura 2.5.2.30: Introducerea nivelului ierarhic "subnet"IPv4 Route Table

===========================================================================

Interface List

0x1 ........................... MS TCP Loopback interface

0x10002 ...00 53 45 00 00 00 ...... WAN (PPP/SLIP) Interface

0x10003 ...00 04 5a 56 10 06 ...... Linksys LNE100TX Fast Ethernet Adapter(LNE100TX v4)

===========================================================================

===========================================================================

Active Routes:

Network Destination Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 157.60.136.1 157.60.137.88 20

157.60.136.0 255.255.252.0 157.60.137.88 157.60.137.88 20

157.60.137.88 255.255.255.255 127.0.0.1 127.0.0.1 20

157.60.255.255 255.255.255.255 157.60.137.88 157.60.137.88 20

127.0.0.0 255.0.0.0 127.0.0.1 127.0.0.1 1

224.0.0.0 240.0.0.0 157.60.137.88 157.60.137.88 20

255.255.255.255 255.255.255.255 157.60.137.88 157.60.137.88 1

Default Gateway: 157.60.136.1

===========================================================================

Persistent Routes: None

12345678

Figura 2.5.2.31: Exemplu de tabel de rutare


Titlurile coloanelor ce alc tuiesc o tabel de rutare, asemenea celei din figura 2.5.2.31, au urm toarea semnifica ie:

Network Destination (Address): adresa destina ie,Netmask: specific care por iune din adresa IP destina ie a pachetului

trebuie s se potriveasc cu înregistrarea corespunz toare din dreptul Network Destination astfel încât ruta respectiv s fie eligibil . Potrivirea se verific prin intermediul unei opera ii logice I (AND) ce are ca operatori adresa IP a pachetului i masca, i comparând rezultatul ob inut cu adresa de re ea asociatm tii.

Gateway: specific c tre cine urmeaz s fie înaintat pachetul; con inutul tabelului 2.5.2.3 prezint câteva detalii în acest sens.

Tabelul 2.5.2.3: Con inutul i semnifica ia coloanei Gateway din tabela de rutare a sistemelor Windows

Con inut în coloana Gateway C tre cine se înainteaz Semnifica ie

adresa unui sistem gazd

unul din sistemele gazd din (sub)re eaua local

urmeaz ultimul "next hop" pân la destina ie

adresa de loopback protocolul corespunz tor din straturile superioare s-a ajuns la destina ie

adresa unui ruter din (sub)re eaua local

unul din ruterele care va continua s înainteze pachetul

urmeaz un nou "next hop" pân la destina ie

Interface: specific prin cine urmeaz s fie înaintat pachetul: ori prin interfe e fizice indicate prin adresele IP ale sistemului (locale) cu care sunt asociate, ori prin adresa de loopback,

Metric: reprezint num rul de salturi pân la destina ie i constituie unul din criteriile de stabilire a celui mai bun traseu.

Înregistr rile cuprinse în liniile tabelei de rutare din figura 2.5.2.31 au urm torulîn eles:

1. rut tip default, activ la acel moment, 2. rut c tre (sub)re eaua local în care se g se te acest sistem, 3. rut tip host, gazda fiind chiar acel sistem i prin urmare, pachetul IP

trebuie înaintat protocoalelor din stratul superior, 4. rut cu adres de broadcast, c tre toate subre elele corespunz toare

clasei B, de origine, cu identitatea 157.60.0.0, 5. rut pentru comunica ii locale între protocoalele din stratul superior, 6. rut pentru difuzare restrâns (multicast), 7. rut pentru difuzare (broadcast) în (sub)re eaua local ,8. ruterul implicit indic ruterul activ la acel moment; informa ie util

atunci când sunt configurate mai multe rutere implicite. Pe baza acestor înregistr ri, stabilirea rutei pe care va fi înaintat un pachet IP se face conform urm torului algoritm:


Pentru fiecare tip de rut , începând de la host {

Se întocme te lista rutelor de acest tip eligibile, pe baza testului: IP packet address AND Netmask = ? Network

DestinationDac exist lista:

{Din lista rutelor eligibile se alege ruta cea mai precis , cu cel mai mare num r de bi i de "1" din masc , denumit longest (closed) matching route.În cazul în care, la pasul anterior se ob in mai multe rute, dintre acestea se alege cea cu cel mai mic num r de salturi (Metric).

Se abandoneaz c utarea, rezultatul fiind ruta aleas la pasul anterior.}

Dac nu exist list , se trece la urm torul tip de rut pân când, ajungând la ruta default, c utarea se încheie, luând în considerare, ca rezultat, aceastrut .

}

Astfel, de exemplu, dac adresa IP a unui pachet este 157.60.137.25, prima dat se caut în tabela de rutare o rut host; dac nu se g se te, se cautapoi o rut de subre ea i aceasta g sindu-se, pachetul va fi trimis prin interfa aasociat adresei locale IP 157.60.137.88 (De ce ?).

Tema 2.5.2.7 Considerând tabela de rutare din figura 2.5.2.31 preciza i:

a. câte adrese IP are sistemul ce de ine aceast tabel i care sunt ele; b. câte adrese tip gazd se pot repartiza în cadrul subre elei în care se

g se te sistemul care con ine tabela sus amintit ,c. care este tipul de rut pe care este înaintat un pachet a c rui adres

destina ie este: 157.60.139.24 * * *

Repartizarea pe clase a spa iului de adresare IP introduce restric ii care nu permit adaptarea spa iului la num rul în cre tere de re ele. În consecin , în prezent, zona claselor A, B i C a fost "liberalizat ", în sensul c masca de adres poate avea orice dimensiune. În acest caz, se vorbe te de adresare f rclase, o nota ie de genul 157.60.137.88/22 precizând c masca de adres are primii 22 de bi i de valoare 1, ceea ce înseamn c adresa re elei este 157.60.136.0.

Completarea i actualizarea, într-un cuvânt între inerea (maintenance)tabelelor de rutare, este cealalt func ie fundamental a stratului Internet i se desf oar prin intermediul unor protocoale precum: RIP (Routing Information


Protocol), OSPF (Open Shortest Path First) sau BGP (Border Gateway Protocol).La baza func ion rii acestor protocoale stau o serie de algoritmi, precum Dijkstra sau Belman-Ford [8], [35], [38].

2.5.2.3.3 Stratul transport Stratul transport beneficiaz de dou protocoale folosite de majoritatea

aplica iilor: UDP (User Datagram Protocol) i TCP (Transport Control Protocol).UDP este un protocol simplu, care asigur un serviciu de transport

nesigur (unreliable) i f r conexiune (connectionless), rolul s u limitându-se la repartizarea (demultiplexarea) datagramelor provenite din stratul inferior, aplica iilor din stratul superior (vezi figura 2.5.2.32), precum: TFTP (Trivial File Transfer Protocol), DNS (Domain Name System), SNMP (Simple NetworkManagement Protocol) sau RTP (Real Time Protocol). Op ional, UDP se poate ocupa de verificarea integrit ii datagramelor recep ionate, singurul efect, în cazul datagramelor corupte fiind cel al elimin rii lor (f r în tiin area entit ilor din stratul utilizator).

Datagramele UDP au formatul conform celui prezentat în figura 2.5.2.33. Câmpurile cuprinse în aceast structur reprezint :

source port: num r care identific aplica ia particular din sistemul de origine, necesar, de exemplu în caz de r spuns,destination port: num r care identific aplica ia particular din sistemul de destina ie, necesar opera iei de demultiplexare, length: num rul de octe i al întregii datagrame, checksum: num r folosit pentru verificarea integrit ii datagramelor; valoarea 0 indic destina iei c , la plecare, nu s-a calculat respectiva valoare.

TCP este un protocol complex care garanteaz un serviciu sigur, orientat pe conexiune, de tip byte stream, aflux de octe i, fiind înzestrat cu mecanisme de

Stratul aplica ie

Stratul transport UDP

DNS SNMPRTP TFTP

Figura 2.5.2.32: Demultiplexarea datagramelor

Source port Destination port15 31 0

word #1 16

Length Checksum word #2

Data

Figura 2.5.2.33: Formatul datagramelor UDP


control al erorii (o variant de repetare selectiv automat ) i de control al congestiei (bazat pe adaptarea ratei de transmisie în func ie de rata pierderilor de pachete). Conexiunea logic , stabilit între entit ile utilizator, corespondente, este bidirec ional i simultan (full - duplex) i folose te ca suport o re ea f rconexiune (IP). O conexiune este înso it de o serie de variabile înscrise într-un bloc de control al transmisiei TCB (Transmission Control Block).

Serviciul de tip aflux de octe i pune la dispozi ie entit ilor utilizator un canal virtual în care informa ia este structurat pân la nivel de octet (byte). În acest mod, conform figurii 2.5.2.34, mesajele de transmis sunt inserate rând pe rând în memoria tampon de plecare a transmi torului de unde este extras un anumit num r de octe i, pe criterii ce in de func iile de fragmentare, grupare sau concatenare cu care protocolul TCP/IP este înzestrat în vederea optimiz riitransferului.

Ace ti octe i alc tuiesc un segment i sunt introdu i într-o unitate de date i protocol (PDU) din care, la destina ie, sunt extra i i desc rca i în memoria tampon de sosire, de unde sunt prelua i de aplica ia destina ie la cererea acesteia (de exemplu, prin intermediul func iei read(), în cazul programelor aplica ie dezvoltate pe baza unei interfe e pentru programe aplica ie, de genul celei descrise în continuare, cu ocazia prezent rii stratului aplica ie). Formatul unit ii de date i protocol (PDU) aferent protocolului TCP, este prezentat în figura 2.5.2.35. Câmpurile constitutive au urm toarea semnifica ie:

source port i destination port: numerele care identific aplica iile emitent, i respectiv destinatar; sequence number: identific , atunci când bitul SYN este 0, pozi ia în afluxul de octe i a primului octet de date dintr-un anumit segment (figura 2.5.2.36); acknowledgment number: precizeaz , atunci când bitul ACK este 1, num rul de secven cu care, la recep ie, se a teapt urm torul segment, fiind implicit o confirmare a recep ion rii corecte pân la acel octet, exclusiv;header length: specific lungimea în cuvinte de 32 de bi i, a antetului pentru a permite localizarea câmpului data;reserved: introdus pentru inserarea informa iilor necesare, eventual, unei dezvolt ri ulterioare a protocolului;

segmente

Aflux de octe i

ACKsMemorie de emisie

Memorie de recep ie

Strat aplica ie

Strat transport

Transmi tor Receptor

Aflux de octe i

Figura 2.5.2.34: Serviciul de tip byte-stream (aflux de octe i)


URG: indic , activat, faptul c informa ia din urgent pointer este valid ;ACK: indic , activat, c în câmpul acknowledgment number este înscris un num r valid; PSH: indic , activat, entit ii TCP receptoare s descarce imediat con inutul din câmpul data, în buffer-ul de recep ie al aplica iei destina ie. În caz contrar, entitatea TCP poate alege s acumuleze local suficien i octe iînainte de a-i transfera în buffer-ul de recep ie al aplica iei destina ie;RST: indic , activat, modulului TCP receptor s abandoneze conexiunea dat fiind apari ia unor condi ii de func ionare anormale; SYN: indic , activat, o cerere de conexiune; FIN: indic , activat, receptorului c transmi torul nu mai are informa ie de transmis i, prin urmare, conexiunea în acest sens poate fi încheiat ,transmi torul putând primi în continuare informa ie din cel lalt cap t pâncând prime te la rândul s u un segment cu bitul FIN activat; window size: precizeaz num rul de octe i pe care modulul TCP transmi tor este dispus s îl primeasc pân la urm toarea confirmare de recep ie; acest câmp este utilizat de mecanismele de control al fluxului i

Source port Destination port 15 31 0

word #116

Sequence number

Window size

word #2

DATA

Options (+ padding)

Acknowledgment number

Checksum URGENT pointer U

RG

ACK

PSH

RST

SYN

FINReservedHeader

length

40 153 9

word #3

Figura 2.5.2.35: Formatul segmentelor TCP

700 300 400 800

1100 2100 3300

Num rul secven ei

Data in mesages

Data in segmentes

Figura 2.5.2.36: Numere de secven în afluxul de octe i


control al congestiei; în mod normal, dimensiunea maxim este de 655351216 ;

checksum: con ine num rul folosit în mecanismul de detec ie al erorilor; urgent pointer: indic , activat, pân la ce octet din buffer-ul intern al modulului TCP trebuie f cut transferul urgent în buffer-ul aplica iei; num rulde identificare al respectivului octet este dat de suma numerelor cuprinse în câmpurile sequence number i urgent pointer din segmentul în cauz ;options: acest câmp este destinat unor func ii suplimentare c rora nu le sunt suficiente restul informa iilor din header. Cea mai important op iune se refer la fixarea dimensiunii maxime a segmentului MSS (Maximum Segment Size) care se hot r te în faza de stabilire a conexiunii. Alte douop iuni sunt folosite la negocierile demarate în situa iile care conduc la un produs întârziere x band de valori mari. Prima, window scale, permite utilizarea unei dimensiuni mai mari a ferestrei care poate ajunge la

14.16 2)12( . A doua, timestamp, este destinat conexiunilor de mare vitez în care succesiunea numerelor de secven se poate relua de mai multe ori pe durata de func ionare a conexiunii. Cu ajutorul acestei opera iuni, pot fi efectuate i calculele legate de evaluarea timpului dus-întors RTT (Round Trip Time).

Tema 2.5.2.8 Care este dimensiunea în octe i a componentei PCI din unitatea PDU aferent protocolului TCP? Dar UDP? Dar IP? Dar Ethernet?

* * * Tema 2.5.2.9 Preciza i ce corespunde, în modelul TCP/IP, celor dou comonente care alc tuiesc identificatorul CEI, propriu modelului OSI.

2.5.2.3.4 Stratul aplica ieStratul aplica ie ofer utilizatorilor o palet larg de servicii. Utilizatorii

sunt aplica ii precum: Adobe Acrobat sau Internet Explorer, iar serviciile cele mai reprezentative de care acestea beneficiaz sunt prezentate în tabelul 2.5.2.4, împreun cu denumirea protocoalelor care le definesc. Comunicarea dintre entit ile din stratul aplica ie, implicate în satisfacerea unui serviciu, se realizeaz prin intermediul entit ilor din stratul transport care se diferen iaz func ie de tipul serviciului de transport oferit. Cele care asigurtransport cu conexiune urmeaz protocolul Transport Control Protocol (TCP),iar cele care asigur un transport f r conexiune urmeaz protocolul UserDatagram Protocol (UDP). Deosebirea dintre aplica iile care se desf oar în acela i sistem i care utilizeaz acela i mod de transport se face prin intermediul porturilor (no iune similar , în cazul transferului cu conexiune, cu cea de cap tde conexiune, întâlnit în OSI-RM) care sunt distribuite în dou grupe, fiecare asociat protocolului de transport corespunz tor (ceva asem n tor cu SAP din OSI-RM). Figura 2.5.2.37 prezint modul de asociere în interiorul unui sistem al entit ilor din stratul aplica ie cu cele subordonate lor, aflate cu prec dere în


stratul transport, iar tabelul 2.5.2.5 prezint câteva dintre a a numitele "well-known port number" (ceva asem n tor no iunii end point identifier din OSI), acestea fiind numere ce sunt stabilite de organismul Internet Assigned Number Authority (IANA).

Tabelul 2.5.2.4: Servicii oferite de stratul aplica ie i protocoale aferente

Serviciu Protocol

transfer de fi iere FTP – File Transfer ProtocolTFTP – Trivial File Transfer Protocol

transfer de pagini Web HTTP – Hyper Text Transfer Protocol

emulator de terminal Telnet (general), Rlogin (dedicat UNIX)

po t electronic SMTP – Simple Mail Transfer Protocol

managementul re elei SNMP – Simple Network Management Protocolasocierea numelor cu adresele din re ea DNS – Domain name System

verificarea conectivit ii în stratul re ea PING – Packet Inter Net Groper

aflarea traseului curent pân la o anumit destina ie traceroute

Tabelul 2.5.2.5: Exemple de numere de port "bine cunoscute"

Port Protocol Entitate subordonat21 FTP TCP 23 Telnet TCP 25 SMTP TCP 53 DNS TCP/UDP 69 TFTP UDP 80 HTTP TCP

161 SNMP TCP/UDP

port

Strat aplica ie

Strat transport

SistemAplica ie Aplica ie Aplica ie Aplica ie

UDP

c tre o entitate de nivel inferior (vezi cazul PING)

TCP

Figura 2.5.2.37: Asocierea entit ilor din stratul aplica ie cu entit ile subordonate lor


Un num r de port reprezint , în fapt, un identificator suplimentar de referire la o anumit aplica ie, pe lâng numele acesteia, care este acela i în toate sistemele deschise TCP/IP. Cu ajutorul numerelor de port, opera ia de livrare la destina ie se finalizeaz , dup ce adresa IP, de re ea, a localizat sistemul, iar tipul protocolului a selectat entitatea responsabil cu livrarea, din stratul transport. Realizarea practic a asocierii i interac iunii dintre entit ile din stratul aplica ie i cele subordonate lor se realizeaz , în general, conform figurii 2.5.2.38 prin intermediul unor prize (sockets). Ace ti intermediari au rolul de a simplifica semnificativ scrierea programelor aplica ie care, în aceste condi ii, trebuie s ia în considerare doar modul de utilizare al interfe ei cu priza API (ApplicationProgramming Interface), controlul detaliilor privind protocoalele de comunicare utilizate în comunicare revenind în totalitate prizei. Dintre realiz rile curente, demne de men ionat sunt: Berkeley Socket Interface, dezvoltat la începutul anilor 80 la Universitatea Berkeley din California i Winsock, produs al companiei Microsoft.

Interfa a de priz pune la dispozi ie realizatorilor de programe aplica ie un set de mijloace (facilities) cuprinse în fi iere sistem specifice (de exemplu: winsock.dll) i prezente în bibliotecile unor anumite medii de programare (cu prec dere C i C++). În consecin , folosirea lor în cadrul unui program aplica ie cere ca acesta s includ fi ierele header corespunz toare, precum winsock.h.

Urm toarele mijloace sunt puse la dispozi ie de o interfa de priz :a) func ia de înfiin are (instan iere) a unei prize:

int socket (int family, int type, int protocol) argumente:

family identific prin atribuirea unor valori traduse în constante simbolice, (vezi tabelul 2.5.2.6) colec ia de stive de protocoale care au:

Re ea de comunica ii

USER

Interfa socket

UCP: Underlying Communication Protocol

Aplica ie

Socket

UCP

Aplica ie

UCP

KERNEL

Socket

Figura 2.5.2.38: Comunicarea prin interfa a de priz (socket)


- acela i format de adresare, de exemplu AF_INET corespunde stivei TCP/IP, sau

- aceea i arhitectur , de exemplu PF_INET corespunde tot stivei TCP/IP,

Observa ie: în general, cele dou familii sunt echivalente astfel încât AF_XXXX este egal cu PF_XXXX.

type specific genul comunic rii, valorile (vezi tabelul 2.5.2.7) fiind:

- SOCK_STREAM, pentru livrarea informa iei sub forma unei secven e binare, f r structur ,no iunea de segment TCP fiind "ascuns "programatorului;

- SOCK_DGRAM, pentru livrarea informa iei în blocuri de octe i denumite datagrame.

protocol se refer la protocolul efectiv utilizat; în general, pentru fiecare family i type exist un singur protocol disponibil, numit protocol implicit (default protocol) i precizat prin atribuirea valorii 0"pentru acest argument,

rezultat: o valoare întreag pozitiv , în caz de succes, care reprezintdescriptorul prizei (socket descriptor) sau valoarea -1, în caz de insucces.

Tabelul 2.5.2.6: Exemple de constante simbolice folosite în identificarea familiilor de protocoale (winsock2.h)

Constant simbolic Valoare atribuitAF_UNIX 1 AF_INET 2 AF_NS 6 AF_OSI 7

AF_CCITT 10 AF_ATM 22

AF_INET6 28

Tabelul 2.5.2.7: Exemple de constante care specific genul comunic rii(winsock2.h)

Constant simbolic Valoare Semnifica ieSOCK_STREAM 1 stream socket SOCK_DGRAM 2 datagram socket SOCK_RAW 3 raw protocol interface SOCK_RDM 4 reliably_delivered message

b) func ia de "legare" a prizei, alocare adres :int bind (int sd, struct sockadd name,int namelen)

argumente:sd identific priza ce urmeaz a fi configurat ;name este un pointer la o structur ce con ine adresa

local IP i num rul portului;


namelen este lungimea în octe i a structurii; rezultat: 0 în caz de succes i 1 în caz contrar. Structura sockadd are urm torul con inut: struct sockadd

{ u_short sa_family /*familia dup formatul de

adresare*/char sa_data[14] /* adres */};

i corespunde unei adrese generice, sa_family men ionând tipul familiei cu acela i format de adresare, iar sa_data putând înmagazina adresele în formatul specific fiec rei familii. În cazul familiei Internet, structura particular de adres ,cu acela i num r total de octe i ca i structura generic , are urm torul con inut:

struct sockadd_in {u_short sin_family /*AF_INET*/ u_short sin_port

/*num rul portului TCP sau UDP*/ struct in_add sin_addr /*adresa IP pe 32

bi i*/char sin_zero[8]

/*octe i de umplere*/ };

cu struct in_add /*desigur, definit în avans*/ { u_long s_addr;/*adres IP pe 32 de bi i*/};

O structur de adres Internet este tratat ca fiind de tip sockadd_inatunci când se atribuie valori membrilor s i i este preluat de func ia bind, ca unul din argumentele acesteia, sub forma sock_add. Numerele de port reprezint , de exemplu pentru un server, acele numere bine cunoscute (vezi tabelul 2.5.2.5), pe care clien ii trebuie s le cunoasc pentru a putea stabili conexiunile dorite.

c) func ia de trecere pe recep ie (folosit doar de server):int listen (int sd, int backlog)

argumente:sd este descriptorul socketului vizat; backlog precizeaz num rul maxim de cereri de

conexiune în a teptarea accept rii lor de c tre server, pe care le poate genera un client (de obicei ia valoarea 5);

rezultat: 0 în caz de succes, -1 în caz contrar. d) func ia de stabilire a unei conexiuni (folosit doar de client):

int connect (int sd, struct sockadd* name, int namelen)


argumente:sd este descriptorul prizei vizate; name: indic adresa (server-ului) destina iei;namelen: num r de bi i ai structurii în cauz ;

rezultat: 0 în caz de succes, –1 în caz contrar. În caz de succes, adresa serverului este înregistrat în socketul clientului, iar adresa clientului este adus la cuno tin a serverului care poate accepta sau nu conexiunea. Cunoa terea adreselor la ambele capete face posibil ca, pentru transferul ulterior al informa iei s fie folosite doar func iile write i read care fac referire doar la descriptorul prizei în cauz .

e) func ia de acceptare a unei conexiuni (folosit doar de server): int accept(int sd, struct sockadd* addr, int* addrlen)

argumente:sd este descriptorul socketului pe care serverul a teapt

cererile de conexiune; addr este un pointer la o structur de adres preg tit

pentru a fi înc rcat cu informa iile clientului (adresa IP i num rulportului);

addrlen este un pointer c tre un întreg care precizeazdimensiunea spa iului vizat de pointerul addr înainte ca func ia sfie chemat i care se modific func ie de adresa clientului;

rezultat: valoare pozitiv care reprezint descriptorul noului socket creat de aceast func ie sau –1 în caz de e ec. Noul socket este destinat transferului de date pe noua conexiune, mo tenind propriet ile socketului sd, care r mâne rezervat a tept rii cererilor ulterioare de conexiune, mai pu in num rul portului care ia o valoare dintr-o mul ime destinat porturilor efemere.

f) func ii de transmitere a informa ieiint write(int sd, char* buf, int buflen)

argumente: sd este descriptorul prizei vizate; buf este pointerul la zona tampon din memorie care

con ine informa ia de transmis; buflen este lungimea în octe i a informa iei;

rezultat: num rul de octe i transfera i cu succes sau -1 în caz de e ec.int sendto(int sd, char* buf, int buflen, int flags,

struct sockadd* addrp, int addrlen) argumente:

sd , buf i buflen au semnifica ia de la func iawrite;

flags controleaz caracteristicile transmisiei; de obicei este fixat pe 0, corespunz tor modului normal de func ionare;

addrp este pointer c tre structura care cuprinde adresa socket-ului de la cel lalt cap t.


g) func ii de recep ie a informa ieiint read(int sd, char* buf, int buflen)

argumente: sd este descriptorul prizei vizate; buf este pointerul la zona tampon din memorie unde s-a

înc rcat informa ia;buflen este lungimea în octe i a informa iei;

rezultat: în caz de succes, este num rul de octe i recep iona i, iar în caz de insucces, ia valoarea -1.

int recvfrom(int sd, char* buf, int buflen, int flags, struct sockadd* addrp, int addrlen)

argumente: sd, buf i buflen, flags, addrp,addrlen au

semnifica ia de la func ia read;rezultat: idem cu cel generat de func ia read()

h) func ia de desfiin are a unei prize int close (int sd)

argument: sd este descriptorul socketului în cauz ;

rezultat: 0 în caz de succes, -1 în caz contrar. i) func ii de inversare a ordinii octe ilor dintr-un cuvânt

u_long htonl(u_long hostlong); u_short htons(u_short hostshort); u_long ntohl(u_long netlong); u_short ntohs(u_short netshort);

Octe ii unui cuvânt (de 16 sau 32 de bi i) pot fi ordona i în dou moduri: o big endian, când cel mai semnificativ octet este în fruntea irului;o little endian, când cel mai pu in semnificativ octet este în fruntea

irului; Formatul adoptat de Internet este de tip big endian i se nume tenetwork byte order (ordinea bi ilor în re ea), iar formatul larg folosit de aplica ii este contrar, numindu-se host byte order. Prin urmare, valorile sin_port i sin_addr, fiind destinate re elei, trebuie transcrise în modul bigendian.

Tema 2.5.2.10 Preciza i sub forma unui tabel, cu o singur coloan , în care fiecare linie reprezint un octet, con inutul, în format hexazecimal al unei structuri de adresde priz creat de un server aflat la o adres IP de clas B (sau C, sau A) idestinat transferurilor de fi iere (sau transferurilor de pagini web, sau po tei electronice).

* * * Recapitulând, în figura 2.5.2.39 sunt prezentate în mod sugestiv

modalit ile de înl n uire a apelurilor la func iile prezentate mai sus, în vederea


transfer rii informa iei între dou aplica ii, pentru dou cazuri diferite de comunicare între o aplica ie server i o aplica ie client.

Figura 2.5.2.39(a) prezint aceast succesiune în cazul unei comunic riorientate pe conexiune. Serverul începe prin a se deschide comunic rii în mod pasiv (pasiv open). Pentru aceasta, apeleaz pe rând func ia socket() pentru a crea o priz TCP, func ia bind() pentru ata area num rului de port corespunz tor serviciului oferit, func ia listen() pentru a trece socketul în starea de ascultare (listening) i, în final func ia accept() care, în caz c exist cerere de conexiune, stabile te leg tura prin intermediul unui socket nou, copie a socketului rezervat ascult rii, iar în caz contrar, aplica ia server este suspendat (trece în starea sleep), activitatea sa legat de func ia accept() fiind reluat cu ocazia apari iei unei noi cereri de conexiune. În privin a aplica iei client, acesta ini iaz o deschide activ (activ open) prin intermediul func iilor socket(), bind() iconnect(), care se materializeaz , la destina ie, într-o cerere de conexiune ce urmeaz s fie prelucrat de func ia accept(). Îndat ce conexiunea este stabilit ,urmeaz un schimb de informa ii intermediat de func iile read() i write(). Întreruperea conexiunii se face prin apelarea la ambele capete a func iei close(), care desfiin eaz socket-urile aferente.

Pentru cazul comunic rii f r conexiune, figura 2.5.2.39(b), aplica iaserver, dup ce înfiin eaz i leag o priz UDP, cheam func ia recvfrom() care

SERVERsocket()

bind()

listen()

read()

write()

close

accept()sleep pân ce

sose te o cerere de conectare

CLIENTsocket()

bind()

connect()

read()

write()

close

CLIENTsocket()

bind()

sendto()

recvform()

close

SERVER socket()

bind()

sendto()

close

recvform()sleep pân ce

sose te o cerere de conectare

(b) comunica ii f r conexiune (a) comunica ii cu conexiune

Figura 2.5.2.39: Înl n uirea apelurilor de func ii socket


ori se ocup cu recep ionarea complet a unei datagrame, ori, în cazul în care nu exist activitate de transfer, trece aplica ia server în starea sleep. i în acest caz, prizele care nu sunt folosite se desfiin eaz apelând la func ia close().

2.6 Mobilitatea terminalelor i re elele celulare

Comunica iile radio au ap rut la sfâr itul secolului al 19-lea, când Nikola Tesla a prezentat public, în vederea patent rii, principiul transmisiei radio. Din acel moment, o serie de inven ii, precum modula ia de amplitudine, MA, modula ia de frecven , MF, tubul electronic i tranzistorul, au deschis calea utiliz rii acestui tip de transmisiune într-o palet larg de aplica ii: telegrafia, radiodifuziunea, televiziunea sau comunica iile radio aferente diverselor servicii de interes comunitar (poli ia, salvarea, pompierii etc.). Datorit pre urilor ridicate i reglement rilor de ordin tehnic i politic, publicul larg a avut ini ial acces la aceast tehnologie la modul pasiv, putându- iprocura doar receptoare radio sau televizoare. Anul 1945 aduce în SUA o schimbare în acest sens, prin introducerea serviciului radio "în banda cet enilor"(citizens' band), care permitea comunicarea pe distan e scurte între persoane diferite, utilizând un canal special pus la dispozi ie în banda de 11 metri (27 MHz). Serviciul a fost adoptat câ iva ani mai târziu i de c tre alte state. De i atractiv, din motive economice i tehnice, utilizarea acestui serviciu a cunoscut o extindere importanta abia în perioada anilor 1980, când miniaturizarea componentelor electronice i sc derea pre urilor au permis nespeciali tilor s intre într-un domeniu incitant, al radioamatorismului, pia a de desfacere a aparaturii radio-electronice l rgindu-se considerabil. Cu toate acestea, num rul redus de canale, lipsa confiden ialit ii, interferen a i distan ele reduse pe care se puteau stabili leg turile (de pân la câteva sute de metri) reprezint deficien ele care au f cut ca interesul publicului fa de acest serviciu s se diminueze considerabil, devenind tot mai redus i izolat, din momentul apari iei re elelor publice de "telefonie mobil ". Re elele de telefonie mobil se diferen iaz la modul principial de cele de telefonie fix (POST, PSTN) prin felul în care este implementat re eaua de acces, prin intermediul c reia terminalele sunt conectate, transmisia f r fir nefiind o caracteristic aparte (re elele PSTN au i linii radio de abonat). Astfel, dac în cazul re elelor fixe, c ile de acces sunt individuale (este vorba de terminal i linia sa individual , sistemul liniilor cuplate fiind de domeniul istoriei), în cazul re elelor mobile acestea constituie resurse puse în comun, alocarea lor la terminale f cându-se dinamic în func ie de cererile de conexiune. Concret, c ile puse la dispozi ie de o re ea de telefonie mobil sunt câteva canale radio care împreun alc tuiesc banda de frecven utilizat de respectivul sistem. Din motive tehnice i economice banda de frecven e este limitat i de aceea s-a impus ca în cadrul proiect rii sistemelor mobile s se aplice principiul reutiliz rii frecven elor [48], [51]. Conform acestui principiu, acelea i frecven e (canale de comunicare) se pot utiliza în mai multe arii geografice, suficient de îndep rtate pentru ca


interferen a radio s fie neglijabil . În consecin , re ea de acces a unui sistem mobil are o configura ie tip fagure, ca în figura 2.6.1(a), în care fiecare hexagon reprezint o celul , de unde rezult i denumirea de sisteme celulare. În aceast configura ie, modul de repartizare a frecven elor în re ea se face luând în considerare aglomer ri (clusters) de genul celor prezentate în figura 2.6.1(b), în care fiecare celul folose te un set distinct de frecven e, cu ajutorul c rora, prin alipirea ca piesele unui mozaic, se poate "pava" (tessellate)f r goluri orice arie geografic .

Num rul N de celule care pot alc tui o asemenea "dal " a pavajului, numit macrocelul , este dat de rela ia urm toare:

22 jjiiN , ij0 i ji, (2.6.1) Distan a D dintre dou celule care utilizeaz acela i set de frecven e i

raza R a celulei sunt legate prin intermediul expresiei factorului de reutilizare a canalelor (co-channel reuse factor):

NRD 3 (2.6.2) Tema 2.6.1 1. Care sunt configura iile macrocelulelor cu 0, 3i j , respectiv 2, 2i j . 2. Completa i figura 2.6.1(b) cu simbolurile lips , 3. Reface i acoperirea zonei din figura 2.6.1(b) utilizând macrocelule cu câte 9 celule, apoi cu 12 celule.

* * *Reutilizarea frecven elor, care rezolv problema accesului în mas la

re ea nu este singura caracteristic definitorie a re elelor mobile. Pe lângaceasta, se eviden iaz i func ia de handover, care asigur men inerea leg turii atunci când terminalele în cauz trec dintr-o celul în alta.

2.6.1 Sisteme celulare analogice Primul sistem celular comercial, denumit Nordic Mobile Telephone, NMT,a fost pus în func iune în rile scandinavice începând cu anul 1979. El a fost urmat la scurt vreme, în 1981, de alte sisteme similare precum Mobile Phone

C

AB

AB

CD

CD

AE

F

B

G

(a) (b)

CD

AE

F

B

G

DA

EF

B

G

C

A

C

CD

AE

F

B

G

D

EF

B

G

Figura 2.6.1: Configura ia tip fagure a re elei celulare: (a) tipuri uzuale de macrocelule, (b) acoperirea cu macrocelule formate fiecare din câte 7 celule


Service, MPS, în SUA, Total Access Communication System, TACS, în Marea Britanie i Radio COM 2000 în Fran a. Folosind ca tehnic de acces al terminalelor la re ea multiplexarea (diviziunea) în frecven FDMA (FrequencyDivision Multiple Access) în dou benzi radio, precum 450 MHz i 900 MHz (NMT) sau 800 MHz (MPS), aceste implement ri apar in genera iei de sisteme mobile analogice, denumite genera ia întâi, 1G, în scara evolutiv care a urmat. Ca detaliu se precizeaz c :

sistemul NMT450 folose te pentru recep ie banda 463-468 MHz ipentru transmisie banda 453-458 MHz, oferind un num r de 200 canale de câte 25 kHz,

sistemul NMT900 utilizeaz banda de 935-960 MHz pentru recep ie,respectiv 890-915 MHz pentru transmisie, cu un num r de 1999 canale de câte 12,5 kHz,

ambele sisteme utilizeaz pentru semnalul vocal modula ia în frecven i au o raz de acoperire de pân la 30 km.

Lansarea pe pia a acestor sisteme s-a soldat cu un succes deosebit, rapoartele anului 1991 fiind concludente în acest sens: aproximativ 3 milioane de abona i în Marea Britanie, 2 milioane în Italia, 1.5 milioane în rile scandinave etc. în aceste condi ii, companiile produc toare de echipamente i furnizorii de servicii s-au mobilizat în vederea perfec ion rii acestui serviciu, inând cont i de imperfec iunile care deveneau tot mai limitative o dat cu cre terea continu a cererii i diversificarea a tept rilor. Este vorba în principal de :

- calitatea transmisiei semnalului vocal, - capacit ile de conectare la re ea,- fluctua ia ariei de acoperire, - incompatibilitatea sistemelor, utilizarea terminalelor fiind posibil doar

la nivel na ional, - lipsa criptografierii traficului, - perturbarea semnalului vocal în fazele de handover, semnalizarea

aferent dintre mobil i re ea utilizând acela i canal radio.

2.6.2 Sistemul GSM Rezultatul c ut rilor, în direc ia elimin rii neajunsurilor men ionate anterior, a fost trecerea la genera ia a doua de sisteme mobile reprezentate în Europa de sistemul GSM (Global System for Mobile) i de sistemele TDMA iCDMA r spândite pe alte continente. Principalele caracteristici ale acestor sisteme sunt:

utilizeaz transmisia numeric în re eaua de acces prin multiplexare în timp TDMA (Time Division Multiple Access) sau multiplexarea în cod CDMA(Cod Division Multiple Access);

beneficiaz de standarde care permit ca echipamentele produse de firme diferite s fie inter-opera ionale, cum este de exemplu standardul ETSIGSM (European Telecommunication Standards Institute), disponibil gratuit la adresele http://www.etsi.org sau http://www.3gpp.org. În consecin , abona ii pot folosi acela i terminal mobil în toate re elele de acela i tip, dar folosind un


serviciu propriu re elelor mobile, i anume serviciul de roaming.

Un sistem GSM este compus din:subsistemul re ea NSS (Network Subsystem), numit i "miezul

re elei" (core network) – se ocup cu stabilirea c ilor de comunica ie, cu managementul abona ilor i al mobilit ii i cu interconectarea cu alte re ele:na ionale fixe (PSTN), interna ionale fixe, mobile PLMN (Public Land Mobile Network) ale altor operatori sau de tip VoIP (Voice over IP).

subsistemul sta iilor de baz BSS (Base Station Subsystem) – reprezint re eaua radio de acces, care pune la dispozi ie "interfa a aer" prin care sta iile mobile MS (Mobile Station) se conecteaz la re ea prin leg turi radio.

subsistemul re ea inteligent IN (Intelligent Network) – con ine puncte de control al serviciilor SCP (Service Control Point), baze de date ce asigur re elei o serie de func ionalit i adi ionale celor ce sunt în sarcina primelor dou subsisteme, precum managementul serviciilor prepl tite (prepaid service).

ansamblul sta iilor mobile MS (Mobile Station) reprezentate prin terminalele utilizate de abona ii sistemului.

2.6.2.1 Subsistemul re ea Subsistemul re ea NSS are la rândul lui în componen o serie de elemente, dup cum urmeaz :

- centre de comuta ie mobil MSC (Mobile Switching Center),- registrul de cas al localiz rilor HLR (Home Location Register),- registrul de localizare al vizitatorilor VLR (Visitor Location

Register),- centrul de autentificare AuC (Authentication Center),- centrul pentru serviciul de mesaje scurte SMSC (Short Message

Service Center). Figura 2.6.2 prezint toate aceste componente, precum i interfe ele prin care ele comunic atât între ele cât i cu BSS:

Centrul de comuta ie mobil , MSC, are ca principal func ie stabilirea, între inerea i eliberarea conexiunilor, precum i transferul SMS-urilor. În acest scop, dat fiind particularit ile unei re ele mobile, trebuie s participe al turi de celelalte componente ale NSS la managementul mobilit ii care constîn:

- înregistrarea sta iilor mobile puse în func iune,- autentificarea abona ilor la ini ierea apelului, - reactualizarea informa iei de localizare a sta iilor mobile puse în

func iune, dar neangajate în apeluri (aflate în starea de "ata ate i în a teptare"),

- men inerea conexiunilor la trecerea sta iilor mobile active (aflate în starea "ocupat") dintr-o celul în alta prin schimbarea leg turilor radio din re eaua de acces (procedura de handover).

În plus, MSC are în sarcina sa i taxarea abona ilor prin crearea de înregistr ri de taxare pentru fiecare apel. Aceste înregistr ri, care în final sunt transferate serverului de taxare (billing server), con in informa ii referitoare la:


- numerele chem torului i al chematului, - momentul i locul (identificarea celulei) în care s-a ini iat apelul, - durata apelului etc.

Registrul de cas al localiz rilor, HLR, reprezint baza de date a unui sistem GSM privitoare la abona ii acestuia. Înregistr rile în cauz cuprind informa ii referitoare la identificarea, localizarea i autentificarea acestora, la serviciile permise etc. Pentru identificarea abona ilor se utilizeaz numere unice interna ionale, denumite identitatea interna ional a abonatului mobil, IMSI(International Mobile Subscriber Identity) i, respectiv, num r ISDN de abonat mobil, MSISDN (Mobile Subscriber ISDN).

Registrele de localizare a vizitatorilor, VLR, sunt repartizate câte unul fiec rui MSC i, conform denumirii, con in înregistr ri privind fiecare abonat deservit curent de MSC-ul în cauz . Aceste înregistr ri sunt copii ale înregistr rilor originale, înmagazinate în registrul de cas al localiz rilor, HLR, isunt men inute în VLR atât timp cât abona ii respectivi se g sesc în aria deservitde MSC-ul corespunz tor. Informa iile acestea sunt folosite în scopul verific rii drepturilor ori de câte ori abona ii în cauz ini iaz apeluri, reducând astfel schimbul de informa ii între MSC i HLR. Odat cu trecerea unei sta ii mobile într-o arie de acoperire a unii alt MSC, VLR-ul corespunz tor acestuia î i face o copie de rigoare, iar copia din VLR-ul aferent MSC-ului p r sit este tears .

BSS

MS

PSTN

VoIP Net

MSC G-MSC

SMSC

VLR

HLR AuC

VLR

Interfa aer

Interfa E

Interfa C

Interfa D

PLMN

MSMS MS

BSS

Semnalizare SS7

Figura 2.6.2: Componentele i interfe ele subsistemului re ea NSS MSC – Mobile Switching Center; G-MSC – Gateway MSC; SMSC – Short Message

Service Center; VLR – Visitor Location Register; HLR – Home Location Register;AuC – Authentication Center; PLMN – Public Land Mobile Network; VoIP – Voice over IP;

BSS – Base Station Subsystem; MS – Mobile Station


Identitatea interna ional a abonatului mobil, IMSI, este înregistratatât în HLR cât i în cardul SIM (Subscriber Identity Module) al abonatului i are structura prezentat în figura 2.6.3, elementele componente reprezentând:

- codul MCC (Mobile Country Code) al rii alocat pentru sisteme mobile –ce precizeaz ara de reziden a abonatului (de exemplu: 310 pentru SUA, 208 pentru Fran a etc.);

- codul MNC (Mobile Network Code) al re elei mobile – precizeaz re eaua re edin ei, fiind necesar pentru a decela între mai mul i operatori care folosesc sistemul GSM;

- num rul MSIN (Mobile Subscriber Identification Number) de identificare a abonatului, care identific în mod unic abonatul în cadrul re elei de reziden .

Num rul ISDN de abonat mobil are o lungime de pân la 15 cifre irespect Recomand rile ITU-T E163/164, având urm torul con inut:

- codul rii, CC (Country Code), compus din 1-3 cifre, acela i ca i în cadrul re elelor fixe (de exemplu, +40 pentru România, +1 pentru SUA),

- codul na ional al destina iei solicitate, NDC (National Destination Code),care identific operatorul de re ea (de exemplu 72 pentru Vodafone, 74 pentru Orange, 76 pentru Cosmote etc.),

- num rul abonatului, SN (Subscriber Number), care este unic în re ea. Stabilirea a dou posibilit i de identificare a unui abonat, prin IMSI sau MSISDN, a avut în vedere urm toarele:

- pentru realizarea localiz rii inclusiv în caz de roaming, o dat activat telefonul mobil, IMSI este citit în SIM i trimis MSC-ului care, pe baza codurilor MCC i MNC, afl re eaua de re edin i emite HLR-ului corespunz tor o cerere de emitere a unei copii dup înregistrarea privitoare la abonatul în cauz ;

- schimbarea sau suplimentarea numerelor MSISDN p strând acelea iIMSI, în fapt, aceea i cartel SIM;

- utilizarea unui sistem de numerotare cu care utilizatorii s-au obi nuit deja în re elele fixe de telefonie. Pe lâng cele dou referin e prezentate mai sus, identificarea abona ilor se face i prin identitatea temporar a abonatului mobil TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Aceasta este o identitate alocat temporar ischimbat periodic, dup o prim identificare a abonatului prin IMSI, o dat cu intrarea în re ea, necesar asigur rii anonimatului abonatului mobil atâta timp cât el folose te re eaua. O alt categorie important de informa ie con inut în HLR o reprezintlista i definirea serviciilor permise. Sistemul GSM pune la dispozi ie o serie de servicii de baz i suplimentare, care pot fi activate sau nu prin în elegeri între abona i i operator i configurate de cele mai multe ori prin intermediul meniului, fiecare comand reprezentând în fapt un ir de caractere transmis re elei sub

IMSI (15 cifre maximum)

MCC MNC MSIN 3 2-3

Figura 2.6.3: Identitatea interna ional a abonatului mobil, IMSI


forma unui mesaj nestructurat de date pentru servicii suplimentare USSD (Unstructured Supplementary Service Data). Codurile pentru asemenea mesaje se g sesc în standardul 3 GPP TS22.030 (de exemplu, transferul apelului când terminalul este ocupat c tre num rul 0726 xxx xxx se activeaz prin tastarea irului 67#0726 xxx xxx i ap sarea tastei call).

Serviciile de baz i câteva dintre cele suplimentare oferite de sistemul GSM sunt enumerate în tabelul 2.6.2.1 i respectiv tabelul 2.6.2.2.

Tabelul 2.6.2.1: Servicii de baz GSM Serviciu Descriere

Telefonie permite utilizatorului folosirea terminalului în vederea stabilirii de leg turitelefonice; acest serviciu poate fi restric ionat par ial ca urmare a activ riiunor servicii suplimentare (tabelul 2.6.2)

SMS permite comunicarea prin intermediul mesajelor scurte de tip text Serviciulde date

permite transferul de date în modul comuta ie de circuite la viteze de 2.4, 4.8, 9.6 i 14.4 kbit/sec

Fax permite schimbul de mesaje scrise cu terminale din re ele fixe sau mobile

Tabelul 2.6.2.2: Sumar al servicii suplimentare GSM Serviciu Descriere (în caz de activare i configurare)

Redirec ionare necondi ionata apelului CFU (Call Forward Unconditional)

toate apelurile de sosire vor fi orientate c trenum rul specificate f r nici o avertizare chiar icând terminalul în cauz este func ional i disponibil

Redirec ionare în caz de ocupat CFB (Call Forward Busy)

apelurile care sosesc în momentele în care terminalul este angajat într-un apel vor fi îndreptate spre num rul specificat la configurarea serviciului

Redirec ionare în lipsa r spunsului CFNR (Call Forward No Realese)

apelurile de intrare care nu sunt preluate într-un anumit interval de timp prestabilit sunt redirijate c tre destina ia de rezerv

Redirec ionare în caz de indisponibilitate CFNR (Call Forward Not Reachable)

redirec ionarea apelului când sta ia mobil nu este în leg tur cu re eaua (în afara ariei de acoperire sau închis )

Restric ionarea tuturor apelurilor de ie ire BAOC (Barring of AllOutgoing Calls)

serviciul este activat de exemplu de operatorul re elei în cazul neachit rii la timp a facturii telefonice

Restric ionarea tuturor apelurilor de intrare BAIC (Barring of AllIncoming Calls)

aceea i func ie oferit de BAOC, dar privind apelurile de intrare

Apel în a teptare CW (CallWaiting)

informarea abonatului angajat într-o comunicare despre sosirea unui nou apel

Apel în men inere HOLD (call Hold)

permite acceptare apelului în a teptare icomutarea între acesta i cel aflat deja în desf urare

Prezentarea identit ii liniei chem toare CLIP (Calling LineIdentification Presentation)

identitatea abonatului chem tor este prezentat pe ecranul sta iei mobile de destina ie

Neprezentarea identit ii liniei chem toare CLIR (Calling LineIdentification Restriction)

identitatea abonatului chem tor nu este prezentatpe ecranul sta iei mobile de destina ie


Centrul de autentificare, AuC, este o alt component a subansamblului re ea, NSS, strâns legat de HLR, care de ine copiile cheilor individuale, ale sta iilor mobile, Ki, înregistrate în cartelele SIM. Cu ajutorul acestor chei secrete, ce sunt inaccesibile unei interog ri a cartelei SIM, se execut o autentificare a utilizatorilor i se previne astfel substituirea frauduloasa abona ilor în majoritatea opera iilor din re ea, precum este de exemplu stabilirea unui apel. Procesul de autentificare este ini iat o dat cu stabilirea unei conexiuni de semnalizare între o sta ie mobil i re ea, înainte ca o anumit cerere s fie finalizat . În primul rând, pe baza informa iei nesecretizate de identificare a abonatului (IMSI i/sau MSISDN), MSC-ul, în a c rui arie de acoperire se aflMS-ul în cauz , cere de la HLR/AuC urm toarele informa ii de autentificare:

- RAND – num r aleatoriu pe 128 bi i, generat pentru a stabili SRES, - SRES (Signed Response) – r spunsul semnat ob inut prin aplicarea

unui algoritm de autentificare, de exemplu A3, care are ca date de intrare Ki i RAND,

- Kc – cheia de secretizare a conexiunii prin interfa a aer în caz de autentificare, ob inut tot pe baza Ki i RAND.

În al doilea rând, MSC-ul trimite sta iei mobile un mesaj de cerere de autentificare, ce con ine RAND, acesta fiind extras la recep ie folosindu-se cheia din SIM. Cu acela i algoritm de identificare se ob ine i r spunsul semnat SRES, care este transmis MSC-ului printr-un mesaj de r spuns la cererea de autentificare. În final, prin compararea celor dou r spunsuri semnate, MSC permite, în caz de identitate, desf urarea serviciului dorit. O nou cerere de serviciu va fi precedat de acela i mecanism de autentificare, generând desigur în centrul de autentificare un nou num r RAND, f când astfel f r rost o eventualinterceptare a SRES în vederea utiliz rii frauduloase a acestuia.

Centrul serviciului de mesaje, SMSC, ultima component a subsistemului NSS ce va fi prezentat , este destinat, în principal, schimbului de mesaje text între abona i. În plus, el particip i la informarea abona ilor privind mesajele de email recep ionate sau apelurile dirijate c tre c su a vocal (vezi mail system). În toate cazurile, mesajele respective sunt trimise în re ea prin intermediul canalelor de semnalizare, a a cum este ilustrat i în figura 2.6.2. Pe lâng text, un mesaj SMS con ine i num rul MSISDN al destina iei precum iadresa centrului SMSC, memorat în SIM, la care acesta este arondat i de unde acesta poate prelua mesajul. Prin urmare, mesajele primite în prim faz de c tre MSC-uri, în vederea livr rii, sunt transferate de c tre acestea MSC-urilor corespunz toare pe baza respectivelor adrese. Adresele sunt unice la nivel global, ceea ce permite transferuri interna ionale f r în elegeri prealabile. În urma primirii mesajelor, centrele SMSC caut s le distribuie la destinatari. În acest scop, se intereseaz , aflând de la HLR, c ruia îi furnizeaznum rul MSISDN, care MSC a înregistrat ultima dat în aria sa de acoperire sta ia mobil corespunz toare i trimite acestuia mesajul în cauz . O datrecep ionat, MSC-ul încearc s se conecteze la MS i s -i livreze SMS-ul. În caz de reu it , MSC în tiin eaz SMSC despre acest eveniment, pentru ca


acesta s tearg copia temporar a mesajului. În caz de nereu it (terminal închis, baterie slab sau leg tur pierdut cu re eaua) MSC terge mesajul primit i activeaz în înregistrarea abonatului respectiv, din VLR i HLR, fanionul mesaj

în a teptare. În continuare, la prima comunicare a MS-ului cu MSC, acesta din urm verific fanionul: dac este activ îl dezactiveaz i comand în SMSC o nou retransmisie. Duplicarea fanionului mesaj în a teptare, în VLR i HLR, este necesar pentru a rezolva i situa ia în care la recep ia SMS-ului în SMSC, abonatul era localizat în aria de acoperire a unui anumit MSC, dar nefiind accesibil în acel moment i f cându- i ulterior apari ia în re ea în alt arie de acoperire, deci la alt MSC; acesta din urm f cându- i o copie dup înregistrarea abonatului, afl i despre faptul c acesta trebuie s primeasc un SMS.

2.6.2.2 Subsistemul sta iilor de baz Sistemul GSM utilizeaz în re eaua de acces, func ie de versiune, diverse benzi de frecven e. Spectrul pentru varianta GSM900 este prezentat în figura 2.6.4, în care "uplink" i "downlink" sunt no iuni care denumesc leg turile radio în sensul ascendent (dinspre terminal spre sta ia de transmisie) i respectiv invers în sensul descendent.

Aceste leg turi radio se stabilesc utilizând o interfa specializat ,denumit interfa aer (air interface) sau interfa Um, care permite stabilirea simultan a mai multor conexiuni, apelând la dou tehnici de multiplexare:

- multiplexarea în frecven , FDMA, prin stabilirea unui num r de 125 (practic sunt doar 124) canale de radio frecven , a câte 200 kHz fiecare;

- multiplexarea în timp, TDMA, prin organizarea transmisiunii numerice pe fiecare canal radio, a a cum este prezentat în figura 2.6.5.

Cadrul GSM-TDMA dureaz 4,615 msec i este alc tuit din 8 intervale temporale, acela i interval din cadre succesive fiind utilizat pentru o anumitconexiune, terminalul mobil transmi ând doar în acele intervale, de unde denumirea de burst sau rafal .

890

câte 125 canale de radio frecven

f915 935 960 MHz

uplink downlink

Figura 2.6.4: Spectrul de frecven e în GSM 900

Burst: 0,577 msec

Cadrul TDMA (4,615 msec)5 6 7 1 2 3 4 5 6 70 10 2 t

Guard time Tail Data S Training

sequence S Data Tail Guard time

Figura 2.6.5: Cadrul GSM-TDMA


Fiecare transmisie este precedat i urmat de un câmp de protec ie(guard time), care este necesar pentru a se evita suprapunerea semnalelor recep ionate de sta ia de transmisie/recep ie de la MS-urile inegal dep rtate de aceasta. Astfel, func ie de intervalul de proximitate în care se g sesc MS-urile, ceasurile lor se potrivesc diferit (figura 2.6.6), printr-o procedur numit timing advance control care poate controla pân la 64 intervale. În afar de câmpul de protec ie, burst-ul propriu-zis cuprinde:

- dou câmpuri, numite tail, necesare sincroniz rii i citirii corecte a con inutului (3 bi i),

- un num r de 114 bi i de date (Data), egal împ r i i în dou câmpuri, - o secven de antrenare (training sequence), cu con inut fix,

necesar adapt rii recep iei la condi iile de transmisie (26 bi i),- doi bi i, nota i S (stealing bits), care precizeaz dac informa ia din

câmpurile de date apar ine utilizatorului sau sunt destina isemnaliz rilor de urgen , ca de exemplu pentru handover.

Succesiunea aceluia i interval pe parcursul cadrului GSM-TDM alc tuie te un canal fizic. Dat fiind nevoia de un num r de canale mult mai mare decât cele fizice, pentru îndeplinirea func iilor aferente interfe ei, cadrele GSM-TDM sunt grupate pe principiul utilizat în PSTN, pentru interfa a E1, în multicadre a c ror structur general este prezentat în figura 2.6.7. Canalele logice astfel implementate se împart în dou categorii, i anume canale dedicate i canale comune.

Canalele dedicate sunt destinate unui singur utilizator (conexiune) iconstau în câteva tipuri distincte, dup cum urmeaz :

- canale de trafic TCH (Traffic Channel) – folosite pentru transmiterea semnalelor numerice, vocale cu debite în jurul a 13 kbit/sec, sau de date cu un debit de pân la 14,4kbit/sec. Aceste valori au fost stabilite prin corelarea caracteristicilor transmisiei radio (band , atenu ri, zgomot, reflexii etc.) cu cele ale serviciilor oferite (fidelitate în reproducerea semnalului vocal, corectitudinea în transferul de dare), restul de band fiind rezervat controlului erorilor.

- canale de control cu alocare rapid FACCH (Fast Associated Control Channel) – sunt de fapt canale de trafic, utilizate temporar pentru semnaliz ri de urgen .

x i y - sta ii mobile

sta ia de transmisie/recep ie

550 m

Zon cu aceea i potrivire a ceasurilor din sta iile mobile

Interval de proximitate t

t-ft-2f

t-3f

xy

O

Figura 2.6.6: Potrivirea ceasurilor în celule GSM


Figura 2.6.7: Repartizarea intervalelor temporale pentru direc iadownlink (3GPP TS 45.002)


- canale de control cu alocare lent SACCH (Slow Associated ControlChannel) – în direc ia uplink, sunt folosite pentru informarea re elei cu privire la calitatea semnalului recep ionat de terminalul mobil (sta ia mobil ) de la sta iile de transmisie/recep ie ale celulei cu care este angajat i ale celulelor vecine, în vederea lu rii deciziilor cu privire la handover i la controlul puterii de emisie. În direc ia downlink, se transmit prin canale SACCH frecven ele canalelor vecine ise comand puterea de transmisie a sta iei mobile. În plus, tot prin aceste canale, se schimb informa ia aferent comenzii avans rii ceasului de transmisie, ce este necesar evit rii suprapunerii la recep ie

- canale de control de sine st t toare SDCCH (Standalone DedicatedControl Channel) – destinat semnaliz rilor legate de stabilirea unui apel, pâncând nu i se aloc acestuia un canal de trafic, sau de alte proceduri, precum reactualizarea localiz rii i transmiterii/recep ion rii mesajelor de tip text SMS(Short Message Service), în fapt un serviciu limitat de transmiterea pachetelor prin interfa a radio, precursor al serviciului GPRS (General Packet Radio Service).

Canalele comune sunt destinate monitoriz rii tuturor sta iilor mobile din celul i constau în:

- canalul de sincronizare SCH (Synchronization Channel) folosit de sta iile mobile în faza de c utare a re elei i a celulei,

- canalul de ajustare a frecven ei FCCH (Frequency Correction Channel) folosit de sta iile mobile pentru a- i regla blocul de transmisie i pentru a detecta începutul multicadrului,

- canalul de difuzare a comenzii comune BCCH (Broadcast Control Channel) folosit pentru transmiterea mesajelor SYS.INFO ce sunt recep ionate de toate sta iile mobile în func iune i care con in, printre altele, i informa iiprivind codul ariei de localizare LAC (Location Area Code) i identitatea celulei (cell ID) sau frecven ele utilizate în celulele vecine pentru simplificarea c ut rilor sta iilor transmi tor/receptor din respectivele celule,

- canalul de c utare PCH (Paging Channel) folosit pentru a semnala terminalelor în repaus sosirea cererilor de conexiune sau a mesajelor SMS,

- canalul cu acces aleatoriu RACH (Random Access Channel), unicul canal comun în direc ia ascendent , uplink, prin care sta iile mobile concureazpentru trimiterea de SMS-uri sau pentru angajarea unor canale SDCCH, în vederea desf ur rii semnaliz rii legate de apelurile de intrare, semnalate prin canalul de c utare (PCH) sau de ini iere de noi apeluri. Fiind un acces aleatoriu, coliziunile se rezolv prin detectarea lipsei r spunsului din partea sta iei de transmisie/recep ie i retransmiterea dup un timp fixat de fiecare sta ie mobil ,în mod aleatoriu, ceea ce reduce considerabil ansa coliziunii la o nouîncercare.

- canal de oferire a accesului AGCH (Access Grant Channel) utilizat pentru a informa sta ia mobil în privin a identit ii canalului SDCCH sau TCH, în anumite situa ii, care îi este repartizat pentru a continua semnalizarea.

Spre exemplificare, figura 2.6.8 prezint modul de utilizare a canalelor RACH, AGCH i SDCCH în vederea stabilirii unei conexiuni de semnalizare între o sta ie mobil i re ea. Mai mult, figura 2.6.8 pune în eviden dou componente


ale subsistemului sta iei de baz : sta iile de transmisie/recep ie de baz BTS(Base Transceiver Station), care reprezint mijlocul de conectare la re ea a sta iilor mobile, i controlerul sta iilor de baz BSC (Base Station Controller), ce constituie elementul de comand care particip în stabilirea, men inerea ieliberarea tuturor conexiunilor în care sunt implicate sta iile mobile aflate în celulele subordonate.

Prin urmare, detaliind structura subsistemului sta iilor de baz , aceasta se prezint ca în figura 2.6.9 unde este eviden iat împ r irea atât în arii de localizare, la nivel de ansamblu, cât i în sectoare, la nivel de celule. Definirea ariilor de localizare, care pot cuprinde între 20 i 30 de celule, are rolul de a reduce cantitatea informa iilor de semnalizare necesare inform rii MSC-ului cu privire la localizarea sta iilor mobil. Divizarea celulei în 2 sau 3 sectoare urm re te cre terea capacit ii unei sta ii de baz care, în acest fel, poate fi înzestrat cu mai multe transmi toare/receptoare, orientate fiecare c tre un sector anume.

MS BTS BSC RACH: ChannelRequest ChannelRequired

ChannelActivation (SDCHH x)

ChannelActivationAck

ImmediateAssignment(SDCHH x)

AGCH:ImmediateAssignment(SDCHH x)

SDCHH x: …

BSSFigura 2.6.8: Stabilirea conexiunii de semnalizare

BSC

Arie de localizare "y" Sta ie de baz

Sector

Interfa A bis

Arie de localizare "x"

Figura 2.6.9: Componentele subsistemului sta iilor de baz


Tema 2.6.2 Stabili i banda total oferit de un canal TCH. Dar de un canal BCCH? Dar de un canal PCH? Dar de un canal SDCCH?

* * * Comunicarea dintre un ansamblu de sta ii de baz i controlerul aferent

se realizeaz prin interfa a A-bis, în mod frecvent o leg tur de tip E-1 alc tuitdin 32 de circuite cu capacitatea de 64 kbit/sec. În consecin , dat fiind modul de organizare al transmisiei în interfa a aer, toate canalele comune destinate semnaliz rilor sunt transmise folosind, în interfa a A-bis, unul sau mai multe circuite, controlul transferului f cându-se prin intermediul protocolului LAP-Dm(Link Access Protocol on channel D for mobile), versiune cu mici modific ri a omologului s u din re elele fixe ISDN.

În privin a canalelor de trafic din interfa a aer, care utilizeaz o band de 13kbit/sec, acestea sunt multiplexate câte 4 într-un circuit din interfa a A-bis. Astfel, de exemplu, o sta ie de baz care deserve te o celul compus din 3 sectoare (figura 2.6.9), fiecare cu câte 2 canale radio (purt toare) va utiliza în interfa a radio, pentru semnaliz ri, primele dou intervale ale unui singur canal radio, restul de )2823( intervale temporale fiind destinate traficului, ceea ce revine la utilizarea în interfa a A-bis a unui interval temporal pentru semnaliz rii 12 intervale temporale pentru trafic (figura 2.6.10).

Tema 2.6.3 Stabili i num rul maxim de canale de trafic pe care le poate suporta o sta ie de baz dac num rul de celule care alc tuiesc o macrocelul este 7. Dar dac este 9 ?

* * * În aceste condi ii, în interfa a A-bis r mân circuite libere ce pot fi utilizate

pentru a interconecta BSC cu alte sta ii mobile într-o configura ie de tip înl n uit (daisy chained), a a cum este precizat i în figura 2.6.9.

Revenind la con inutul figurii 2.6.8, ini ierea unui apel de ie ire debuteaz cu o cerere de canal de semnalizare (channel request) emis ieventual repetat pe canalul cu acces aleatoriu RACH c tre BSC via BTS. Ca urmare a interpret rii, controlerul verific dac este disponibil un canal de sine st t tor SDCCH. În caz afirmativ, se activeaz respectivul canal în sta ia de

Canal radio i1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 70

Canal radio i+1

0 31

1/4 E1 time slot

LAP-D time slot

BCCH, DCH, AGCH, SDCCH

etc.

1 25 6 7 0

Figura 2.6.10: Asocierea intervalelor temporale din interfa a A-bis


baz , iar apoi, dup ce prime te confirmarea de activare, controlerul informeazsta ia mobil prin canalul de oferire acces AGCH cu privire la num rul canalului SDCCH atribuit, prin care acesta urmeaz o comunicare cu MSC-ul.

În sensul invers al apelurilor de intrare (referin a fiind sta ia mobil ), BSC-ul prime te de la MSC un mesaj de c utare (paging message) care con ine identitatea sta iei mobile apelante, precum i identitatea ariei de localizare (figura 2.6.9) în care este localizat abonatul la momentul respectiv. Identitatea ariei de localizare îi permite BSC-ului s ini ieze c utarea în celulele corespunz toare, r spunsul provenindu-i printr-o anumit BTS care precizeazidentitatea celulei. În continuare, schimbul de mesaje se desf oar în mod asem n tor cazului anterior, pân când BSC-ul intr în leg tur direct cu sta ia mobil în cauz . Imediat ce este atribuit canalul SDCCH, centrul de comuta ie MSC emite c tre BSC o cerere de rezervare a unui canal de trafic.

În figura 2.6.11, pe lâng acest mesaj, sunt precizate toate celelalte care conduc ca finalizarea acestui demers. Astfel, BSC verific dac în celula respectiv exist un canal de trafic disponibil i, în caz afirmativ, urm re te activarea lui în sta ia de baz . Odat activat canalul de trafic, MS-ul comut pe acest canal, considerat de el ca fiind de tip FACCH, prin intermediul c ruia comunic cu BTS, folosind mesaje de tip HDLC (vezi paragraful 2.5), pentru a cerceta corectitudinea leg turii cu aceasta. Se transmite apoi mesajul de finalizare a aloc rii c tre BSC, care la rândul s u informeaz MSC-ul, în aceastprivin .

Unitatea BSC este implicat i în men inerea apelului, sta ia mobilputând traversa mai multe celule pe durata acestuia. În astfel de situa ii, BSC-ul

MS BTS BSC

FACCH: SABM

ChannelActivation (TCH)

BSSMAP: AssignmentRequest(TCH)

MSC

ChannelActivationAck

FACCH: UA

FACCH: AssignmentComplete BSSMAP:

AssignmentComplete

Release of the SDCCH

SDCCH: AssignmentCommand(frequency, timeslot)

Existing signaling connection for call establishment

Figura 2.6.11: Atribuirea canalelor de trafic (SABM – Set Asynchronous Balance Mode; UA – Unnumbered Acknowledgement)


trebuie s reconfigureze calea de acces a sta iei mobile, iar procedura folosit cu aceast ocazie poart numele de handover. Acest demers ia în considerare m sur tori periodice privind calitatea semnalelor prin interfe ele radio ale re eleide acces. Astfel, m surarea i rapoartele privind calitatea transmisiei revine BTS-ului în sens ascendent (uplink), care ia în considerare toate canalele folosite, i MS-ului în sens descendent (downlink). MS-ul vizeaz atât celula curent , cât i alte celule, poten ial candidate pentru a prelua apelul, informarea MSC-ului privind respectivele frecven e f cându-se de re ea pe durata apelului prin canal SACCH, utilizat i de MS-uri pentru a da rapoartele m sur torilor.

Pe baza acestor rapoarte, primite de la MS-uri, BSC evalueaz periodic necesitatea ini ierii procedurii de handover, care const în schimbul de mesaje iac iunile aferente, prezentate în figura 2.6.12. Astfel, BSC activeaz un canal de trafic, TCH, în noua celul care urmeaz a prelua apelul în cauz . Odat ce TCH este activat, BCS informeaz MS printr-un mesaj de comand handover transmis

MS BTS (old) BSC

ChannelActivation(TCH)

HandoverAccess

MSC

Existing connection BSC make handover decision

ChannelActivationAcknowledge

HandoverCommand

EstablishIndication

BTS (new)

(ARFCH,TS)

FACCH: HandoverCommand

(ARFCH,TS)

FACCH: UA

FACCH: SABM HandoverPerformed

HandoverAccess

HandoverAccess

HandoverAccess

Figura 2.6.12: Procedura de handover


prin FACCH, cu privire la noul TCH alocat, precizat prin identitatea canalului radio ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number) i intervalul temporal TS (Time Slot), pe care acesta comut i trimite noii sta ii BTS mesajul handover de acces, repetat de 4 ori, urmat în final de verificarea corectitudinii leg turii (vezi figura 2.6.12).

Informat de noul BTS c opera iunea s-a desf urat cu succes (EstablishIndication) BSC redirec ioneaz apelul c tre noua celul dupcare elibereaz canalul de trafic p r sit i încheie procedura de handover, informând i MSC-ul cu privire la aceasta.

Procedura de handover descris anterior este valabil atâta timp cât MS-ul se afl în aceea i arie de localizare (vezi figura 2.6.9), despre care are cuno tin i subsistemul re ea (HLR, VLR).

Atunci când sta ia mobil trece dintr-o arie de localizare într-alta are loc o procedur de actualizare a ariei de localizare, conform cu diagrama din figura 2.6.13. Procedura este ini iat de sta ia mobil care este informatcontinuu prin canalul BCCH, atât în privin a identit ii celulei, cât i a ariei de localizare.

Situa ia devine ceva mai complex atunci când se trece de la o arie de localizare la alta schimbându-se i MSC-urile aferente acestora. În acest caz se desf oar o procedur numit actualizarea între MSC-uri a localiz rii (InterMSC Location Update), în care noul MSC are sarcina s informeze HLR-ul. Acesta î i va împrosp ta informa ia de localizare i va comanda tergereainforma iilor expirate din VLR-ul vechiului MSC.

Pe lâng BTS i BSC, subsistemul sta iilor de baz BSS mai incorporeaz o component necesar convertirii fluxurilor transferate prin

MS BTS BSC MSC

Existing connection on SDCCH channel

LocationUpdateRequest

ConnectionConfirmed

UA:AckFrame

Authentication & Encryption Procedure

TMSI ReallocationCommand

LocationUpdateAccept

TMSI ReallocationCompletion

Figura 2.6.13: Procedura de actualizare a localiz rii


interfa a radio, cu datele de 13 kbit/sec sau 7 kbit/sec, în fluxuri de 64 kbit/sec caracteristice subsistemului re ea NSS i reciproc. Aceast component , inclusîn figura 2.6.14, se nume te unitatea de adaptare a datelor i transcodare TRAU (Transcoding and Rate Adaptation Unit).

2.6.2.3 Controlul apelurilor Sistemul GSM permite realizarea apelurilor atât între sta iile mobile, cât iîntre acestea i terminalele re elelor fixe de telefonie [46]. Sta iile mobile ca iterminalele din re elele fixe sunt identificate, din punctul de vedere al utilizatorilor (abona ilor) prin intermediul unor numere ISDN. Dac în cazul re elelor fixe num rul ISDN format de chem tor este suficient i pentru operator pentru a orienta apelul c tre chemat, în cazul re elelor mobile acest lucru nu mai este posibil, sta iile mobile schimbându- i continuu loca ia, la nivel na ional sau chiar interna ional. În consecin , se folose te un indicator suplimentar, numit num rul de c l torie al sta iei mobile MSRN(Mobile Station Roaming Number), în fapt tot un num r de tip ISDN. Acesta este un num r temporar, unic în re eaua utilizat , ce este fixat de VLR-ul în care este înregistrat în acel moment sta ia mobil . Primele dou p r i ale MSRN se folosesc pentru rutarea apelului în re eaua vizitat spre MSC-ul destina ie. Pentru fixarea numerelor MSRN se pot folosi dou procedee, ce se descriu în continuare.

Stabilirea MSRN la actualizarea localiz rii: numerele MSRN sunt centralizate în HLR, de unde sunt preluate de fiecare dat când are loc ini ierea unui apel. Secven a principal de mesaje schimbate în vederea rut rii unui apel c tre un abonat mobil este prezentat în figura 2.6.15. Procedura debuteaz cu transmiterea c tre G-MSC a unui mesaj ini ial de adres IAM (Initial Address Mesage) din componenta (partea) sistemului nr.7

BTS

Interfa A-bis

BSC TRAU MSC

FR (~13 kbit/sec); EFR (~13 kbit/sec); HR (~7 kb/s)

1 x E-1Interfa E

PCM (64 kbit/sec)

BSS NSS

Figura 2.6.14: Unitatea de adaptare debite i transcodare BSS - Base Station Subsystem; NSS - Network Subsystem; FR - Full Rate codec;

EFR - Enhanced Full Rate codec; HR – Half Rate codec.

V-MSC HLR G-MSC PSTN/PLMN IAM (MSISDN)

SRI(MSISDN)

IAM (MSRN)

SRI Ack

Figura 2.6.15: Schimbul de mesaje pentru rutarea apelurilor c tre sta iile mobile– fixarea MSRN-urilor la actualizarea localiz rii –


de semnalizare, destinat utilizatorilor de tip ISDN (ISDN-IAM), care con ine MSISDN-ul în cauz . La recep ia acestui mesaj, G-MSC comunic cu HLR, prin intermediul unor mesaje de trimitere a informa iei de rutare SRI (Service RoutingInformation), în vederea ob inerii MSRN-ului, pe baza c ruia stabile te ruta, ce poate fi direct sau indirect , pân la MSC-ul în a c rui arie de acoperire se aflMS-ul c utat, de unde i denumirea de MSC vizitat, trimi ându-i acestuia un IAM cu respectivul MSRN.

Stabilirea MSRN în caz de apel – HLR trebuie s de in în dreptul fiec rui abonat cel pu in o informa ie privitoare la identitatea VLR-ului curent. Pe baza acestei informa ii, în caz de interogare în vederea rut rii, HLR-ul comuniccu VLR-ul în cauz de la care afl MSRN-ul dorit, fixat de VLR cu aceast ocazie (figura 2.6.16). Aceast ac iune se desf oar prin intermediul mesajelor de furnizare a num rului de roaming PRN (Provide Roaming Number).

Tema 2.6.4 Compara i cele dou procedee de fixare a numerelor MSRN din punct de vedere al volumului de trafic aferent semnaliz rilor corespunz toare i al vitezei de r spuns.

* * * Odat ce MSRN este fixat, procedura de stabilire a apelului de partea chematului mobil (terminating / incoming call) continu cu c utarea acestuia în aria de localizare curent , trimi ând mesaj de paging BSC-ului responsabil, care con ine TMSI-ul i identificatorul ariei de localizare LAI (Location AreaIdentity) alc tuit din MCC, MNC i LAC . În consecin BSC interogheaz fiecare BTS arondat, afl , prin r spunsul sta iei mobile, unde se g se te aceasta (la care BTS este legat ) i trimite în final VLR-ului informa ia de localizare. Urmeazstabilirea conexiunii de semnalizare cu MSC-ul curent care îi semnaleaz sosirea unui apel prin intermediul mesajului Setup, care poate con ine, de exemplu, num rul de telefon al apelantului. În caz de acceptare, MS trimite un mesaj de confirmare apel (care confirmed) în urma c ruia se trece la stabilirea unui canal de trafic. Dupstabilirea acestui canal, sta ia mobil activeaz soneria (ringing) informând astfel MSC-ul care la rândul lui înainteaz c tre G-MSC aceast informa ie cu ajutorul mesajului de adresare finalizat ACM (Address Complete

V-MSC HLR G-MSC PSTN/PLMN IAM (MSISDN)

SRI (MSISDN)

IAM (MSRN)

PRN Ack (MSRN)

PRN (IMSI)

SRI Ack (MSRN)

Figura 2.6.16: Schimbul de mesaje pentru rutarea apelurilor c tre sta iile mobile– fixarea MSRN-urilor în caz de apel –


Message), .a.m.d. pân la indicarea alert rii la sursa apelului, prin ring back signal. La ap sarea tastei de r spuns, MS-ul trimite în re ea mesajul Answer,tradus de MSC într-un mesaj ISUP de r spuns ANM (Answer Message) care, prin propagare din aproape în aproape conduce la stabilirea efectiv a apelului, la starea Active Call.

MS BTS BSC MSC IAM (MSRN) Page MS

(TMSI, LAI) Paging (TMSI)Paging (TMSI)

Establishment of Signaling Connection

Authentication and CipheringSetup

Call confirm

Establishment of Speech Channel

Alerting

AnswerACM

ANM

Active Call

Figura 2.6.17: Stabilirea apelului - de partea abonatului mobil chemat

MS BTS BSC MSC

Auth.PasaReg (IMSI)

Establishment of Signaling Connection

Authentication and Ciphering

SetupIndication (TMSI, LAI)

Active Call

Auth. Info.(IMSI,Kc,RAND,SRES)Setup

Call Proceeding IAM

Establishment of Speech Channel

Alert

Connect

ACM

ANS

Figura 2.6.18: Stabilirea apelului - de partea abonatului mobil chem tor


Diagrama prezentat în figura 2.6.17 con ine i restul activit ilor ischimbul de mesaje premerg toare acestei st ri. În ceea ce prive te stabilirea apelului de partea chem torului mobil (originating/outgoing call) figura 2.6.18 prezint schimbul corespunz tor de mesaje. Astfel, la început se stabile te o conexiune de semnalizare între MS i MSC, ca o consecin a transmiterii mesajului Setup Indication. Urmeaz apoi autentificarea iactivarea procedurii de secretizare, dup care MSC(VLR) se informeaz de la HLR în privin a serviciilor pe care abonatul chem tor este autorizat s le cear . Odat secretizat transmisia prin interfa a radio, MS trimite mesajul Setup care con ine adresa abonatului chemat. Recep ia de c tre MSC a acestui mesaj este confirmat prin mesajul Call Proceeding dup care sta iei mobile i se aloc un canal de trafic, ce precizeaz c apelul este în lucru, cererea de conexiune fiind semnalat mai departe printr-un mesaj IAM. La recep ia mesajului de r spuns ACM, MSC-ul comand sta iei mobile prin canalul de trafic, stabilit între timp, s indice abonatului chem tor, audo-vizual, c abonatul chemat este selectat. Urmare a ap s rii de c tre chemat a tastei de confirmare, MSC-ul prime te mesajul ANS i transmite MS-ului apelant mesajul Connect, ajungându-se astfel în starea Active Call. În privin a termin rii (finaliz rii) unui apel, lucrurile se petrec conform diagramei din figura 2.6.19. Se folosesc pentru aceasta:

- la nivelul interfe ei radio: mesajele Disconnect, Release iReleaseCompleted, urmate, în final, de eliberarea canalului de trafic corespunz tor, - la nivelul re elei, între centrele de comuta ie implicate: mesajele ISUP, ianume: REL (Release) i RLC (ReleaseConfirm). În paralel, informa ia de taxare este comunicat HLR-ului, atât în cazul abonatului chem tor, cât i în cazul abonatului chemat atunci când acesta nu se g se te în re eaua PLMN de origine (taxare de roaming).

2.6.2.4 Sta ia mobil i cardul SIM Arhitectura de baz a sta iilor mobile este prezentat în figura 2.6.20. Se poate observa c piesa central este procesorul în band de baz BBP (Base

MS BSS/MSC

Disconnect Active Call

REL Release

RLC

ReleaseCompleted

RegisterChargingInfoHLR

ChargingInfoAck

Figura 2.6.19: Încheierea apelului - de partea abonatului mobil chem tor


Band Processor) dotat cu o unitate central de procesare RISC (Reduced Instruction Set Controller), ce folose te un set restrâns de instruc iuni, i un procesor de semnal digital DSP (Digital Signal Processor). Procesorul RISC are în sarcina sa urm toarele activit i: - manipularea informa iei recep ionate pe diverse canale de semnalizare (BCCH, PCH, AGCH etc.) - stabilirea apelului, - codarea de linie, între eserea, cifrarea (implementate eventual pe componente hardware specializate), - managementul mobilit ii (c tarea re elei, selectarea celulei, actualizarea localiz rii, handover-ul, avansarea ceasului etc.), - conectarea prin interfe e externe, - controlul interfe ei cu utilizatorul.

La aceste activit i de baz , s-au mai ad ugat recent i opera ii referitoare la integrarea serviciilor i managementul leg turilor GPRS (General Packet Radio Service). Pentru ca aceste activit i s se poat desf ura simultan, sistemul de operare folosit de procesorul RISC este de tip multitasking cu o componentdestinat sarcinilor cu durat critic de execu ie (real time) legate în principal de asigurarea comunic rii prin interfa a radio, conform structurii cadrului GSM, i o component alocat opera iunilor mai pu in prioritare, precum controlul interfe eicu utilizatorul (prelucrarea informa iei de la tastatur , actualizarea ecranului etc.). Procesorul DSP, cel lalt element principal din structura procesorului în banda de baz , se ocup în esen cu codarea i decodarea semnalului vocal, precum i cu refacerea semnalului de date la recep ie, func iile precizate reg sindu-se în figura 2.6.21, care prezint modul în care cele dou procesoare se completeaz reciproc. Blocul MMI, aferent procesorului RISC precizeaz c în interiorul MS-ului activeaz conform modelului privind informa ia de management MIM (Management Information Model), un agent, în spe un proces, al re elei

Analog Module Modulation, ...

BASE BAND PROCESSOR Memory

(RAM, FLASH)

Power management

Battery

EXTERNAL INTERFACE

Display Keypad Loudspeaker Microphone Vibration Alarm

SIM Data interfaces (RS-232, USB, …)

Charger

Figura 2.6.20: Arhitectura de baz a unei sta ii mobile


TMN (Telecommunication Management Network) de management al sistemului GSM i al serviciilor oferite de acesta (Recomand rile ITU-T din seria M3000). Cardul SIM (Subscriber Identity Module) reprezint o alt componentimportant a sistemului GSM. El con ine toate informa iile privitoare la identitatea abonatului, precum IMSI, cheia secret Ki de autentificare i cheia secret Kc pentru secretizare. Figura 2.6.22 prezint structura intern a unui card SIM, acesta constituind un sistem complet cu microcontroler. Procesorul, pe 8 sau 16 bi i, este folosit pentru: - controlul accesului telefonului mobil (terminal) la cadrul SIM prin verificarea codului PIN (Personal Identifier Number), - controlul accesului la memoriile cardului SIM, în vederea protej riiinforma iei secrete, doar anumite fi iere putând fi citite, - calcularea în interiorul cardului SIM a valorii SRES în vederea nedivulg rii cheii secrete Ki, - executarea programelor pe care operatorul de re ea le poate înregistra în memoria EEPROM folosind un set (kit) de instalare SAT (SIM Application Toolkit) corespunz tor specifica iilor 3GPP (3rd Generation Partnership Project).

I/O Interface

RAM 1-3 kB

Processor 8,16 bit CPU

SIM card

EEPROM 16-64 kB

ROM 40-100 kB

Data bus Address bus

System clock 10MHz

Terminal

Operating voltage 3V/5V

Figura 2.6.22: Diagrama bloc a unui card SIM

RS-232 USB…

Cipher Interleaver Channel Coder

Channel Decoder

DeinterleaverDecipher

External Interface

User Program

GSM/GPRS Control MMI

Operating System

RISC

SpeechEncoder

Analog Module

Datareconstruction

Speech Decoder

DSP

Figura 2.6.21: Principalele func ii ale procesoarelor RISC i DSP


2.6.2.5 Subsistemul re ea inteligent Pe lâng componentele obligatorii, prezentate anterior, un sistem GSM poate fi înzestrat cu subsistemul re ea inteligent IN (Intelligent Network) care, prin intermediul unui software i baze de date suplimentare, localizate într-un punct de control al serviciilor SCP (Sevice Control Point), permite introducerea de noi servicii, precum: - servicii bazate pe localizare LBS (Location Based Services) precum reducerea tarifului atunci când sta ia mobil cheam un abonat din re eaua fixaflat în aria de localizare a abonatului mobil, - servicii prepl tite (prepaid) care spre deosebire de cele cu abonament utilizeaz un cont special de abonat pe care acesta îl alimenteaz în avans, durata convorbirilor fiind limitat de suma aflat în cont.

inând cont de necesitatea conlucr rii componentelor ce alc tuiesc o re ea inteligent , care provin de la mai mul i produc tori i sunt folosite de mai mul i operatori, s-a standardizat un procedeu intitulat CAMEL (Customized Application for Mobile Enhanced Logic) prin intermediul c ruia se pot crea servicii personalizate (customized applications) în cadrul SCP, care s fie compatibile între sisteme GSM distincte i fa de diversele implement ri ale elementelor constitutive ale acestora. Acest procedeu cuprinde modelul desf ur rii (controlului) unui apel, precum i protocolul pe care comunicarea între elementele re elei, cum sunt MSC i SCP, trebuie s îl respecte. Plecând de la modelul de baz al desf ur rii unui apel BCSM (BasicCall State Model), un apel cu comuta ie de circuite este descris prin intermediul a dou modele, unul de partea chem torului O-BCSM (originating), prezentat schematic în figura 2.6.23, i altul de partea chematului T-BCSM (terminating). Pentru modelul O-BSCM, CAMEL define te, pentru fiecare tranzi ie între st ri, un punct de detec ie DP (Detection Point), care, în caz de activare, se constituire ca o înregistrare în HLR i informeaz SCP în privin a respectivei tentative de schimbare a st rii. Odat recep ionat aceast informa ie, care poate con ine de exemplu, IMSI-ul abonatului, pozi ia curent a acestuia (MSC, aria de localizare, identitatea celulei) i num rul apelat, SCP decide cum trebuie controlat în continuare apelul. Astfel, poate fi întrerupt apelul sau schimbat num rul chemat sau transferat MSC-ului informa ia cu privire la taxare. Informa ia aceasta va fi înscris în înregistrarea de taxare a apelului i va fi ulterior preluat i utilizat de sistemul de taxare al re elei.

Un exemplu în acest sens îl constituie implementarea serviciului cu plata în avans, care se desf oar astfel: - abonatul ini iaz un apel, - MSC se informeaz de la HLR i afl c pentru respectivul abonat este activat un punct de detectare privind autorizarea apelurilor de plecare, - MSC trimite, în consecin , un mesaj SCP-ului de la care a teaptr spuns, - pe baza informa iilor con inute în mesaj, SCP-ul recunoa te c cererea se refer la un abonat tip prepaid (dup num rul serviciului CAMEL), afl


identitatea abonatului (dup IMSI) i calculeaz pre ul pe minut al conexiunii (pe baza num rului chematului, ora curent etc.), - în caz c balan a financiar a abonatului permite, SCP informeazMSC-ul c apelul este autorizat i câte minute sunt admise, - MSC-ul reia controlul apelului în vederea stabilirii conexiunii, - la încheierea apelului, MSC-ul trimite un nou mesaj SCP-ului informându-l în privin a duratei apelului, balan a abonatului fiind corespunz tor modificat , - în caz c timpul a expirat i apelul continu , MSC contacteaz din nou SCP care decide dac apelul poate continua înc un anumit timp sau dactrebuie întrerupt.

2.6.3 Subsistemul GPRS GPRS (General Packet Radio Service) este un standard al Institutului

European de Standardizare în Telecomunica ii (European Telecommunication Standards Institute - ETSI) urmare a fazei 2+ de dezvoltare a sistemului GSM în vederea complet rii acestuia cu posibilit i de implementare a serviciilor de date folosind comuta ia de pachete (la origine sistemului GSM folose te cu prec derecomuta ia de circuite, inclusiv pentru serviciile de date). În plus, în vederea organiz rii accesului la o arie cât mai larg de re ele de date, publice sau private, standardul a incorporat la nivel de re ea protocolul IP. Modalitatea prin care sistemul GSM a fost completat cu componenta GPRS s-a ales astfel încât investi iile s fie cât mai mici i, în consecin ,pre urile serviciilor de date s fie cât mai accesibile. Concret, arhitectura logic a sistemului GSM s-a completat cu trei componente (vezi blocurile gri din figura 2.6.24), iar interfa a radio s-a modificat pentru a permite ca prin intermediul ei s

Initial state

Outgoing Call authorized by the SCP

Error condition

CallEstablishment

Called party busy

No answer of the called party

Error

Call is accepted

Active Call Error

Orig

inat

or te

rmin

ates

cal

l

Call is terminated

Figura 2.6.23: Modelul simplificat al O-BSCM conform CAMEL


se stabileasc , pe lâng circuite logice, necesare serviciilor cu comuta ie de circuite, i leg turi de date, folosite de serviciile cu comuta ie de pachete.

2.6.3.1 Canale GPRS fizice i logice La nivel de mediu de comunicare, integrarea serviciilor de date în sistemul GSM s-a f cut rezervând un num r de canale fizice pentru componenta GPRS a sistemului, canalele în cauz luând denumirea de canale GPRS fizicesau canale cu comuta ie de pachete PDCH (Pachet Data CHannel). Conform figurii 2.6.25, un canalul GPRS fizic se reg se te în structura unui multicadru de 52 de cadre prin cele 12 blocuri radio (radio bloks), fiecare a câte 4 rafale radio (radio burst) transmise în acela i interval temporal de la un cadru la altul, la care se adaug 4 rafale tip IDLE. Rezervarea canalelor GPRS fizice poate urma diverse strategii, un exemplu în acest sens fiind oferit în figura 2.6.26. Astfel, în cadrul fondului comun de canale, dou sunt rezervate definitiv pentru GPRS, iar alte patru în regim dinamic.

SGSN – Serving GPRS Support NodeGGSN – Gateway GPRS Support Node GR – GPRS Register

Figura 2.6.24: Arhitectura logic a sistemului GSM 2+

2. R

eel

ei s

ervi

cii d

e co

mun

ica

ii10

7

Figu

ra 2

.6.2

5: A

lctu

irea

cana

lelo

r GPR

S fiz

ice


Canalele GPRS fizice sunt împ r ite, la rândul lor, în canale GPRS logice, precum în tabelul 2.6.3. Împ r irea se face prin alocare de blocuri radio.

Tabelul 2.6.3: Exemple de canale GPRS logice

Canal Denumire (în limba englez ) Direc ie Func iePRACH Packet Random Access Channel UL Random access PPCH Packet Paging Channel DL Paging PAGCH Packet Access Grant Channel DL Acces grant PNCH Packet Notification Channel DL Multicast PBCCH Packet Broadcast Control Chanel DL Broadcast PDTCH Packet Data Traffic Channel UL/DL Data PACCH Packet Associated Control Channel UL/DL Assoc. control

De exemplu, pentru un PBCCH i trei PAGCH se rezerv blocurile B0, B3, B6 i B9 din primul canal PDCH. A a cum este prezentat în figura 2.6.25, primul canal PDCH este cel care ocup intervalul temporal cu num rul TN(Timeslot Number) zero fiind, prin urmare, unul sau singurul canal coordonator(master channel). Canalele coordonator includ canale logice destinate schimbului de semnaliz ri i mesaje de control necesare stabilirii legaturilor de date atât în cadrul respectivelor canale cât i în canalele subordonate (slave channel).

2.6.3.2 Protocoale destinate interfe ei radio Configura ia stivei de protocoale care define te o interfa radio GPRS este prezentat în figura 2.6.27. Pe rând, componentele specifice urmeaz a fi descrise în continuare.

2.6.3.2.1 SNDCP Protocolul de convergen dependent de subre ea SNDCP (Sub-Network Dependent Convergence Protocol) are drept obiectiv asigurarea suportului de operare pentru mai multe protocoale din stratul re ea. În plus, acest protocol se mai ocup cu:

- memorarea temporar a unit ilor N-PDU; - compresia datelor utilizator i a informa ilor de control (de exemplu

compresia antetului TCP/IP); - segmentarea / reasamblarea unit ilor N-PDU etc.

Figura 2.6.26: Arhitectura canalelor fizice pentru sistemului GSM


Transferul fiec rei unit i N-PDU se poate face cu sau f r confirmare. În primul caz, unitatea N-PDU este tears din memoria tampon numai dup ce s-au primit confirm ri din stratul inferior pentru toate segmentele componente, iar în al doilea caz, imediat dup ce segmentele au fost transferate în stratul inferior.

2.6.3.2.2 LLC Controlul leg turilor logice LLC (Link Layer Control) asigur stabilirea de leg turi lipsit de erori (highly reliable) i cifrate (ciphred) între MS i SGSN. La baza sa stau protocoalele LAPDm (Link Acces Protocol on channel D for mobile), folosit în GSM i HDLC(High Level Data Link Control) func iile incluse ocupându-se cu:

- stabilirea uneia sau mai multe conexiuni logice; - controlul secven ei;- detec ia i corec ia erorilor; - controlul fluxului; - cifrarea.

2.6.3.2.3 DLC Controlul leg turii de date DLC (Data Link Control) din interfa a radio (Um) are drept scop atât multiplexarea mai multor utilizatori în unul sau mai multe canale PDCH cât i utilizarea de c tre un singur utilizator a mai multor canale PDCH. Multiplexarea const în stabilirea de conexiuni virtuale numite fluxuritemporare de blocuri RLC/MAC, TBF (Temporary Block Flow), adic în rezervarea temporar a unuia sau mai multor canale PDCH, pentru transferul blocurilor RLC/MAC, pân la epuizarea acestora. Multiplexarea este completatpe sensul ascendent (uplink) de un mecanism de rezervare de tip Slotted-Aloha, care controleaz accesul aleatoriu al MS-urilor la re ea. Din punct de vedere organizatoric, DLC se împarte, conform figurii 2.6.27 în dou componente: - controlul leg turii radio RLC (Radio Link Control); - controlul accesului la mediu MAC (Medium Acces Control).

Figura 2.6.27: Arhitectura protocoalelor din interfa a radio GPRS


2.6.3.2.3.1 RLC Controlul leg turii radio RLC (Radio Link Control) asigur o leg turalogic sigura (reliable) între MS i BSS. Prin intermediul unei astfel de leg turisunt transferate blocuri RLC/MAC de control sau blocuri RLC/MAC de date,cele din urm alc tuite prin segmentarea cadrelor provenite din stratul LLC iinând cont de schema de codare (vezi tabelul 2.6.4)

Tabelul 2.6.4: Dimensiunile blocurilor RLC

Schemade

codare

Informa ie RLC de control [Octe i]

Bloc RLC de date [Octe i (bi i)]

Bi i de rezerv

[bi i]

Bloc RLC/MAC [bit]

CS-1 20 22 (176) 0 181 CS-2 30 32 (256) 7 268 CS-3 36 38 (304) 3 312 CS-4 50 52 (416) 7 428

GPRS dispune de 4 scheme de codare CS (Coding Schemes) prezentate în tabelul 2.6.5. Pentru blocurilor RLC/MAC de control se folose te doar schema CS-1, iar în cazul blocurilor RLC/MAC de date se utilizeaz cu prec dere CS-2. Tabelul 2.6.5: Parametrii schemelor GSM/GPRS de codare

CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Code rate 1/2 2/3 3/4 1 GPRS net data rate [kbit/s] 9.05 13.4 15.6 21.4 RLC data block size [bit] 176 263 307 423 MAC header size [bit] 5 5 5 5 RLC/MAC block size [bit] 181 268 312 428 USF [bit] 3 3 3 3 BCS [bit] 40 16 16 16 Precoded USF [bit] 3 6 6 12 Tail bits 4 4 4 0 Radio block [bit] (înainte de codarea convolu ional )

228 294 338 456

Convolutional code rate 1/2 1/2 1/2 1 Coded radio block size [bit] 456 588 676 456 Puncturing [bit] 0 132 220 0 Radio block size [bit] 456 456 456 456

F r a intra în detalii, cititorul putând consulta documenta ia standardului, se fac urm toarele preciz ri privind m rimile întâlnite în tabelul 2.6.5:

USF (Uplink State Flag), folosit pentru controlul multiplex rii blocurilor radio provenite de la MS-uri diferite. BCS (Block Check Sequence), utilizat în procesul de detec ie a erori în stratul fizic PLL (Physical Link Layer) . În eparea (puncturing), prin care la fiecare 3 bi i, mai pu in primii 12 din blocul radio codat, un bit este eliminat, astfel încât blocurile radio finale au aceea i lungime, adic 456 bi i, indiferent de schema de codare.

Figu

ra 2

.6.2

8: B

loc

radi

o ob

inut

folo

sind

CS-

3 i r

afal

e ra

dio

asoc

iate


Drept exemplu, figura 2.6.28 prezint modul de alc tuire a unui bloc radio în cazul utiliz rii schemei CS-3 i separ rii sale în 4 rafale radio. Informa iile din tabelul 2.6.5 permit stabilirea ratelor de transfer al informa iei pe diverse nivele. Astfel, debitul corespunz tor blocurilor RLC/MAC, denumit i debitul net GPRS (GPRS net data rate) este dat de rela ia:

netRB

XRD

(2.6.3)

unde: - X num rul de bi i dintr-un bloc RLC/MAC corespunz tor unei anumite scheme CS, - RBD durata medie dintre dou blocuri radio succesive (perioada de repeti ie). Conform modului de alc tuire a canalelor GPRS (vezi figura 2.6.25), în interiorul multicadrului de 52 de cadre se g sesc pân la 12 blocuri radio apar inând aceluia i canal GPRS fizic. Prin urmare:

52 4,615msec 20msec12RBD (2.6.4)

Tem 2.6.5 Determina i debitul net GPRS de care dispune un canal PBCCH în cazul utiliz rii schemei CS-1.

* * * Leg turile pot fi cu confirmare, în acest caz fiind folosit un protocol cu cerere selectiv ARQ (Selective Automatic Retransmissions reQuest) sau f rconfirmare. Primul mod de operare este destinat transmisiilor sigure de date, iar al doilea mod se preteaz serviciilor în timp real, precum video sau audio. În ambele cazuri, entit ile LLC pereche de la destina ie, primesc din stratul DLC doar cadre LLC transferate corect.

2.6.3.2.3.2 MAC Substratul MAC este responsabil cu realizarea unei multiplex ri eficiente, în ambele sensuri, downlink i uplink. Multiplexarea const în stabilirea de fluxuri temporare de blocuri, care permit transferuri punct la punct, de date, între BSS iMS-uri, i planificarea corespunz toare a servirii acestora, func ie de caracteristicile MS-urilor implicate (vezi, de exemplu, clasele de posibilit imultislot). În sens ascendent, dat fiind apari ia aleatorie a cererilor de resurse din partea MS-urilor, multiplexarea este înso it de un mecanism tip Slotted- Aloha, de rezolvare a posibilelor coliziuni (cereri simultane de resurse). Un flux temporar de blocuri (TBF) este men inut pân când coada con inând blocurile RLC/MAC se gole te. Asocierea dintre un TBF i un MS se face prin intermediul unui identificator de flux temporar TFI (Temporary Flow Identity). Pentru controlul multiplex rii se folose te fanionul de stare a leg turiiuplink USF (Uplink State Flag), aflat în antetele din toate blocurile RLC/MAC pe sensul descendent, con inutul s u precizând care MS poate transmite pe durata urm torului bloc radio din sensul ascendent.


2.6.3.3 Planificarea servirii Planificarea servirii fluxurilor temporare în GSM/GPRS se desf oar , pe trei nivele, a a cum este prezentat în figura 2.6.29:

- la nivelul claselor de trafic; - la nivelul fluxurilor temporare; - la nivelul blocurilor RLC.

La nivelul claselor de trafic, planificarea ine cont de categoria abonatului i de aplica ia vizat . Astfel, diferen ierea fluxurilor TBF se poate face func ie de tipul de abonat, o clasificare uzual fiind: Gold, Standard i Best-effort. Mai mult, în cadrul categoriei Standard, se poate ine cont de tipul de aplica ie, ceea ce conduce la 4 clase standard de trafic: Conversational, Streaming,Interactive i Background. O dat stabilit clasificarea, planificarea la nivelul claselor de trafic vizeaz cozile corespunz toare aplicând un anumit algoritm de planificare. În mod curent, se utilizeaz algoritmi cu prioritate, PQ (Priority Queuing), sau cu band controlat , DWRR (Deficit Weighted Round Robin).

La nivelul fluxurilor temporare, în interiorul unei clase se aplic de asemenea un algoritm de planificare a servirii. Acest algoritm ac ioneaz cât timp îi este rezervat clasei în cauz i const în selectarea într-o anumit manier , de exemplu RR (Round Robin), a fluxurilor temporare alocate canalului PDCH curent, entit ilor RLC în cauz permi ându-li-se s transfere un anumit num r de blocuri radio. În cazul RR, acest num r (quantum) este de 1 20 blocuri radio.

La nivelul blocurilor RLC, fiecare entitate RLC de ine un planificator care decide ordinea în care blocurile radio din memoria de trimitere sunt transferate mai departe. Ordinea ine cont de tipul de blocuri ce se g sesc în coad , adic : NACK (înc netrimise), PENDING ACK (în a teptarea confirm rii)i ACK (cu confirmarea primit ) i a modului de repartizare a priorit ilor între

acestea.

2.6.3.4 EDGE Cre terea debitelor de serviciile de date ale sistemelor GSM reprezintobiectivul standardului EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).Caracteristicile principale care definesc acest standard sunt:

utilizarea schemei de modulare 8-PSK (Phase-Shift Keying) în locul schemei GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) ceea ce coduce la un debit pe fiecare canal GSM fizic de pân la 69 kbi i/sec.

introducerea unui mecanism îmbun t it de control al calit ii leg turiiLQC (Link Quality Control) care permite schimbarea schemei de modulare i codare func ie de caracteristicile leg turii radio

implementarea unei scheme superioare de corec ie a erorilor, tip II - hibrid ARQ (soft ARQ),

adaptarea protocolului RLC/MAC la viteze crescute prin modific ri ce vizeaz SNS (Sequence Number Space), WS (Window Size), BSN (Block Sequence Number) i RBB (Received Block Bitmap).


00

215211

01

Priority scheduling

15

ACE = TRUE

RLC block scheduling for selected TBF (RLC layer)

Acknowledge State ArraySend Buffer

0: Not Acknowledged1: Acknowledged2: Pending

Figura 2.6.29: Planificarea servirii, nivele vizate


2.6.4 Protocolul MAP Partea destinat aplica iilor mobile MAP (Mobile Application Part), [16], este protocolul destinat semnaliz rii între nodurile subsistemului NSS al re eleiGSM în vederea desf ur rii serviciilor pe care acest subsistem le ofer :roaming, autentificarea abonatului, mesageria de texte SMS etc. Protocolul MAP define te o serie de opera ii, împreun cu mesajele aferente. Mesajele, respectiv opera iile din cadrul protocolului MAP, se împart în urm toarele categorii:

- managementul mobilit ii, - operare i între inere,- controlul apelurilor, - servicii suplimentare, - serviciul de mesagerie SMS.

Fiecare dintre aceste categorii cuprinde mai multe subcategorii.

2.6.4.1 Managementul mobilit ii Opera iile legate de managementul mobilit ii se refer la:

- managementul localiz rii ( i autentific rii),- handover, - managementul IMEI (International Mobile Equipment Identity),- managementul abonatului, - corectarea gre elilor (Fault Recovery).

Managementul localiz rii este gândit în ideea de a reduce num rul de comunic ri (tranzac ii) cu HLR care, în privin a acestei activit i, con ine doar adresele MSC/VLR la care sunt aronda i abona ii la momentul curent. În rest, informa ii ceva mai detaliate, precum aria de localizare sau TMSI-ul, sunt înregistrate în VLR. Opera iile desf urate în cadrul managementului localiz rii sunt:

- updateLocation,- cancelLocation,- sendIdentification- purgeMS.

Figura 2.6.30 prezint succesiunea acestor opera ii atunci când sta iamobil se transfer de la un MSC/VLR la altul. Odat intrat sub controlul noului VLR, acesta interogheaz în privin a informa iei de autentificare, vechiul VLR folosind mesajul sendIdentification în care este inserat TMSI-ul preluat de la sta ia mobil în cauz . În replic , vechiul VLR îi transmite informa iile necesare autentific rii (IMSI, RAND, SRFS i eventul Kc). Dac cele dou VLR-uri nu pot comunica, atunci noul VLR poate interoga direct HLR prin intermediul opera iuniisendAuthentificationInfo. În ambele cazuri, dup primirea informa iei de autentificare, noul VLR informeaz HLR, printr-un mesaj updateLocation,pentru ca aceasta s reactualizeze informa ia de localizare a abonatului i, drept consecin , s comande vechiului VLR printr-un mesaj cancelLocation, cu parametri IMSI i TMSI necesari identific rii abonatului în cauz , tergereaînregistr rii acestuia.


În ceea ce prive te opera iunea de scoatere a sta iei mobile din re ea (purgeMS) aceasta const în tergerea informa iei de localizare din VLR-ul curent în cazul în care MS este inactiv pe o perioad lung de timp. Aceasttergere este înso it de o informare a HLR-ului care confirm cu purgeMSack

finalizarea acestei opera ii i activeaz un fanion (flag). Acest fanion, astfel fixat, indic faptul c abonatul este neconectat, orice apel sau SMS, ce i-ar fi adresat, fiind trata de re ea în mod corespunz tor.

Handover-ul const într-o serie de opera iuni necesare transfer riiapelurilor între MSC-uri, atunci condi iile o impun. Aceste opera iuni sunt:

- prepareHandover,- sendEndSignal,- processAccessSignaling,- forwardAccessSignaling,- prepareSubsequentHandover.

Figura 2.6.31 prezint modul în care aceste opera iuni se înl n uie cu ocazia mai multor handover-uri inter-MSC (subsequent handover). Procedura de handover este ini iat de MSC-A prin intermediul c ruia s-a stabilit conexiunea între MS i re ea. Se folose te, în debut, un schimb de mesaje pentru preg tirea handover-ului (prepareHandover) prin care se rezerv de partea MESC-ului int B, resursele necesare aloc rii unui canal suplimentar de comunicare între

MS i BSC-ul A. Este vorba în principal de un canal radio în subsistemul sta iilor de la baz SSB aferent MSC-ului B i de o jonc iune care s lege cele doucentrale. În aceste condi ii trecerea MS-ului de la vechea linie de acces la cea nou se face sub controlul MSC-A, prin intermediul unor mesaje transmise transparent prin MSC-B, ce sunt tipice unui handover inter-MSC (pe "teritoriul" aceluia i MSC). Odat realizat trecerea MS-ului pe noua linie, MSC-A elibereaz resursele sale radio urmare a recep ion rii mesajului sendEngSignal. Dar p streaz în continuare controlul apelului, de unde idenumirea de MSC ancor , comunicarea cu MS-ul f cându-se transparent din punctul de vedere al MSC-B prin mesajele processAccessSignaling iforwardAccessSignaling. Aceast transparen face ca la încheierea apelului, MSC-B s fie informat explicit de c tre MSC-A, tot printr-un mesaj

old VLR new VLR HLR

sendIdentification (TMSI)

sendIdentificationAck (IMSI, RAND, …) updateLocation (TMSI)

cancelLocation (IMSI, TMSI)

CancelLocationAck

updateLocationAck

MAP-D interface

MS

Figura 2.6.30: Opera ii legate de managementul localiz rii


sendEndSignal în vederea eliber rii propriilor resurse. Necesitatea unui handover suplimentar este stabilit de MSC-ul curent care ini iaz procedura de transfer a leg turii prin MSC-ul urm tor (C) transmi ând MSC-ului ancor A mesajul prepareSubsequentHandover.

Managementul IMEI (International Mobile Equipment Identity) se ocupcu verificare apartenen ei echipamentului mobil la una din urm toarele liste:

- lista neagr – cuprinde identitatea echipamentelor a c ror furt a fost raportat i care drept urmare le este blocat (barred) accesul la re ea;

- lista gri – con ine toate echipamentele ce au probleme hardware sau software, privind func ionarea în re ea, dar al c ror acces nu poate fi blocat,

- lista alb – cuprinde toate echipamentele agreate de re ea. Verificarea const în formularea de c tre MSC-ul în serviciul c ruia se g se teMS-ul a unei cereri adresat acestuia, privind IMEI. Dup primirea IMEI-ului, MSC-ul trimite registrului de identitate a echipamentelor EIR (Equipement IdentityRegister) mesajul checkIMEI. Registrul verific i transmite MSC-ului în ce listse afl echipamentul în cauz .

Managementul abona ilor reprezint procedurile prin care HLR-ul, de in tor al profilurilor de abonat, actualizeaz informa ia de abonat din VLR-uri. Actualizarea este necesar deoarece profilul unui abonat se poate schimba, la interven ia operatorului, care poate modifica drepturile abonatului la serviciile de baz i suplimentare sau a abonatului care poate activa sau dezactiva serviciile suplimentare la care a subscris. Aceste proceduri fac apel la opera iile de: - insertSubscriberData – folosit pentru a preciza VLR-ului ce informa ie nou s-a introdus în profilul abonatului, de exemplu, restric ionareaunui anumit tip de serviciu, i

MSC-B

prepareHandover

processAccessSignaling

sendEndSignal

MAP-interface MSC-A

prepareSubsequentHandoverprepareHandover

forwardAccessSignaling

sendEndSignal

MAP-interface MSC-C

Figura 2.6.31: Opera ii în cadrul unui handover inter MSC, succesiv


- deleteSubscriberData – prin care se aduce la cuno tin a VLR-ului ce informa ie din profil a fost scoas , de exemplu, revocarea subscrierii la serviciul de roaming interna ional.

Corectarea gre elilor permite interven ia în caz de înregistrare gre it a unei informa ii de abonat, de exemplu înregistrarea de localizare din HLR, în vederea corect rii acesteia. Opera iile destinate acestei sarcini sunt definite în cadrul MAP i se efectueaz în urma repunerii în func iune a HLR-ului, dup un deranjament, i sunt: reset, formatCheckSsIndication i restoreData. - Mesajul reset este trimis de HLR tuturor VLR-urilor în care abona ii sunt localiza i conform datelor de care se dispune în momentul respectiv, al punerii în func iune. - Mesajul formatCheckSsIndication este transmis op ional tuturor MS-urilor în vederea armoniz rii informa iilor de inute de ambele p r i privind serviciile suplimentare. - Mesajul restoreData are drept scop sincronizarea informa iei din VLR i HLR, opera ia fiind ini iat de VLR în urma recep ion rii, de exemplu, a unei

cereri unui abonat de furnizare a num rului de roaming (provideRoamingNumber request) cu IMSI necunoscut.

2.6.4.2 Operare i între inere Aceast categorie de opera ii este strâns legat de activit ile desf urate în centrul de operare i management al re elei OMC (Operation and Management Center), fiind alc tuite din dou subcategorii: înregistrarea traiectoriei unui abonati opera iuni auxiliare.

Înregistrarea traiectoriei unui abonat (Subscriber Tracing) folose tedou opera ii distincte: activateTraceMode i deactivateTraceMode.

Mesajul activateTraceMode este transmis de HLR, la cererea OMC-ului (figura 2.6.32) împreun cu IMSI-ul abonatului în cauz , astfel încât în momentul activ rii sale, în raza de ac iune a MSC-ului corespunz tor, acesta sexecute respectiva înregistrare. Trasarea traiectoriei poate fi oprit tot la cererea OMC, caz în care HLR-ul trimite VLR-ului mesajul deactivateTraceMode. În subcategoria auxiliare intr opera ia sendIMSI, folosit urmare a cererii de identificare a unui abonat pe baza num rului s u MSISDN, formulatde OMC i adresat VLR-ului corespunz tor (figura 2.6.33)

activateSubscriberTracing

TracingAcepting

MAP-D interface HLR VLR

activateTraceMode

ActivateTraceModeAck

OMC

Figura 2.6.32: Activarea trat rii traiectoriei unui abonat


În caz de neidentificare, HLR-ul transmite VLR-ului un mesaj care indicnecunoa terea abonatului, cu acest rezultat fiind informat i OMC-ul.

2.6.4.3 Controlul apelurilor Opera iile definite în cadrul MAP privind controlul apelurilor sunt destinate în principal schimbului de informa ii necesar rut rii în cazul apelurilor terminate pe mobil MTC (Mobile Terminating Call) sau al apelurilor în care GMSC-ul este nod de tranzit. Aceste opera ii sunt:

- sendRoutingInformation, - provideRoamingNumber. În cazul unui apel terminat pe mobil, MTC, i ini iat într-o alt re ea(PSTN, ISDN, PLMN etc.), abonatul chem tor formeaz num rul MSISDN. Drept consecin , respectiva re ea îndrum apelul c tre GMSC-ul corespunz tor transmi ând acestuia un mesaj IAM (ISUP sau TUP). Pe baza MSISDN-ului con inut în acest mesaj, GMSC identific HLR-ul abonatului i cere de la acesta localizarea abonatului chemat prin intermediul mesajului endRoutingInformation i pe baza num rului MSISDN. Localizarea se refer la cine este MSC-ul curent i care este num rul de roaming MSRN al sta iei mobile, cea din urm informa ie fiind ob inut dup ce HLR-ul interogheaz , prin intermediul mesajului provideRoamingNumber, VLR-ul în cauz (vezi figurile 2.6.15 i 2.6.16).

2.6.4.4 Servicii suplimentare Categoria "servicii suplimentare" se refer la urm toarele opera ii:

registerSS – folosit pentru a înregistra un serviciu suplimentar (de exemplu, call forwarding sau CLIP/CLIR) pentru care are dreptul un anumit abonat eraseSS – folosit pentru a terge un serviciu suplimentar, înregistrat anterior,activateSS – folosit pentru activarea unui serviciu suplimentar înregistrat,deactivateSS – folosit pentru dezactivarea unui serviciu suplimentar înregistrat, interogateSS – folosit de MS pentru a afla de la HLR în ce stare (înregistrat/neînregistrat, activ/inactiv) se afl un anumit serviciu suplimentar,

identityRequest

identity Confirm

MAP-D interface VLR HLR

sendIMSI

sendIMSIack

OMC

Figura 2.6.33: Activarea opera iilor auxiliare


registerPassword – folosit pentru a crea sau modifica ulterior parola pentru un anumit serviciu suplimentar, getPassword – folosit de HLR atunci când abonatul vrea s - ischimbe parola, s activeze sau s modifice un serviciu suplimentar.

Pe lâng serviciile suplimentare, sistemele GSM pot oferi i serviciisuplimentare nestructurate USS (Unstructured Supplementary Services)specifice operatorului prin faptul c sunt definite de c tre acesta i nu de standardele GSM. Aceste servicii, precum WAP (Wireless Application Part),mobile chatting sau prepay roaming, folosesc pentru comunicare pachete USSD de 80 octe i (91 caractere ASCI pe 7 bi i), transferate prin intermediul MAP. Serviciile USSD se desf oar prin intermediul mijloacelor de comunicare ale TCAP, care în cazul aplica iilor interactive, fiind orientat pe conexiune, este de preferat SMS-ul (bazat pe înregistrare i avansare), fiind de pân la 7 ori mai rapid. Opera iile care in de serviciile USSD sunt:

processUnstructuredSS-Request – folosit când tranzac iaeste ini iat de sta ia mobil MS, unstructuredSS-Request – folosit când tranzac ia este ini iat de o entitate din subsistemul re ea NSS.

2.6.4.5 Serviciul de mesagerie SMS Aceast component a MAP permite schimbul de mesaje alfanumerice de pân la 160 de caractere între utilizatorii re elei GSM, care la rândul s u poate genera i ea astfel de mesaje, în manier broadcast (cu larg difuzare) sau unicast (c tre un anumit MS). În vederea realiz rii acestui schimb de mesaje sunt definite urm toarele opera iuni:

forwardSMsendRoutingInfoForSMreportSMDeliveryStatusalertServiceCenterreadyForSM

Opera iunea forwardSM se desf oar atât de parte sta iei mobile de origine, MO-SMS (Mobile Originating-SMS), cât i de partea sta iei mobile de destina ie MT-SMS (Mobile Terminating-SMS), a a cum se prezint în figura 2.6.34. În ultimul caz livrarea la destina ie implic i efectuarea opera iei sendRoutingInfoForSM.

Mesajul referitor la aceast opera ie, sendRoutingInfoForSM, con inenum rul MSISDN al destinatarului, iar r spunsul din partea HLR-ului precizeazcodul MSC-ului în a c rui arie de ac iune se afl acesta. Cu ajutorul acestui cod, mesajul SMS este transmis folosind partea din SS7 destinat controlului conexiunilor se de semnalizare, SCCP. În caz de imposibilitate a livr rii,abonatul fiind de exemplu de neg sit, GMSC-ul trimite HLR-ului mesajul reportSMDeliveryStatus pentru ca acesta s informeze, la rândul lui, SMSC-ul în aceast privin , folosind mesajul alertServiceCenter i sactiveze în profilul abonatului fanionul de mesaj în a teptare.


În consecin , mesajul SMS r mâne în posesia SMSC-ului pân când MS-ul î i face apari ia, VLR-ul r spunz tor transmi ând mesajul readyforSMspre HLR-ul de la care a aflat de existen a unui SMS în a teptare. La rândul s u, HLR informeaz SMSC-ul în aceast privin , utilizând un mesaj alertServiceCenter, procesul de livrare reluându-se cu trimiterea mesajului formatSM de la SMSC spre GMSC.

2.6.5 UMTS Sistemele de comunica ii mobile, de genera ia a treia, 3G, sunt cunoscute în documentele ITU sub acronimul de IMT–2000, de la International Mobile Telecommunications, iar varianta lor, pentru Europa, este denumitUMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Dezvoltarea acestor sisteme a fost ini iat de Institutul European de Standarde în Telecomunica iiETSI (European Telecommunications Standards Institute) pentru ca, apoi, s fie preluat i continuat , pân în prezent, de organismul intitulat 3GPP (ThirdGeneration Partnership Project). În paralel, S.U.A. au implementat varianta 3G proprie, denumit cdma2000, a c rui dezvoltare constituie obiectivul unui organism similar, intitulat, în consecin , 3GPP2. Sistemele UMTS au capacitatea de a oferi o palet larg de servicii, în special multimedia i comunica ii de date, la viteze superioare. Desigur, i în acest caz, pentru atingerea obiectivului propus, este vizat , în primul rând, re eaua radio de acces, RAN (Radio Access Network), a c rei denumire specific este UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network). Accesul poate fi de dou tipuri: acces multiplu cu diviziune în cod de band largWCDMA (Wideband Cod Divizion Multiple Access) i, respectiv, acces multiplu cu diviziune în cod i în timp TD-CDMA (Time Division CDMA). În prima variant , transmisia duplex se face în canale diferite, FDD (Frequency Division Duplex), iar în a doua, se folose te acela i canal dar în intervale diferite, TDD(Time Division Duplex).

forward SM

MSC MSC

forward SM

MAP-E interface

SMSC HLR

Vendor specific GMSC

(SMS)

MAP-C interface

MAP-E interfaceMS MS

SMS SMS

forward SM Ack

deliver SM Send Routing Info for SMS

Send Routing Info for SMS Ack

forward SM Ack

deliver SM Ack

Figura 2.6.34: Utilizarea opera iilor MAP destinate transmiterii unui SMS


Sistemele UMTS ini iale, adic : ’99 i nr.4, folosesc în continuare, în partea de transport, o re ea cu comuta ie de circuite pentru serviciile de voce i o re ea cu comuta ie de pachete pentru serviciile de date. În schimb, urm toarele versiuni, numerele 5, 6 i 7, elimin complet comuta ia de circuite, principalele îmbun t iri aduse fiind:

arhitectura în totalitate IP, cu accent pe utilizarea IPv6, num r sporit de facilit i oferite utilizatorilor, procedee îmbun t ite de management al sesiunilor multimedia, introducerea criteriilor de apreciere i control al calit ii transmisiei i

func iei de serviciu, adoptarea de tehnologii care cresc viteza de transmisie pe canal atât

pe sensul descedent HSDPA (High Speed Downlink Packet Access),cât i ascedent HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), la valori de pân la 14,4 Mb/s, respectiv 5,8Mb/s.

Mai mult, începând cu varianta nr.5, sistemul este completat cu o noucomponent intitulat subsistem multimedia IP, cu acronimul IMS (IPMultimedia Subsystem), care ofer capacit i multimedia de comunicare în timp real de la persoan la persoan , cu integrarea serviciilor, a serviciilor telefonice configurate conform cerin elor utilizatorului i a sesiunii multiple sincronizate de comunica ii de date. Introducerea acestui subsistem permite ca toate serviciile sfie oferite în acela i context bazat pe protocoale Internet, ceea ce face ca, în viitor, utilizatorul unui videofon mobil s poat comunica cu utilizatorii ai re elelorde calculatoare sau de cablu.

2.7 Convergen a re elelorSpre deosebire de Internet, re eaua tradi ional de telefonie (PSTN) a fost

gândit considerând c terminalele sunt neinteligente i în consecin , s-a ajuns la a a numitele re ele inteligente. Dac pentru trecut aceast ipotez a fost valabil , în prezent contextul i obiectivul genera iei urm toare de re ea NGN(Next Generation Network), este acela de a combina inteligen a din interior cu cea acumulat , între timp, la periferie.

Re eaua NGN reprezint obiectivul final al eforturilor actuale vizând asigurarea cu costuri diminuate, a celor mai bune însu iri ale diverselor tipuri de re ele aflate, în prezent, în exploatare, utilizând o infrastructur unic . Însu irile avute în vedere sunt:

- universalitatea i fiabilitatea re elelor PSTN,- mobilitatea re elelor GSM (Global System for Mobile), CDMA (Code

Division Multiple Access) i UMTS (Universal MobileTelecommunication System),

- bog ia în con inut a re elei de televiziune pe cablu CATV(Community Antena TV),

- flexibilitatea Internet-ului, - simplitatea în exploatare a Ethernet-ului, - calitatea servirii re elelor ATM, - capacitatea extrema a re elelor optice.


Aceast infrastructur , intitulat Infrastructur Informa ional Global GII(Global Information Infrastructure), conform [14], [15], [18], [19], [21], [22], trebuie s asigure un cadru propice care:

încurajeaz competi ia loial , antreneaz investi ia particular , respect diverse cerin e legislative i ofer acces la re ea prin interfe e deschise

în condi iile: asigur rii accesului universal la servicii, sus inerii egalit ii în drepturi a cet enilor, stimul rii unui con inut divers, inclusiv cultural i lingvistic i recunoa terii necesit ii unei cooper ri globale, care s antreneze

i rile în curs de dezvoltare. Acest cadru, descris la modul general, st la baza dezvolt rii conceptului

de NGN, care cuprinde specifica ii detaliate, de natur tehnic , i recomand riprivind modul concret de implementare.

2.7.1 Caracteristici generale Genera ia urm toare de re ea, NGN, este o re ea orientat pe pachet,

capabil s furnizeze servicii de telecomunica ii i s utilizeze orice tehnologie de transport de band larg , înzestrat cu mecanisme de asigurare a calit ii servirii (QoS), în condi iile garant rii unei independen e complete a func iilor aferente serviciului fa de func iile subordonate, aferente transportului [23]. Este o re ea care permite accesul necondi ionat al utilizatorilor la furnizorii competitivi de re ele i servicii i suport mobilitate general , prin care utilizatorii, persoane sau echipamente mobile, pot comunica i dispune de servicii, indiferent de modificarea loca iei i de caracteristicile tehnice ambientale.

Pe lâng caracteristicile men ionate explicit în defini ie, NGN mai are ca obiectiv conlucrarea cu re elele deja în uz, "mo tenite" (legacy network), dat fiind duratele mari de amortizare a investi iilor aferente, de ordinul miliardelor de Euro. Aceast conlucrare (figura 2.7.1) urm re te desf urarea serviciilor într-o combina ie hibrid de tehnologii NGN i non-NGN i se bazeaz pe o serie de func ii de cooperare (interwoking function); de asemenea ea presupune i luarea în considerare a diverse scheme de identificare, precum planul interna ional de numerotare din re eaua public de telecomunica ii [24] sau schema de localizare a resurselor URL (Uniform /Unified Resourse Locator).

Ini ial izolate într-o mare de tehnologii non-NGN, re elele NGN se vor dezvolta, vor prolifera i este de sperat c vor înlocui treptat i definitiv vechea infrastructur , nu numai datorit caracteristicilor superioare men ionate mai sus, ci i datorit atractivit ii noului model economic asociat. Astfel, a a cum se poate observa i din con inutul figurii 2.7.2, comutatoarele din genera ia urm toare cer o investi ie cu un ordin de m rime mai sc zut în compara ie cu comutatoarele TDM (Time Division Multiplex) clasice, iar extinderea lor este de departe mult mai pu in costisitoare i mult mai liniar .


Comutatoarele din genera ia urm toare sunt rezultatul eforturilor întreprinse de companiile de echipamente de telecomunica ii (Lucent, Telcordia, ALCATEL, Marconi, NORTEL, SIEMENS, TOPEX etc.) aflate în concuren pe pia a produselor destinate serviciilor tripleplay, audio, video i date, cu companiile de echipamente de re ea (3COM, CISCO, Multi-Tech, Laurel Networks, Polycom etc.) i sunt destinate înlocuirii comutatoarelor locale i de tranzit (de clas 5, respectiv 4), în care func ia de comuta ie se desf oar hardware, pe principiul comuta iei de circuite.

Spre deosebire de aceste comutatoare cu arhitecturi particulare, care fac, complet dependente de produc tor, actualiz rile (update) i supliment rile(upgrade), comutatoarele din genera ia urm toare reprezint ni te aplica ii software, de unde i denumirea de softswitch (comutatoare soft), care se pot executa în principiu pe orice tip deschis de platform de calcul (de exemplu PC cu sistem de operare Windows) înzestrat cu interfe e standard (ISDN - BRI, ISDN - PRI, POTS, STM - 1, SIP, H.323 etc.) i au ca destina ie interconectarea re elelor PSTN i IP în vederea deservirii în comun a unui amestec complex de trafic vocal, video i date i migr rii întregii infrastructuri informa ionale c tre re eaua unic IP.

3

2

1

~ 100.000€

~ 3.000.000€

4

Fluxul lichidit ilor

Comutatoare NGN

Comutatoare tradi ionale

1. Costuri ini iale mult mai reduse 2. Recuperare mai rapid a investi iilor 3. Alegerea mai rapid a profitului 4. Posibilit i mai mari de câ tig

timp

+

–

Figura 2.7.2: Modele economice: NGN i tradi ional

Alte NGN IWF

Internet

PSTN

PLMN

……

IWF

IWF

IWF

IWF NGN

PLMN - Public Land Mobile Network; IWF - InterWorking Function;PSTN - Public Switching Telecommunication Network

Figura 2.7.1: Conlucrarea unei re ele NGN cu alte re ele


Tabelul 2.7.1: Compara ie între comutatoarele soft i comutatoarele tradi ionale

CARACTERISTIC COMUTATOR SOFT COMUTATOR TRADI IONAL

Comuta ia implementat software iorientat pe pachete

implementat hardware i orientat pe circuite

Arhitectura modular , bazat pe standarde deschise particular

Flexibilitate mare mic

Dezvoltarea de noi servicii / aplica ii

accesibil produc torilor,operatorilor i ter ilor accesibil doar produc torilor

Personalizare simpl dificil

Cost mai ieftin cu pân la 40%

pentru configura iicomparabile

ridicat

Scara de dezvoltare (scalability)

sute pân la milioane de conexiuni

sute de mii pân la milioane de conexiuni

Nivelul de plecare (entry level)

sc zut, pentru câteva sute de utilizatori

ridicat, pentru câteva zeci de mii de utilizatori

Posibilit imultimedia extinse foarte limitate

Conferin video de calitate superioar de calitate

Trafic suportat voce, date, video, fax cu prec dere voce,

posibilit ile oferite celorlalte categorii fiind limitate

Durata apelurilor considerat în faza

de planificare flexibil , f r limit redus (pân la 10 minute)

Comutatoarele soft (softswitch), fiind aplica ii pur software, prezint o serie de avantaje fa de comutatoarele tradi ionale, descrise pe scurt în tabelul 2.7.1, [26]. Arhitectura modular asigur o scar de implementare i de dezvoltare extrem de extins care permite operatorilor s - i administreze în mod superior capitalul prin achizi ionare de capacit i la un nivel de plecare corespunz tor nevoilor ini iale, i suplimentarea acestora, func ie de cerin ele ulterioare, la costuri propor ionale, prin ad ugarea de pl ci în sistem sau sisteme în re ea (figura 2.7.3). Mai mult, în cazul re elelor, acestea reprezint , din punct de vedere func ional, comutatoare virtuale pentru a c ror exploatare, administrare iîntre inere s-a dezvoltat un modul software specializat, numit interfa grafic de utilizator GUI (Graphic User Interface), care rulând pe un calculator gazd ,conectat la re ea, permite controlul distant al acestor func ii i, implicit, reduce cheltuielile aferente. Dezvoltarea de noi aplica ii/servicii se desf oar prin intermediul uneiinterfe e de programare aplica ii API (Application Programming Interface),aflat în comutator i care permite o personalizare a sistemului; operatorii pot


înzestra preferen ial sistemul cu servicii cerute de clien i, care nu se reg sesc în pachetul de aplica ii/servicii primare incluse în pre ul sistemului. Implementarea serviciilor la cerere se face în regie proprie sau achizi ionându-le de pe o pialiber .

Pentru garantarea unei disponibilit ii superioare, suplimentarea sau reactualizarea software-ului aferent aplica iilor/serviciilor se realizeaz "din mers" (on line), f r a teptarea perioadelor de trafic minim i f r perturbarea apelurilor în desf urare.

2.7.2 Modelul NGN Termenul NGN este introdus pentru a da un "nume" schimb rilor privind infrastructura, de care trebuie s in seama companiile de telecomunica ii pentru a face fa cu succes competi iei cu furnizorii de servicii de Internet. Conform Recomand rii ITU-T Y.2001, re eaua de urm toarea genera ie (NGN - NextGeneration Network) este o re ea bazat pe comuta ia de pachete, în care func iile relative la serviciile de telecomunica ii sunt independente de tehnologiile de transport. Acest gen de re ea permite accesul necondi ionat al utilizatorilor, conform alegerii proprii, la re ea i la diferi ii furnizori competitori de servicii i/sau la serviciile oferite de ace tia. De asemenea, NGN permite mobilitatea generalizat , asigurând astfel serviciul omniprezent pentru utilizatori. Mobilitatea generalizat reprezint posibilitatea utilizatorilor mobili sau oric rei alte entit i mobil de a comunica i a accesa un serviciu f r a ineseama de schimbarea localiz rii sau a mediului tehnic. Gradul de accesibilitatea la serviciu poate depinde de câ iva factori precum: mijloacele de acces ale re eleiANC (Access Network Capabilities) i contractele la nivel serviciu, SLA (Service Level Agreements), încheiate între re eaua de provenien (home) a utilizatorului i re eaua vizitat .

2.7.2.1 Caracteristici i mijloace specifice Principalele caracteristici care definesc re elele de urm toarea genera iesunt:

Re ea

SNMP

Sistem

PlacSNMP - Simple Network Management Protocol

Centru OA&M

Figura 2.7.3: Nivelurile hardware i software ale comutatoarelor NG


- utilizarea pachetelor pentru transferul oric rui gen de informa ie,- decuplarea clar a serviciilor de func iile de tranport, care permite o evolu ie

independent i o ofert separat ,- de inerea suportului necesar desf ur rii unei game nelimitat de servicii i

aplica ii, - asigurarea, cap la cap, a capacit ilor de band larg i calit ii în servire

(end-to-end QoS),- conlucrarea cu re ele existente (legacy networks),- generalizarea mobilit ii, - nerestric ionarea accesului unui utilizator la furnizori diferi i de servicii, - identificarea i autentificarea utilizatorului printr-o varietate de scheme, - unificarea caracteristicilor percepute de utilizator, privind un anumit gen de

serviciu oferit de furnizori diferi i,- convergen a serviciilor fixe i mobile, - acceptarea diversit ii de tehnologii de ultim mil (last mile

technologies),- distribuirea în infrastructur a entit ilor func ionale de control al politicilor,

apelurilor/sesiunilor, resurselor, securit ii etc., - conformarea cu toate reglement rile, precum cele privind comunica iile de

urgen , securitatea, confiden ialitatea i intercept rile legale.

În vederea asigur rii caracteristicilor susmen ionate, re elele de urm toare genera ie trebuie s de in o serie de mijloace, precum: - tehnologii de transport care s suporte în mod eficient serviciile cu cerin e

diferite, privitoare la band , întârziere, pierderi etc., - mecanisme de genul API (Application Programming Interface), pentru

elaborarea, exploatarea i managementul oric rui gen de serviciu, cunoscut sau necunoscut înc , în timp real sau nu (real-time, non-real-time), sensibil sau tolerant la întârzieri/pierderi (delay/loss-sensitive, delay/loss-tolerant),de tip media (audio, video, audiovideo) conversa ional, difuziune individual(unicast), difuziune restrâns (multicast) i difuziune larg (broadcast),înzestrat cu orice tip de schem de codare i beneficiind de orice gen de servicii de date, de tip mesagerie (messaging) sau de tip transfer de date,

- pasarele (gateways) destinate conlucr rii (internetworking) re elelor NGN, atât cu re ele NGN de inute de al i operatori, cât i cu re ele non-NGN, precum: PSTN, ISDN i GSM,

- protocoale de comunicare între entit ile de control i management repartizate efectiv (fizic) în infrastructur ,

- interfe e deschise (open interfaces)care s asigure: interac iunea între func iile legate de servicii (service-related functions)

i func iile aferente transportului (transport-related functions), conlucrarea re elelor NGN cu re elele non-NGN, comunicarea între entit ile amintite mai sus, de control i management,

- mecanisme de asigurare a confiden ialit ii schimburilor informa ionale, de împiedicare a utiliz rii frauduloase a serviciilor i de protejare a infrastructurii de atacurile externe.


2.7.2.2 Arhitectura de referin Tr s tura fundamental a re elelor NGN o constituie demarcarea clarîntre servicii i transport, ceea ce permite ca acestea s fie dezvoltate i oferite (comercializate) separat. În consecin , arhitectura avut în vedere este alc tuitdin dou p turi (stratum) func ionale, specializate pentru fiecare ansamblu de func ii, i anume: p tura servicii i p tura transport, ambele compuse, la rândul lor, din unul sau mai multe straturi.

În figura 2.7.4 este reprezentat rela ia pe orizontal între aceste p turi, împreun cu câteva exemple de servicii ce se a teapt a fi exploatate în re elele NGN. Se au în vedere serviciile de voce (incluzând serviciul telefonic), serviciile de date (incluzând serviciile bazate de Web, dar nu numai), serviciile video (filme, programe TV etc.), dar i combina ii ale acestora (de exemplu, serviciile multimedia, precum: videotelefonie sau jocuri).

P tura transport se ocup doar cu transportul informa iilor numerice de orice gen, între oricare dou puncte separate geografic, i cuprinde, în consecin , diverse arhitecturi de re ea, prezente i viitoare, care se rezum doar la primele cel mult 4 straturi (1-4) din modelul de referin OSI. Aceast p turasigur conectivitatea între utilizatori, între utilizator i platforma de servicii iîntre platforme diferite de servicii. În general, tehnologiile de re ea incorporate în p tura transport pot avea la baz :

comuta ia de circuite orientate pe conexiune CO-CS (Connection-Oriented Circuit-Switched),comuta ia de pachete orientate pe conexiune CO-CP(Connection-Oriented Packet-Switched)comuta ia de pachete f r conexiune CLPS (ConnectionLess Packet-Switched).

Pe lâng func iile aferente transferului de informa ie între utilizatori, p turatransport include i func ii de control i management al resurselor de transport, surse i destina ii, la rândul lor, de trafic prin p tura transport. Conform figurii 2.7.5, în principiu, fiecare strat din sec iunea de transport are, din punct de vedere arhitectural, propriul s u plan de utilizator, de control i de management. În practic , îns , implement rile se pot abate de la ceast regul , existând situa ii

Servicii NGN Ex.: Servicii telefonice de voce (audio, fax etc.)

Ex.: Servicii de date (WWW, e-mail etc.) Ex.: Servicii video (TV, filme etc.)

Nivele tehnologice CO-CS, CO-PS i CLPSTransport NGN

Figura 2.7.4: Separarea serviciilor de transport în NGN


de genul: un anumit strat nu este vizat de planul de management/control sau mai multe straturi sunt controlate/manageriate la un loc, prin intermediul unor tehnologii integratoare, precum GMPLS (Generalized MultiProtocol Label Switch).

P tura servicii este componenta arhitecturii NGN care furnizeazfunc iile utilizator (user functions), prin intermediul c rora utilizatorii folosesc serviciile oferite, i func iile de control i management al resurselor i al serviciilor de re ea, care asigur desf urarea respectivelor servicii. Serviciile oferite utilizatorilor se pot implementa într-o manier recursiv , una sau mai multe aplica ii ale unor servicii oferite de straturile inferioare, din p tura servicii, putându-se constitui drept servicii pentru o aplica ie de strat superior (de exemplu: aplica ii ale serviciilor de voce, date i video pot deveni servicii pentru o aplica ie multimedia). Ca i în cazul p turii transport, din punct de vedere arhitectural, fiecare strat constitutiv are, în principiu, f r a exclude excep iilesusmen ionate, propriul s u plan utilizator, de control i de management. Serviciile sunt oferite utilizatorilor prin intermediul unor platforme de servicii. De la caz la caz, p tura servicii poate implica un ansamblu complex de platforme de servicii sau, în cel mai simplu caz, doar "site"-urile a doi utilizatori finali.

2.8 Securizarea comunica iei

Desf urarea, în condi ii satisf c toare, a serviciilor de comunica ii cere ca o serie de protocoale specifice s fie implicate în schimbul corespunz tor de informa ie. De exemplu, protocoalele care asigur servicii de comunica ii sigure codific informa iile transmise pentru a detecta erorile de transport, atunci când ele au loc, astfel încât acestea s poat ini ia ac iuni corective. Un alt exemplu îl constituie protocoalele de securitate care ofer siguran serviciilor de comunica ii, în sensul prevenirii intercept rii ilegale a schimbului de informa iesau alter rii con inutului corespunz tor, protejându-i, astfel, pe utilizatorii legitimi. Despre acest ultim aspect se vor face preciz ri în cele ce urmeaz , la modul general, subiectele avute în vedere fiind legate de:

Sec iunea NGN de Servicii

Planul de utilizatorPlanul de control

Planul de management

Planul de utilizatorPlanul de control

Planul de management

Sec iunea NGN de Transport

Figura 2.7.5: Modelul de referin NGN

AAnneexxee

Anexa A: Automate extinse, cu

num r finit de st ri Evolu ia în timp a unui proces care se manifesta într-un num r finit de ipostaze poate fi descris prin intermediul conceptului de automat cu num rfinit de st ri FSM (Finit State Machine). Acest prim formalism (model), dezvoltat în acest sens prezint procesul prin intermediul unui ansamblu notat 0,,, sTS

sau 0,,,, sTSOI , unde cuprinde toate semnalele (stimuli) de intrare, I,respectiv de ie ire, O pe care procesul le poate recep iona dinspre i transmite înspre alte procese cu care acesta comunic pe parcursul existen ei sale. Restul elementelor men ionate în ansamblul precizat anterior semnific : mul imeast rilor, S, în care procesul se poate afla la un moment dat, mul imeatranzi iilor, T, pe care procesul le poate parcurge odat cu trecerea dintr-o stare într-alta i starea ini ial , 0s , din care procesul începe s evolueze. În plus, acest formalism, precum i cele derivat, a c rui prezentare se va face ulterior diferen iaz elementele acestor mul imi din punct de vedere temporal, considerând c sta ionarea procesului într-o anumit stare este înso it de scurgerea timpului i c , în general, tranzi iile sunt str b tute instantaneu. În privin a mul imii tranzi iilor, aceasta reprezint un produs cartezian pentru care este valabil rela ia:

SOIST (A.1)


un element al acesteia Tt , adic o tranzi ie, fiind definit de cuartetul:soist ,,, (A.2)

unde s este starea de origine a tranzi iei, i este semnalul de intrare care condi ioneaz procesul s urmeze tranzi ia în cauz , o este un (eventual) semnal de ie ire emis de proces odat cu parcurgerea respectivei tranzi ii, iar s este starea de destina ie, punctul terminus al tranzi iei t. Num rul restrâns de elemente utilizat de acest formalism (FSM) ofer , în cazul proceselor complexe, un mijloc ineficient de descriere, motiv pentru care s-a dezvoltat o variant superioar , intitulat automat extins cu num r finit de st ri (Extended FSM). În acest caz, un proces este descris prin intermediul ansamblu notat M, cu o structur definit prin:

FAPVsS ,,,,,, 0 (A.3)

în care: - este mul imea semnalelor (mesajelor) care pot fi transmise sau

recep ionate, - S este mul imea st rilor,- 0s este starea ini ial ,- V este mul imea variabilelor (de stare) utilizate în descrierea procesului, - P este mul imea predicatelor (enun uri logice) care opereaz cu variabilele

de stare i parametri mesajelor de intrare, oferind rezultate de genul FALS/ADEV RAT,

- A este mul imea ac iunilor care se r sfrâng asupra variabilelor de stare, - F este mul imea func iilor de tranzi ie, definit conform urm torului

exemplu:: ( ) ( )f S P V S A V cu Ff (A.4)

Ca i în cazul formalismului FSM, o parte din elementele prezentate mai sus pot fi substituite, utilizându-se, în locul func iilor de tranzi ie, F, mul imea tranzi iilor, T, iar în locul mul imii mesajelor, , perechea alc tuit din mul imea semnalelor (interac iunilor) de intrare, I, i mul imea semnalelor de ie ire, O.

tk. . .

. . .

si

sj

Stare

CONDI IA DE TRANZI IE (poate con ine un

eveniment (semnal) de intrare i/sau un predicat)

ACTIVIT I PE TRANZI IE (poate con ine evenimente

(semnale) de ie ire i/sau ac iuni asupra variabilelor de stare)

Tranzi ie

Figura A-1: Elemente grafice utilizate în reprezentarea conven ional a automatelor extinse cu num r finit de st ri (EFSM)

Anexe 299

Conven ional, evolu ia unui proces utilizând un astfel de formalism bazat pe ansamblul 0, , , , , ,S s V P A F poate fi descris prin intermediul unei reprezent ri grafice care se alc tuie te folosind structura elementar con inut în figura A-1. Pentru exemplificare, punctele de suspensie din cadrul acestei structuri au fost completate în figura A-2 pentru un caz ipotetic, în care procesul aflat în stare is iese din aceasta, urmând tranzi ia kt , dac s-a recep ionat (simbolul: ?)mesajul de intrare IN_ID.message de la entitatea (procesul) de identitate IN_ID i dac , în urma oper rii, predicatul a generat un r spuns afirmativ. În aceste condi ii, procesul execut , pe parcursul tranzi iei, o ac iune de incrementare a variabilei number i genereaz semnalul (evenimentul) de ie ireOUT_ID.message care are ca destina ie entitatea (procesul) de identitate OUT_ID, dup care intr în starea js .

În cazul în care formalismul utilizeaz un ansamblul de genul 0, , , , , , ,I O S s V P A T , interac iunile cu exteriorul procesului sunt descrise textual

folosind sintaxa urm toare:ip?i(parlist) I i ip!o(parlist) O (A.5)

în care: - ip reprezint punctul de interac iune al procesului cu exteriorul acestuia;

vezi, de exemplu, no iune echivalent , de service acces point, din cadrul ansamblului conceptual OSI (Open System Interconection),

- ?i specific faptul c este vorba de o interac iune de intrare a c rei identitate este i,

- !o specific faptul c este vorba de o interac iunea de ie ire a c rei identitate este o,

- parlist const într-o (eventual ) list de parametri care înso e te interac iunea în cauz . Aceast list poate cuprinde variabile, m rimi caracteristice interac iunilor, constante etc.; din punct de vedere al modului de reprezentare, ele pot fi de tipul: întreg, real( float,double,…), boolean, caracter,ir de caractere etc.

sj

si? IN_ID.message (number < no_of_segments) and not_expired_time

number = number + 1 ! OUT_ID.message

tk

Figura A-2: Exemplu de aplicare a reprezent rii conven ionale a automatelor extinse cu num r finit de st ri (EFSM)


În privin a tranzi iilor, Tt acestea se specific textual sub forma:t=(source,dest,input,pred,compute_bloc) (A.6)

în care: - source este starea de origine, - dest este starea de destina ie,- input este (dac exist !) interac iunea de intrare, - pred este o expresie logic , compatibil prin conven ie cu limbajul

PASCAL), care opereaz cu variabile de stare, parametri ai interac iunilor iconstante,

- compute_bloc este un bloc de ac iuni descrise prin instruc iuni compatibile, de asemenea, cu limbajul PASCAL. Oricare din componentele unei tranzi ii poate fi reprezentat ca membru al acesteia utilizând o sintax asem n toare cu cea utilizat de limbajul C++ când se fac referiri la elementele unei clase definite prin intermediul acestuia. Astfel, men ionarea predicatului pred care apar ine tranzi iei t se face utilizând o expresie de genul: t.pred . În general, descrierea unui automat extins cu num r finit de st ripresupune o serie de ramifica ii i bucle care pot fi exprimate prin intermediul limbajelor de programare utilizând instruc iuni de genul: if…then…else…, switch…case, while…, for… etc. Un automat care nu con ine astfel de instruc iuni în partea de descriere a activit ilor din cadrul tranzi iilor se nume teautomat extins normalizat cu num r finit de st ri.Tema A.1: Descrie i func ionarea unui num r tor modulo 10 folosind atât formalismul FSM, cât i formalismul EFSM normalizat.

* * * No iunile introduse mai sus apar in unui vocabular utilizat în descrierea unui automat extins cu num r finit de st ri, vocabular care mai con ine i al itermeni. Dintre ace tia, cei mai frecven i sunt:

tur, care reprezint un drum închis prin diagrama de tranzi ii i st ri ale procesului,tranzi ie spontan , care corespunde unei tranzi ii f r interac iune de intrare,context al automatului (notat cu M de la denumirea ma in cu num rfinit de st ri), dat de setul:

Vvarvalvar ,( i val este valoarea atribuit variabilei var

context valid care este un context la care se poate ajunge plecând de la stare ini ial .

O tranzi ie spontan (necondi ionat ), t, este executabil dac : automatul, M, se g se te în t.source (adic în starea de origine a

tranzi iei), în contextul curent, t.pred=true (în sensul c predicatul care

Anexe 301

caracterizeaz respectiva tranzi ie a generat, prin operarea sa asupra variabilelor de context, rezultatul true (adev rat).

O tranzi ie nespontan (condi ionat ) este executabil dac : automatul, M, se g se te în t.source; exist o interac iune de intrare, i, care este recep ionat la punctul de

interac iune ip, adic , în scriere conven ional :t.input=ip?i(parlist);

contextul st rii i valorile parametrilor corespunz tori interac iunii de intrare asigur valoarea true pentru predicatul t.pred .

Automatele extinse cu num r finit de st ri se diferen iaz func ie de num rul tranzi iilor executabile care sunt legate de un anumit context i valori ale parametrilor care caracterizeaz interac iunile de intrare. Astfel, atunci când exist cel mult o tranzi ie executabil pentru orice context al oric rei st ri i orice valoare a parametrilor de interac iune, automatele în cauz sunt deterministe, în caz contrar având un caracter aleatoriu (nedeterminist). Descrierea unui automat extins cu num r finit de st ri se poate face grafic, prin intermediul unei diagrame de st ri i tranzi ii sau textual, recurgând la un tabel în care sunt definite toate tranzi iile ce pot fi str b tute de c tre acesta. Ultima variant este prezentat în continuare pe un exemplu care presupune cautomatul considerat are dou puncte de interac iune, U i N, iar interac iunile (stimuli) i variabilele de stare apar in urm toarelor mul imi:

I={U?TCONreq(dest_add,prop_opt),…,N?TrAck(Xp,…),N?ready,…}O={U!TCONconf(opt),U!error,U!TDISconf,…,N!TrAck(sg_no,credit),…}V={opt,R_credit,…}

Tabelul A-1: Descriere textual a unui automat extins cu num r finit de st ri(exemplu)

Tranzi ie t1 t2 t3Surs s3 s1 s2

Destina ie s1 s2 s3

Input U?TCONreq(dest_add,prop_opt)

U?TCONresp(accept_opt)

N?terminated

Predicate accept_opt<opt

Compute_block opt=prop_opt;R_credit = 0;

opt=accept_opt;

Output U!TDISconf

inând cont de aceste elemente, se pot imagina câteva tranzi ii care se reg sesc în tabelul A-1. Denumirile întâlnite în acest tabel pot avea, de exemplu, urm toarea semnifica ie:

- U?TCONreq(dest_add, prop_opt) este o cerere primit prin punctul de interac iune U, din partea unei entit ii exterioare procesului pentru stabilirea unei conexiuni în vederea transmiterii la adresa de destina ie dest_add cu op iunea de propagare prop_opt,


- U?TCONresp(accept_opt) este un r spuns de acceptare a op iunii de propagare,

- U?TDISconf este o confirmare a faptului c conexiunea stabilit anterior în vederea transmiterii a fost întrerupt (disconnected),

- N?teminated este un mesaj de încheiere a activit ii în curs de desf urare.

Tema A.2: Prezenta i sub form grafic automatul extins cu num r finit de st ri,descris textual în tabelul A-1.

Anexa B:Limbajul de specificare

i descriere, SDL În 1976, CCITT a pus la dispozi ia proiectan ilor de software pentru comuta ie un limbaj (formal) de specificare i descriere, SDL, (Specification and Description Language). Acest "limbaj" este recomandat atât pentru specificarea func ionalit ii unui sistem de comuta ie ("ce are de f cut"), cât ipentru descrierea detaliat , la nivel logic, a func iilor propriu-zise ("cum se face").Preluând diferite concepte i metode dezvoltate în cadrul teoriei automatelor cu st ri finite, limbajul SDL permite descrierea de structuri i procese prin intermediul unor cuvinte cheie i/sau a unor simboluri grafice. Astfel, pentru prezentarea structurii unui sistem, limbajul ofer conceptele de sistem, bloc icanal, a c ror reprezentare grafic , SDL/GR (Graphic Representation), este con inut în figura B-1.

În dorin a de a oferi mai multe niveluri de detaliere, blocurile pot fi descompuse, la rândul lor, în sub-blocuri i canale. Pentru aceast opera iune,limbajul SDL pune la dispozi ie dou no iuni specifice:

sub-structur – pentru a specifica modul de alc tuire a unui bloc cu structur intern ,

BlocSistem

SDL/GRConcept

Canal

Figura B-1: Concepte LDS pentru reprezentare grafic a structurii unui sistem

Anexe 303

despicare – pentru a descrie modul în care un canal legat la bloc se despic în interiorul acestuia în mai multe canale.

Descrierea complet a unui sistem presupune prezentarea atât a structurii cât i a modului de func ionare a componentelor sale. În cazul limbajului SDL, pentru definirea unit ilor func ionale (dinamice) se utilizeaz conceptul de proces.

Un proces reprezint un automat extins cu num r finit de st ri (Anexa A), care este ata at unui bloc f r structur intern . Un bloc poate dispune de mai multe procese. Aceast flexibilitate a grup rii proceselor (unul sau mai multe în acela i bloc) este oferit pentru a satisface diversele necesit i de proiectare. Procesele se pot grupa în blocuri ce asigur acelea i activit i, realizându-se astfel minimizarea num rului lor. O ac iune în sens opus, anume segmentarea pe mai multe blocuri, permite o implementare eficient a proceselor complexe. Apartenen a proceselor la blocuri se reprezint ca în cazul particular precizat în figura B-2. În func ie de necesit i, fiecare proces se poate descompune în servicii, care reprezint i ele tot ni te automate extinse cu st rifinite. Dar spre deosebire de procese, care se preteaz unei execu ii paralele, serviciile apar inând aceluia i proces nu au aceast libertate, deoarece unul singur dintre acestea se poate afla, la un moment dat, în execu ie. Un proces (sau serviciu) este alc tuit din st ri i tranzi ii între st ri. O stare reprezint o anumit situa ie în care procesul este suspendat în a teptarea unui semnal de intrare (stimul). Un semnal este o secven de informa ii destinat unui proces. Semnalele pot fi de origine hardware sau software. Semnalele pot fi externe,când comunica ia are loc între procese localizate în blocuri distincte, sau interneîn caz contrar.

Tranzi ia este o succesiune de ac iuni care înso e te trecerea unui proces dintr-o stare într-alta, ca r spuns la o intrare (stimul) anumit . De exemplu, un proces de prelucrare apeluri aflat în starea LIBER va tranzita în starea NUMEROTARE, activând un generator de ton (prin trimiterea unui semnal de ie ire), i se va preg ti pentru recep ia cifrelor, atunci când va fi stimulat de semnalul de ANGAJARE (corespunz tor ac ion rii furcii de comuta ie la deschiderea aparatului chem tor). Principalele simboluri utilizate în descrierile grafice ale proceselor sunt

SISTEM

P321 P322

B1 B3 B2

B32 B31 P2

- proces

Figura B-2: Exemplu de reprezentare grafic a componen ei la nivel de proces


prezentate în figura B-3. Semnifica iile unora dintre acestea au fost deja precizate, r mânând ca în continuare s fie explicate i celelalte:

DECISION – define te mai multe variante ce pot fi urmate pe parcursul unei tranzi ii func ie de r spunsul ob inut în urma verific rii unor condi ii.

TASK – define te orice activitate care se desf oar pe parcursul unei tranzi ii ce nu este nici decizie, nici ie ire;

SAVE – ofer o metod de punere în rezerv a unui semnal, când procesul se afl într-o anumit stare. În acest fel, se poate amâna prelucrarea semnalului pân se îndeplinesc i alte condi ii;

CONNECTOR – este o etichet unic util în cazul în care un proces este descris pe mai multe pagini;

PROCEDURE CALL – orienteaz parcurgerea descrierii c tre o procedurprecizat în apel;

RETURN – revenirea în punctul de unde procedura a fost ini iat ;CREATE REQUEST – creeaz o nou instan a procesului precizat în

apel;STOP – încheie existen a instan ei corespunz toare.

Ca exemplificare a modului de utilizate a limbajului SDL se prezint în figura B-4 diagrama ce corespunde procesului de tratare a unui apel local în cadrul PTNS, a a cum este ea specificat de ITU-T în recomand rileZ.101-Z.103.

DENUMIRE

STATE

TASK

OUTPUT

DECISION

SAVE

CONNECTOR

PROCEDURE CALL

RETURN

CREATE REQUEST

STOP

INPUT

SEMNIFICA IE

Stare

Ac iune

Ie ire

Decizie

Punere în rezerv pe durata tranzi iei

Conector

Procedur de apel

Revenire din procedur

Creaz o instan a unui proces

Desfin eaz o instan a unui proces

Intrare

SIMBOL

Figura B-3: Principalele simboluri SDL

Anexe 305

1

2

NO

YESYES

NO

Start T0

Send dial tone

Await first digit

Digit

Stop dial tone

Connect digit receiver

Digit analysis

1

2

LEGEND

Idle Repaus


Conecteazreceptorul de cifre

Await first digit A teapt prima cifr

Digit analysis Analiz cifr

Disconnect digit receiver

Deconecteazreceptorul de cifre

Await next digit A teapt cifra urm toare

Blocking Blocare

Allocate path Alocare drum

Ringing Apelare

Insufficient digits Local call

Stop T0

Start T1

Await next digit

Digit

Stop T1

2

Stop dial tone

Idle


B-party free

Blocking

Allocate path A – B

Send ring signal to B

Send ring tone to A

Start T4

Ringing

Time release T1



Stop T1

Idle

Aon hook

Aoff hook

Aon hook

Time release T0


Stop dial tone


Stop T0

Idle

Figura B-4: Tratarea unui apel local – plan a 1/2


Stop T4

Stop ring tone

Conversation

Connect path A-B

2

2

LEGEND

Conversation Convorbire

Release allocated path

Elibereaz calea alocat

Connect path Conecteaz calea

Disconnect path Deconecteaz calea

Await A/B on hook

A teapt coborârea furcii la A/B

Define tone S Definire tonalitate S (ton de ocupat)

Tone S connected Conectarea tonalit i i S

Await B on hook

Ringing

Time release T4

Aon hook

Boff hook

Aoff hook

Time release TB

Aon hook

Stop ring signal


Stop T4

Idle

Stop ring signal

Start metering A

Stop metering A

Start metering A

Conversation

Bon hook

Disconnect path A-B

Idle

Bon hook

Start TB

Await A on hook

Aon hook

Stop metering A

Stop TB

Disconnect path A-B

Idle

Boff hook

Stop metering A

Disconnect path A-B

Define tone S

Send tone S

Start TS

Tone S connected

Aon hook

Stop tone

Stop TS

Idle

Time release TS

Change tone S

Tone S connected

Stop TB

Conversation

Stop ring signal

Stop ring tone


Stop ring tone

Figura B-4: Tratarea unui apel local (continuare) – plan a 2/2

Tema B.1 Analizând con inutul celor dou diagramelor prezentate în figura B-4:

preciza i care este rolul m rimilor T0, T1, T4 i TS modifica i diagrama astfel încât s corespund cu modul de func ionare

propriu re elelor autohtone, de telefonie fix .

Anexa C:Diagrama de secven e

ale mesajelor, MSC Descrierea func ion rii unui sistem se poate realiza i prin intermediuldiagramelor de secven e ale mesajelor, MSC (Message Sequence Chart).O diagram MSC con ine schimburile de mesaje între diversele componente structurale ale unui sistem. Pentru asigurarea compatibilit ii între cele doulimbaje, componentele luate în considerare în cadrul diagramelor MSC trebuie descrise la nivel static (structur , c i de comunica ii, semnale, ...) sub form SDL.

O diagram MSC se prezint sub forma exemplului din figura C-1. Conform acesteia, liniile verticale corespund diverselor componente (instan e) ale modelului (sistem, bloc, proces, mediu), iar liniile orizontale (eventual oblice) corespund evenimentelor legate de comunicarea între componentele modelului

DESCRIERE SDL

B 1 B 2

B

s1

s4

s2

s3

BInterfaA

InterfaB

s2

s3

s1

s4

B 1s5

s6

B 2InterfaA

InterfaB

DESCRIERE MSC

Figura C-1: Exemplu de diagram MSC


(semnalul emis sau recep ionat, ruta sau canalul utilizat) sau de ini ierea/expirarea unor temporizatoare. Modul de ordonare pe vertical a liniilor orizontale trebuie s respecte cronologia evenimentelor luate în considerare. Principalele simboluri utilizate în reprezent rile MSC compatibile SDL sunt prezentate în figura C-2.

Tema C.1: S se traseze în diagrame MSC evolu ia unui apel telefonic local, descris anterior cu diagrama SDL din figura B-4. Blocurile func ionale luate în considerare sunt reprezentate în figura C-3. Se vor analiza scenariile urm toare:

i) apelul este satisf cut (se ajunge în stare de convorbire) i sfâr itul s ueste comandat de c tre abonatul A;

ii) apelul nu este satisf cut deoarece abonatul B este ocupat; iii) apelul este abandonat dup formarea a dou cifre, prin coborârea furcii la

abonatul A ; iv) abonatul B nu r spunde, iar abonatul A a teapt pân se epuizeaz

temporizatorul T4.

DENUMIRE SEMNIFICA IESIMBOL

ACTION Activitate intern a unei componente (instan ).

CONDITION Stare a unui ansamblu de componente

COREGION Interval de timp în care ordinea evenimentelor nu este strict

MESSAGE Schimb de informa ie între doucomponente ale modelului

PROCESS CREATION

Creare dinamic a unei instan e a unui proces (serviciu)

STOP Desfin area unei instan e a unui proces (serviciu)

TIMER SET Ini ializarea unui temporizator creat de o instan a unui proces (serviciu)

TIMER RESET Dezactivarea unui temporizator

TIMER TIMEOUT Epuizarea timpului urm rit de temporizator

Figura C-2: Principalele simboluri ale reprezent rilor MSC

Anexe 309

Indica ie: pentru cazul apelului satisf cut fragmentul de început al diagramei MSC este precizat în figura C-4.

SIGNAL RECOGNITION

(recunoa tere semnal)

A off hook (furca ridicat la A)

SIGNAL EMISSION

(emitere semnal)

Out of service(scos din func iune)

CALL PROCESSING

(prelucrare apel)

Start metering A(porne tecontor A)

MAINTENANCE (între inere)

METERING (contorizare)

A on hook (furca coborât la A)

B off hook (furca ridicat la B)

B on hook (furca coborât la B)

Digit (cifr )

Stop tone S (opre te ton S)

Send tone S (trimite ton S)

Stop ring signal (opre te curent de sonerie)

Send ring signal to B (trimite curent de sonerie)

Stop ring tone (opre te ton de revers apel)

Send ring tone to A (trimite ton de revers apel)

Send dial tone to A (trimite ton de disc)

Stop dial tone (opre te ton de disc)

Change tone S (schimb ton S)

Stop metering A

(opre tecontor A)

Figura C-3: Interac iunea dintre blocurile implicate în tratarea unui apel local


CALL PROCESSING

SIGNAL EMISSION

SIGNAL RECOGNITION METERING

A off hook

Send dial tone to A

Digit 1 T0

Stop dial tone

T1

Idle

Figura C-4: Interac iunea dintre blocurile implicate în tratarea unui apel local * * *


Tema C.2: Trasa i diagrama MSC corespunz toare tranzi iei procesului de prelucrare a unui apel local din starea:

i. "Ringing" în starea "Idle" ii. "Await next digit" în starea "Idle".


Transmisia informa iei Transmisia informa iei are ca obiectiv livrarea acestei la destina ie, în condi ii optime de calitate i cost. Realizarea acestui deziderat impune utilizarea, ca element fundamental, a unui sistem de transmisiuni. Un sistem de transmisiuni este alc tuit, ca în figura 3.1, dintr-un transmi tor (transmiter), numit i emi tor, i un receptor (receiver), interconectate prin intermediul unui mediu de transmisiune (transmission medium sau communication channel)[52], [53]. Sistemele de transmisiuni sunt destinate transport rii la distan a semnalelor, adic a acelor m rimi fizice, variabile (unde electromagnetice, în cazul re elelor de comunica ii), ob inute prin traducerea în aceast form a informa iei con inut în vorbire, caractere, imagini etc., folosind mijloace dedicate acestui scop precum, microfonul sau camera de luat vederi.

În vederea îndeplinirii obiectivului propus, proiectarea unui sistem de transmisiuni trebuie s in cont, atât de însu irile semnalelor c rora le sunt destinate, cât i de caracteristicile mediului de transmisiune. Semnalele prezintun anumit spectru de frecven , mai mult sau mai pu in limitat, numit spectru de baz sau band de baz . Un exemplu în acest sens îl constituie spectrul semnalului vocal, ce se întinde de la 8050 Hz la 108 kHz i care are un maxim în jurul frecven ei de 500300 Hz, dup care scade cu circa

108 dB/octav .

Transmi torMediu de

transmisiune Receptor

Semnal original

Semnal reprodus

Figura 3.1: Componentele unui sistem de transmisiuni


Mediile de transmisiuni au ca principale caracteristici urm toarele: func ia de transfer, viteza de propagare, impedan a caracteristic , zgomotul.

În func ie de natura analogic sau digital a semnalelor c rora le sunt destinate, sistemele de transmisiuni sunt la rândul lor de tip analogic sau digital. Un sistem de transmisiuni analogice este destinat semnalelor a c ror amplitudine variaz într-un domeniu continuu de valori, precum cel prezentat în figura 3.2, generat, de exemplu, de un microfon care traduce un anumit sunet. În vederea reproducerii cât mai exacte a semnalului originar, receptorul unui astfel de sistem de transmisiuni, denumit i repetor, este alc tuit, conform cu figura 3.3, dintr-un amplificator, Amp, i un egalizor, necesare compens rii distorsiunilor introduse de caracteristicile de atenuare, respectiv defazare, ale mediului de transmisiuni.

Cu toate aceste m suri, efectul zgomotului asupra semnalului nu poate fi, îns , identificat prin faptul c plaja valorilor posibil de recep ionat este continu .În consecin , chiar în condi iile unei amplific ri de band îngust , reproducerea are de suferit, la energia semnalului recep ionat (atenuat i distorsionat) ad ugându-se energia zgomotului din banda util .

În general, atunci când între surs i destina ie se interpune un singur segment de transmisie, diferen a dintre ceea ce s-a transmis i ceea ce s-a recep ionat nu este sup r toare, putând fi chiar imperceptibil . În schimb, odat

Emis Recep ionat(a) Transmisie analogic :

toate detaliile trebuie reproduse cu exactitate

(b) Transmisie digital :trebuie reproduse doar

nivele discrete

Emis Recep ionat

Figura 3.2: Principiul transmisiei analogice i al celei digitale

Semnal atenuat i distorsionat

+Zgomot

Repetor

Semnal recuperat+

Zgomot rezidualEgalizorAmp

Figura 3.3: Repetor analogic

3. Transmisia informa iei 161

cu cre terea num rului de segmente din care este alc tuit lan ul de transmisie(vezi figura 3.4) se poate ajunge la situa ii de neacceptat deoarece zgomotul mediului, ca i cel al echipamentelor din transmi tor i receptor, are un nivel de putere constant care se acumuleaz de la un tronson la altul, deteriorând tot mai mult raportul semnal zgomot, SNR (Signal to Noise Ratio), acesta fiind parametrul specific de evaluare a calit ii sistemelor de transmisiuni analogice.

Un sistem de transmisiuni digitale este destinat semnalelor a c ror amplitudine variaz într-un domeniu finit de valori. În acest caz, i considerând exemplul prezentat în figura 3.2(b), obiectivul transmisiei este ca la recep ie s se reproduc doar dou nivele, din multitudinea de nivele ce se pot recep iona, fapt care asigur o protec ie la zgomot mult superioar în compara ie cu sistemele de transmisiuni analogice. Desigur c orice avantaj are pre ul s u, schema receptorului din cadrul unui sistem de transmisiuni digitale fiind ceva mai complex , deoarece în acest caz este necesar i sincronizarea la nivel de simbol. A a cum se prezint iîn figura 3.5, pe lâng blocul de amplificare-egalizare (amplifier equalizer),necesar compens rii distorsiunilor de amplitudine i faz introduse de mediul de transmisiuni, desigur nu atât de performant ca în cazul sistemelor de transmisiune analogic , un repetor digital mai con ine un circuit de recuperarea frecven ei de tact (timing recovery) i un circuit de decizie i regenerare (decision circuit and signal regenerator).

Circuitul de regenerare a frecven ei de tact interpreteaz succesiunea de impulsuri ref cut de amplificator i egalizor în vederea stabilirii intervalelor corespunz toare simbolurilor i, implicit, controleaz frecven a i faza cu care tactul este generat local.

Circuitul de decizie e antioneaz respectiva succesiune la mijlocul fiec rui interval, valorile g site fiind folosite la regenerarea/reproducerea semnalului originar. Desigur, i în acest caz, zgomotul poate afecta semnalul ref cut prin schimbarea valorilor originare în punctele de e antionare. În consecin , pentru a

Surs

Segment de transmisie

Repetor Repetor Destina ie

Figura 3.4: Structura tipic a lan ului de transmisie la mare distan

Decizie iregenerare

Recuperarea frecven ei de tact

Amplificare i egalizare

Figura 3.5: Repetor digital


reduce pân la o limit acceptabil acest fenomen, sistemele de transmisiuni sunt proiectate luând în considerare valori de genul 410 pentru rata erorilor de bit, BER (Bit Error Rate), parametru specific de calitate al sistemelor de transmisiuni digitale. Cu toat cre terea în complexitate, sistemele de transmisiuni digitale prezint în compara ie cu cele analogice o serie de avantaje care le fac s fie de preferat. Este vorba în principal de garantarea unei fidelit i constante, indiferent la câte regener ri a fost supus semnalul originar (vezi cazul înregistr rilor audio de pe un CD pe altul spre deosebire de cazul înregistr rilor audio de pe o bandmagnetic pe alta) i de posibilit ile de miniaturizare, imposibil de ob inut cu cel lalt gen de tehnologie.

3.1 Medii de transmisiune

Capitolul de fa are drept obiectiv prezentarea ceva mai detaliat a caracteristicilor mediilor de transmisiune folosite de sistemele i re elele de comunica ii, ale c ror denumiri au fost men ionate în rândurile anterioare. Înainte îns de aceast prezentare este necesar o trecere în revist a unor no iunipreliminare, dezvoltate în cadrul teoriei semnalelor, circuitelor i sistemelor. Acest demers va fi realizat în sec iunea ce urmeaz .

3.1.1 No iuni preliminare Considerând c sistemele sunt liniare i cu parametri constan i, studiul transmisiei semnalelor, [37], [12], ca r spuns al sistemelor la semnalele de intrare, porne te, în cazul folosirii metodei Fourier, de la rela iile de baz :

)()()()()()(

HXYthtxty

(3.1.1)

în care m rimile, prezente i în figura 3.1.1, au urm toarele semnifica ii:)(tx – semnalul de intrare (de la emisie);

)(ty – semnalul de ie ire (de la recep ie); )(th – func ia pondere (r spunsul sistemului la impulsul Dirac); )(X – transformata Fourier a semnalului de intrare:

ttxtxX tj de)()()( F (3.1.2)

cu pulsa ia f2 i frecven a f ; )(Y – transformata Fourier a semnalului de ie ire: )()( tyY F ; )(H – func ia de transfer (de circuit) a sistemului: )()( thH F .

Unitatea de m sur a pulsa iei este rad/ sec , iar a frecven ei este Hzf . Hertzul este inversul secundei, iar radianul este m sura unghiului

care subînscrie un arc de lungime egal cu raza cercului de referin .


În general, func ia de transfer este o m rime complex , motiv pentru care ea poate fi exprimat sub forma:

( ) ( ) exp ( )H A j (3.1.3) în care:

( ) ( ) este ( ) arg ( ) este

A HH

caracteristica de amplitudinecaracteristica de faz

(3.1.4)

În cazul circuitelor cu parametri constan i, func ia de transfer este o func ie real ra ional . La aceste m rimi se adaug timpul de întârziere de grup, dat de rela ia:

( ) d ( ) d (3.1.5) Considerând aceste m rimi, caracterizarea unui sistem în domeniul frecven ei se face conform exemplului din figura 3.1.2, care corespunde unui filtru trece jos de ordinul 2 (reprezint num rul polilor func iei de transfer), iar r spunsul sistemului la un semnal sinusoidal ttx 0cos)( este de forma:

0 0 0( ) ( ) cos ( )y t A t (3.1.6)

Presupunând c sistemul este liniar, adic :)()()()( 22112211 txLatxLatxatxaL

unde L este operatorul care transform semnalul de intrare în cel de ie ire,rezultatul anterior se poate generaliza pentru orice semnal periodic, care se poate deci exprima sub form de serie Fourier, adic :

00 )cos()(

kk tkatx (3.1.7)

iar r spunsul circuitului va fi dat de rela ia:

h(t)x(t) y(t)

Sistem SistemF ( )X ( )Y( )H

Figura 3.1.1: Modelul de studiu al r spunsului unui sistem la un semnal de intrare

1 21

1)(A

Caracteristica de amplitudine0

arctg)(

-45o

-90o

1

Caracteristica de faz

0-1

45o

90o

Figura 3.1.2: Exemplu de caracteristic de amplitudine i de faz


0 0 00

( ) ( )cos ( )kk

y t a A k k t k (3.1.8)

Pulsa iei 0 îi corespunz toare frecven a 0 0 ( 2 )f , numit frecven afundamental , iar frecven ele 0fk sunt armonicele de ordinul k . Revenind la exemplul considerat în figura 3.1.2 i având în vedere rezultatul precizat cu rela ia 3.1.8, este limpede c modificarea cu frecven a a func iei de transfer a unui sistem de transmisiuni afecteaz posibilit ile de reproducere la ie irea din acesta a semnalului de intrare. Astfel, presupunând cun sistem de transmisiuni este caracterizat prin:

1, pentru ( )

0, în restM MA i

0, pentru ( )

indiferent, în restM M

r spunsul acestuia în timp, func ie de valoarea M , la un semnal de intrare ob inut prin repetarea periodic a secven ei binare "10000001", transmis cu viteza de 8 kbit/sec, folosind impulsuri de amplitudine 1 pentru simbolurile "1" ide amplitudine 1 pentru simbolurile "0" se va apropia cu atât mai mult de originar cu cât num rul armonicelor l sate s treac este mai mare (vezi figura 3.1.3).

Prin urmare, din acest exemplu rezult c fixarea corect a frecven ei Mf ,adic a benzii de trecere Mf,0 este un factor important în proiectarea sistemului de transmisiuni, o valoare prea mic împiedicând func ionarea corect a detec iei, iar o valoare prea mare conducând la o risip nejustificat de resurse.

(a) 1 armonic

-1,5-1

-0,50

0,51

1,5

0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 1 msec

(b) 2 armonice

-1

0

-1,5

-0,5

0,5 1

1,5

0,25 0,375 0,5 0,625 0,75

(c) 4 armonice

-1

0

-1.5

-0.5

0.5 1

1.5

0,25 0,375 0,5 0,625 0,75

Semnal originar

1 msec

1 msec

0,125 0,875

0,125 0,875

0,125 0,875

Figura 3.1.3: Semnal la ie irea filtrului trece jos


Tema 3.1Preciza i valoarea frecven ei fundamentale a semnalului considerat în exemplul anterior. Dar dac secven a binar repetat este 11001001 sau 11001100?

* * * La concluzia desprins anterior se poate ajunge i dac se considerdrept exemplu un sistem de transmisiuni care se comport conform modelului FTJ ideal, caracterizat de:

restin,0

pentru,1)(

MMA i

restin,indiferent

pentru,)(

MMdt

analiza f cându-se, de aceast dat , în domeniul timp. Astfel, se poate ar ta cîn acest caz, func ia pondere este dat de rela ia: )()( dttsth (3.1.9)

unde: t

tttsM

MM

)sin()(sinc)( (3.1.10)

cu reprezentarea grafic din figura 3.1.4.

Prin urmare, în ipoteza c la emisie se genereaz impulsuri Dirac, se poate considera, dat fiind faptul c cea mai mare parte a energiei impulsului recep ionat se g se te în intervalul TT , , c l imea sa este de aproximativ

MM ffT 1)2(22 . În concluzie, se poate afirma c : cu cât banda de trecere, adic Mf , cre te, cu atât l imea impulsului )(ts scade, permi ând injectarea simbolurilor în sistem la intervale tot mai mici, ceea ce se traduce în cre tereafrecven ei lor de generare (debitul).

Tema 3.2 Stabili i care este capacitatea unui sistem/mediu de comunica ii cu o caracteristic echivalent cu cea a unui FTJ ideal cu 10Mf MHz, astfel încât impulsurile recep ionate s nu se suprapun .

* * *

0.6

0.8

t

- 0.2

0.4

1

1.2

-7T -6T -5T -4T -3T -2T -1T 1T 2T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T0

0.2

)()sin()( ttts MM

- 0.4

Figura 3.1.4: R spunsul FTJ ideal la impulsul Dirac, )(t


Metoda Fourier nu este singurul instrument de analiz a semnalelor. Deseori o alt metod , intitulat metoda Laplace, este de preferat fiind mai eficient din punct de vedere al calculelor de care se bucur aparatul matematic asociat. Aceast metod realizeaz , la rândul s u, o transpunere a semnalului, din domeniul timp în domeniul frecven elor, folosind variabila complex

js în loc de j . Drept urmare, rela ia (3.1.2) este transcris folosind transformatele Laplace ale semnalului de intrare )(sX , r spunsului, )(sY ifunc iei de transfer )(sH , ajungându-se la forma:

notat( ) ( ) ( ) cu ( ) ( )e d ( )stY s X s H s Y s y t t y tL (3.1.11)

3.1.2 Considera ii generale Mediile de transmisiune sunt folosite pentru a transporta energia semnalului de la un emi tor la un receptor. Acest transport se realizeaz cu o anumit vitez , v , ceea ce introduce o întârziere de propagare (figura 3.1.5).

În general, un sistem de transmisiuni folose te drept purt toare a informa iei un semnal sinusoidal de frecven 0f , ale c rui varia ii se deplaseazprin mediu cu viteza de propagare:

metri/secundr

cv (3.1.12)

unde 8103c m/sec este viteza luminii în vid, iar r este constanta dielectricrelativ a mediului, cu valoarea 1r pentru aer i cu valori supraunitare pentru orice alt mediu. În consecin , viteza de propagare este maxim în cazul leg turilor radio. Pentru transmisiile prin conductoarele de cupru viteza de propagare este 8103,2 m/sec, iar prin fibra optic este aproximativ 8102 m/sec. Propagarea varia iei unui semnal sinusoidal face ca forma de undcorespunz toare s se reg seasc în mediu (figura 3.1.6), distan a pe care se "întinde" o perioad a semnalului numindu-se lungime de und , ce se calculeaz cu formula:

0metri v f (3.1.13)

i, func ie de raportul dintre dimensiunile sale i cele ale mediilor de transmisiune, denumite i linii, le împarte pe acestea în:

linii lungi – dac lungimea lor este comparabil sau chiar mai mare decât lungimea de und ; sunt liniile tipice, de comunica ii la distan ,linii scurte, în caz contrar.

t = 0

Canal de comunica ii

d t = d/v

Figura 3.1.5: Întârzierea de propagare printr-un mediu de transmisiune


Un exemplu de linie scurt este o linie de transport al energiei electrice de ordinul sutelor de km, iar o linie de telecomunica ii prin cablu de ordinul km ilucrând la o frecven de sute de kHz este o linie lung (de verificat !). Figura 3.1.7 prezint întreaga plaj a spectrului electromagnetic men ionând denumirea benzilor din care este alc tuit, care precizeaz de obicei domeniile în care sunt utilizate. Astfel, de exemplu, o purt toare de 210 MHz poate fi folosit de un post de radio în banda de ultrascurte FM (FrequencyModulation), iar o purt toare de ordinul 1410 Hz poate fi utilizat pentru comunica ii prin fibra optic .

inând cont de genul mediului de transmisiune, propice fiec reia din benzile prezentate în figura 3.1.7, sistemele de transmisiuni se împart în:

sisteme de transmisiune f r fir (wireless) la care propagarea se face liber în spa iu, folosind de exemplu undele radio sau razele de lumin infraro ie, IR (Infra Red)sisteme de transmisiune cu fir (wired) la care propagarea se face "ghidat" cu ajutorul unui mediu de transmisiune material ifinit de genul linie metalic sau fibr optic .

Având însu iri net deosebite, cele dou modalit i de propagare imprimcaracteristici diferite sistemelor i re elelor de comunica ie ce le incorporeaz .Astfel, în esen , sistemele pe fir asigur comunica ii punct la punct ceea ce, printr-o interconectare mediat de centre de comuta ie, conduce la o topologiediscret de re ea, din punct de vedere geografic. În schimb, dat fiind, pe de-o

0( ) cos(2 )x t f t

Figura 3.1.6: Lungimea de und

DSL Celulare WiFi Fibre optice

102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024Frecven a (Hz)

Lungimea de und (metri) 106 104 102 10 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14

Ene

rgie

i

tele

foni

e

Rad

iodi

fuzi

une

Rad

io p

e m

icro

unde

Infra

rou

Lum

in v

izib

ilU

ltrav

iole

t

Raz

e X

Raz

e ga

mm

a

Telefonie analogic

Figura 3.1.7: Spectrul electromagnetic (DSL – Digital Subscriber Line, WiFi – Wireless Fidelity)


parte limit rile în ceea ce prive te direc ionarea câmpului electromagnetic i, pe de alt parte, posibilitatea radiodifuziunii omnidirec ionale, utilizarea sistemelor f r fir conduce la o topologie de re ea cu caracter continuu. O astfel de topologie limiteaz , în principiu, num rul de canale de comunica ie deoarece spectrul radio este finit, o solu ie de dep ire a limitelor, întâlnit de exemplu în cazul re elelor celulare, fiind reutilizarea frecven elor la o distan suficient de mare pentru a preveni interferen ele. Aceast solu ie se aplic intensiv în cazul mediilor ghidate, dar f r a lua în considerare aceast restric ie (de ce?). O alt deosebire const în faptul c instalarea sistemelor de transmisiuni pe fir cere dobândirea drepturilor de utilizare a teritoriului prin care cablurile sunt trasate, ceea ce este costisitor i cere timp, spre deosebire de cel lalt caz, în care doar loca iile în care trebuie montate antenele trebuie cump rate sau eventual închiriate. Desigur c acest dezavantaj are i partea sa pozitiv , în sensul c sistemele cu fir ofer un grad sporit de securitate iprotec ie la perturba ii f r a fi necesar incorporarea m surilor complexe de siguran ce sunt adoptate în cazul sistemelor f r fir. Un alt factor major care diferen iaz sistemele de transmisiuni pe sau f rfir este atenuarea. Astfel, în cazul mediilor ghidate atenuarea are o varia ieexponen ial , de forma dk10 ceea ce în dB este echivalent cu:

atenuarea în mediu ghidat dB ( )k f d (3.1.14) unde: - k este o constant de propor ionalitate, ce variaz cu frecven a, i - d este lungimea mediului. iar, în cazul propag rii în spa iu atenuarea este, f r a lua în considerare, de exemplu, perturba iile atmosferice, propor ional cu nd , unde n , egal cu 2 în cazul propag rii libere în spa iu, este exponentul atenu rii (pierderii) pe cale(path loss exponent), adic :

atenuarea în mediu neghidat 10dB logn d (3.1.15)

Prin urmare, în general, nivelul necesar detec iei corecte poate fi men inut în cazul sistemelor f r fir pe o distan mult mai mare decât în cazul sistemelor cu fir. Pe lâng viteza de propagare i atenuare, calitatea transmisiilor depinde i de al i factori care se refer la mediu i/sau echipamentelor de transmitere i

recep ie. Este vorba de: puterea de emisie, zgomotul, defazarea, banda.

Despre toate acestea se vor face referiri, de la caz la caz, în mod specific, considerând pe rând, în cele ce urmeaz , tipurile concrete de medii de transmisie, i anume:

linia simetric , linia coaxial , canalul radio, fibra optic .


3.1.3 Linia simetric La modul general, [11], o linie format din dou conductoare identice, paralele i izolate, poate fi descris prin intermediul parametrilor primari(rezisten a lineic , inductan a lineic , capacitatea lineic i conductan a lineic ). Cu toate acestea, în practic se prefer utilizarea parametrilor secundari, care pot fi direct m surabili, i care caracterizeaz , într-o manier concret ,comportarea liniilor în domeniul frecven ei. Stabilirea formulelor de calcul al parametrilor secundari pleac de la a considera o linie ca o înl n uire nesfâr it de sec iuni de lungime infinitezimal , xd , care pot fi privite fiecare, conform figurii 3.1.8, ca un cuadripol cu constante concentrate, în care R, L, C i G sunt parametrii primari.

Pentru început, dou m rimi prezint interes. Este vorba de: impedan a caracteristic cZ necesar stabilirii condi iei de adaptare, în vederea evit rii reflexiilor, o dat cu înl n uirea mai multor sec iuni, nu neap rat infinitezimale. Ea este dat de rela ia:

CjGLjRZc (3.1.16)

constanta de propagare prin care se caracterizeaz o linie de lungime 1 km din punct de vedere al atenu rii i defaz rii. Se calculeaz cu formula:

))(( CjGLjR (3.1.17)

Partea real a constantei de propagare, numit constanta de atenuaresau atenuare lineic , este notat cu:

notRe Np/km (3.1.18)

i reprezint atenuarea undei elementare (sinusoida de pulsa ie ) pe unitatea de lungime. În ceea ce prive te unitatea de m sur , reamintim c :

dB8,68Np1 Partea imaginar a constantei de propagare, numit constanta de fazsau defazajul lineic:

notIm rad/km (3.1.19)

reprezint valoarea cu care unda elementar este defazat pe unitatea de lungime.

xL d xR d

xG dxC d

Figura 3.1.8: Cuadripol echivalent


Plecând de la constanta de faz se ob in rela ii de calcul pentru alte trei m rimi de interes, i anume:

viteza de propagare a undei elementare (viteza de faz ):km/secv (3.1.20)

timpul de propagare de faz :sec/kmt (3.1.21)

timpul de propagare de grup:sec/km d dg (3.1.22)

Ultima m rime prezint interes în situa ia în care nu este propor ional cu ,adic atunci când apar distorsiuni de faz .

În urma analizei parametrilor secundari, în cazul liniilor omogene (la care valorile parametrilor primari nu depind de originea considerat a unit ii de lungime) se ob in o serie de rezultate, a c ror prezentare sintetic se g se te în figura 3.1.9. Este notat aici cu cZ modulul impedan ei caracteristice, denumit impedan caracteristic scalar , i cu c argumentul aceleia i m rimi, denumit defazaj caracteristic. Pe scurt, inând cont c pentru orice linie omogen sunt valabile rela iile: C G L R i G C , se pot trage urm toarele concluzii:

impedan a caracteristic , cZ , se comport pur rezistiv la frecven e înalte ( RL ) i pur capacitiv la frecven e joase ( RL ),

atenuarea lineic , , este propor ional cu , atât la frecven e joase cât i la frecven e înalte,

defazajul lineic, , este propor ional cu la frecven e joase i cu la frecven e înalte.

cZ

CL

c

4/

/1~

~

~

~

R G

0

0

Figura 3.1.9: Sinteza analizei parametrilor secundari


Tema 3.1.1*Verifica i corectitudinea concluziilor prezentate mai sus.

Indica ie: La frecven e înalte se manifest efectul pelicular care face ca rezisten a s fie propor ional cu .

* * * În general, atenuarea suferit de un semnal sinusoidal transmis printr-o linie nu se datoreaz doar atenu rii lineice, pe lâng aceasta f cându- i apari iai alte componente datorate neadapt rilor care conduc la reflexii (vezi

figura 3.1.10). Aceste componente sunt: atenuarea de reflexie la intrarea în linie:

1dB 20log

2c g

rc g

Z Za

Z Z (3.1.23)

atenuarea de reflexie la ie irea din linie:

2dB 20log

2c s

rc s

Z ZaZ Z

(3.1.24)

atenuarea de interac iune, datorat reflexiilor repetate:

1,2 1 2dB 20log 1 exp( 2 )ra r r (3.1.25)

undecg

cg

ZZZZ

r1 ics

csZZZZr 2 sunt coeficien ii de reflexie, iar este

lungimea, în km, a liniei. Figura 3.1.10 prezint contextul în care sunt definite aceste componente i, prin urmare, semnifica ia m rimilor întâlnite în rela iile de calcul.

inând cont i de aceste trei componente, atenuare complet , denumitatenuarea de lucru (compus ) se calculeaz cu ajutorul rela iei:

1 2 1,2r r ra a a a (3.1.26)

Pe lâng atenuare i defazare, zgomotul constituie, la rândul s u, un parametru important în caracterizarea liniilor. Dat fiind faptul c , în majoritatea situa iilor, pe un traseu de comunica ie (aerian sau în cablu) sunt mai multe linii, zgomotul mai include, pe lâng componenta datorat proceselor fizice ce se desf oar în material i al perturba iilor electromagnetice naturale, icomponenta datorat fenomenului de diafonie.

gZsZcZ

EcZ

Figura 3.1.10: Schema de studiu a reflexiilor


Diafonia reprezint fenomenul de perturbare a unei transmisiuni de transmisiile ce se desf oar în liniile al turate. A a cum se observ în schema din figura 3.1.11, acest fenomen se poate resim i atât la cap tul apropiat de sursa perturbatoare NEXT (Near End Cross Talk), i poart în acest caz denumirea de paradiafonie, cât i la cap tul dep rtat de sursa perturbatoare FEXT (Far End Cross Talk), fiind de aceast dat telediafonie.

Perturbarea are loc în ambele situa ii ca urmare a existen ei capacit iilineice de cuplaj, c , i a inductan ei lineice de cuplaj, m , între dou linii, evaluarea efectului f cându-se prin intermediul atenu rii de paradiafonie, pa , ia atenu rii de telediafonie ta . Dac se consider dou linii identice ( ccc ZZZ 21 i ccc 21 ), atunci rela iile de calcul ale celor dou tipuri de atenu ri de diafonie sunt:

420log

1 exp( 2 )pcp

aj K Z

(3.1.27)

220logexp( 2 )t

cta

j K Z (3.1.28)

unde: 2cpK c m Z este cuplajul echivalent de paradiafonie, iar 2

ctK c m Z este cuplajul echivalent de telediafonie, Valorile uzuale, pentru aceste atenu ri, în cazul liniilor lungi ( 26 dB) sunt:

5243)(pa dB i 9070)(ta dBinând cont atât de atenuarea lineic cât i de atenu rile datorate

diafoniei, ale semnalului perturbator, generat în linia al turat , men inerea calit ii transmisiunii printr-o linie se face luând în considerare anumite abateri (ecart-uri limit ). Este vorba de abaterea de paradiafonie, p , i abaterea de telediafonie, t , care se calculeaz cu rela iile ce urmeaz , în care s-a considerat c nivelele semnalelor generate pe cele dou linii difer cu n dB:

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

dx

Linia 1

Linia 2

Figura 3.1.11: Perturbarea reciproc a transmisiunilor pe linii al turate


ntt

npp

a

a (1.3.29)

Ambele m rimi trebuie, în vederea asigur rii unei calit i corespunz toare a transmisiunii, s fie peste o anumit valoare numit abaterea diafonic .

Tema 3.1.2 Considerând abaterea diafonic de 35 dB i o atenuare lineic în banda de lucru de 0,5 dB/km, determina i lungimea maxim a unei sec iuni de transmisie, dac transmisia este unidirec ional i: i) sursele se g sesc la acela i cap t al cablului prin care trec cele doulinii simetrice, sau ii) sursele se g sesc la capete opuse, în ambele cazuri, diferen a între nivelele de emisie fiind de 6 dB.

* * * Tema 3.1.3 Fie un sistem de transmisiuni înzestrat cu dou cabluri ecranate, fiecare cu mai multe conductoare. Preciza i cum trebuie repartizate aceste conductoare liniilor simetrice corespunz toare astfel încât efectul diafoniei s fie minim.

* * * Nu întotdeauna solu ia temei anterioare, adic utilizarea câte unui cablu pe fiecare sens al transmisiei este la îndemân din diverse motive de naturtehnic i economic . De aceea, conductoarele izolate ale cablurilor de telecomunica ii sunt împerecheate, formând perechi torsadate (twisted pair), în care cei doi conductori sunt r suci i unul în jurul celuilalt. În acest mod, se eliminatât efectele perturba iilor din mediul înconjur tor, cât i ale celor datorate transmisiunilor "al turate", ultima situa ie fiind rezolvat prin schimbarea pasului de r sucire, de la o pereche la alta. Perechile torsadate au o band de trecere relativ întins , introducând atenu ri de la 0,6 2,5 dB/km la 1 kHz pân la 6 12,5 dB/km la 500 kHz, func iede gabaritul (gauge) cablului, a a cum se prezint i în figura 3.1.12.

atenuarea (dB/km)

f (kHz)

gabarit 19

gabarit 22

gabarit 24

gabarit 26

4

8

12

16

20

1 10 100 1000 0

Figura 3.1.12: Atenuarea func ie de frecven pentru perechile torsadate


inând cont de aceste caracteristici, capacit ile limit ale perechilor torsadate, exprimate în Mbit/sec, sunt prezentate în tabelul 3.1.1, în cazul unui cablu de calibru 24, cu diametrul conductoarelor de 0,4 mm (0,016 inch).

Tabelul 3.1.1: Capacit i limit ale perechilor torsadate în cablul de calibru 24

Debitul [Mbit/sec] Distan a [km] 1,5446,312

12,96025,92051,840

5,53,71,40,90,3

Primul sistem de transmisiuni digitale T1 a folosit perechi torsadate i a fost instalat în zona de transport a re elei de telefonie (între centrale telefonice). Pe scurt, sistemul T1 are o capacitate de 1,544 Mbit/sec i este alc tuit din 24 de c i (canale). El folose te transmisia impulsurilor în banda de baz cu codarebipolar , informa ii suplimentare privind aceast ultim însu ire urmând a fi prezentate ulterior. În prezent, perechile torsadate din zona de transport au fost înlocuite într-o propor ie covâr itoare, aria lor de preponderen restrângându-se la zona de acces a re elelor de telefonie. Fiind, nici pe departe, de neglijat ca amploare, schimb rile în aceastzon , având drept int accesul de band larg necesar comunica iilor digitale de mare vitez , s-au petrecut, pe cât posibil, f r înlocuirea mediilor de transmisiuni, ale c ror costuri i timpi de amortizare au valori apreciabile, pentru orice companie de telecomunica ii solu ia FTTH (Fiber To The Home) fiind extrem de costisitoare i, pentru moment, in bun parte neatractiv pentru un utilizator casnic. În consecin , eforturile s-au îndreptat c tre implementarea unor sisteme de transmisiuni digitale care s utilizeze perechile torsadate, deja instalate pe teren, un prim rezultat constituindu-l accesul de band îngust ISDN, niciodatdezvoltat pe scar larg , iar în prezent tehnologia ADSL, cu mult mai performant . Perechile torsadate nu sunt numai apanajul re elelor administrate de marile companii de telecomunica ii. Ele se reg sesc i în cadrul re elelor de calculatoare, exponen i de seam , larg r spândi i chiar i în prezent, care le folosesc, fiind sistemele de transmisiuni 10 BASE-T i 100 BASE-T din cadrul re elelor Ethernet. Num rul 10, respectiv 100, reprezint viteza de transmisiune care se realizeaz în banda de baz , BASE, prin intermediul perechilor torsadate, T. Cablurile tipice folosite sunt:

UTP (Unshielded Twisted Pair) de categoria 3-a, cu perechi de genul celor folosite în telefonie, cu o capacitate de pân la 16 Mbit/sec; UTP de categoria 5-a, cu perechi r sucite ceva mai strâns pentru o mai bun protec ie la diafonie, i cu o capacitate de pân la 100 Mbit/sec pe o lungime de maxim 100 metri.

Pe lâng acestea mai exist i echivalentele ecranate STP (SchieldedTwisted Pair) în care fiecare pereche este înf urat într-un strat izolator, ceea


ce confer performan e superioare, dar pre uri de cost mai ridicate i utilizare mai preten ioas .

3.1.4 Linia coaxialLinia coaxial , numit i cablu coaxial, [11], dat fiind faptul c prezint

(figura 3.1.13) din punctul de vedere al realiz rii practice componentele tipice ale unui cablu, este alc tuit din doi conductori, de diametre d i respectiv D .

Ca în cazul oric rei linii, linia coaxial este caracterizat atât de parametri primari, cât i de parametri secundari, pentru cei din urm rela iile de calcul fiind urm toarele:

ln( )60cr

D dZ (3.1.30)

dB/km 22,8 f D (3.1.31)

rad/km LC , cu mH/km 0,25L i nF/km 50C (3.1.32)

În expresiile (3.1.31) i (3.1.32) frecven a este exprimat în MHz. Pentru D valorile tipice, exprimate în mm, pentru frecven e uzuale de lucru de peste 300 kHz, sunt de 9.5, 4.4 sau 2.9, iar raportul diametrelor are valoarea

6,3dD ( 5,43 ). În aceste condi ii i alegând un dielectric cu 1,1r se ob ine 75cZ , cu o toleran admis de 1 .

Dd Înveliexterior

Conductor exterior DielectricConductor interior

Figura 3.1.13: Structura cablului coaxial

30

10

25

20

5

15

Atenuare (dB/km)

1 10 100 1000frecven a (MHz)

2,6 / 9,5 mm

1,2 / 4,4 mm

0,7 / 2,9 mm

Figura 3.1.14: Varia ia atenu rii cu frecven a pentru cablurile coaxiale


Dat fiind modul de alc tuire, linia coaxial este mult mai bine protejat la interferen e i diafonie, conductorul exterior jucând rolul de ecran. Drept urmare, liniile coaxiale ofer o band mult mai mare, de ordinul sutelor de MHz, în consecin fiind utilizate intens i în prezent în zona de distribu ie a sistemelor de televiziune prin cablu (figura 3.1.14).

Tema 3.1.4 Stabili i viteza de faz caracteristic unei linii coaxiale.

3.1.5 Canalul radio mobilUndele electromagnetice reprezint procesul de propagare a unor

oscila ii (purt toare) printr-o anumit substan (aer, vid, sticl sau alt material)]. Acest proces este înso it de o serie de fenomene datorate, în ultim instan ,interac iunii dintre câmpurile electric i magnetic ale undei i sarcinile electrice din atomii substan ei (în particular, electronii de pe straturile periferice ale acestora), care au de la caz la caz, o puternic influen asupra procesului de proiectare a sistemelor de transmisiune f r fir, în vederea asigur rii, la recep ie, a fidelit ii dorite. Dat fiind complexitatea transmiterii semnalelor în cazul utiliz rii canalelor radio mobile, ale c rei principii se reg sesc i în celelalte tipuri majore de transmisiuni radio, prin radiorelee sau sateli i, în cele ce urmeaz , prezentarea are în vedere, cu prec dere, acest domeniu, unde urm toarele fenomene î i fac sim it prezen a cu prisosin , [11], [25], [40], [35], [36], [20]:

reflexia i refrac ia, difrac ia difuzia interferen a.

Reflexia const în întoarcerea undei (par ial) în mediul din care a venit (figura 3.1.15), iar refrac ia (transmisia) const în schimbarea direc iei de propagare a undei, prin penetrarea obstacolului.

Ambele fenomene apar atunci când suprafa a obstacolului întâlnit are dimensiuni mult mai mari decât lungimea de und incident i nu conduc la modificarea frecven ei. În schimb, în privin a lungimii de und , aceasta se va modifica, în cazul undei refractate, deoarece viteza de propagare a undei variazde la un mediu la altul, i anume:

0

0 r

v vf c n

Unda reflectat

Unda refractat (transmis )

Unda incident

Suprafa a de separa ieO

1n

2n

i r

t

NI R

T

Figura 3.1.15: Reflexia i refrac ia undelor


în care v este viteza de propagare a undei cu frecven a f în materialul de indice de refrac ie rn , c este viteza luminii în vid, iar 0 este lungimea de undcorespunz toare propag rii în vid. Legile care guverneaz aceste dou fenomene afirm c : raza undei (care indic direc ia de propagare) incidente, I, împreun cu raza reflectat , R,raza refractat , T, i normala la suprafa a de separa ie, N , sunt coplanare i c :

ri (3.1.33)

1 12,1

2 2

sinsin

i

t

v n nv n

(3.1.34)

unde: 1v i 2v sunt vitezele luminii în mediile 1 i respectiv 2,

1n i 2n sunt indicii de refrac ie absolu i ai celor dou medii,

2,1n este indicele relativ de refrac ie al mediului 2 fa de mediul 1.

Difrac ia const în apari ia unor unde secundare, de aceea i frecven ,care se propag în spatele unui obstacol ce împiedic vizibilitatea direct între sursa S i punctul considerat de observare O (figura 3.1.16).

Difuzia apare atunci când, str b tând un anumit mediu, câmpul electromagnetic interac ioneaz cu particulele mediului (de exemplu, particulele de praf sau pic turile de ploaie), energia sa fiind absorbit de câtre acestea iapoi emis din nou. La nivelul microscopic, reflexia i refrac ia constituie o difuzie a undei incidente de c tre un num r mare de centre difuzante aflate la distan emici în compara ie cu lungimea de und , în caz contrar fiind specific fenomenul de difuzie (scattering). Fenomenul de difuzie este caracteristic propag rii prin medii neomogene. În cazul unui mediu omogen (care prezint acelea i propriet i fizice în toate punctele sale), undele secundare, emise în toate direc iile interfer , anulându-se reciproc ceea ce face ca intensitatea câmpului electromagnetic s fie diferit de zero doar pe direc ia de propagare.

3.1.5.1 Atenuarea pe cale Reflexia, difrac ia i difuzia au dou consecin e principale: atenuarea ifadingul. Astfel, în cazul propag rii în spa iul liber, rela ia dintre puterea furnizatla emisie, tP , i puterea disponibil la recep ie, rP , la o distan d , este dat de rela ia:

22

44)(

dfckP

dkPdP ttr (3.1.35)

S O

Figura 3.1.16: Difrac ia undelor


unde: este lungimea de und ,k este o constant de propor ionalitate egal cu produsul dintre

directivit ile celor dou antene, de emisie i de recep ie.tiind c în cazul utiliz rii unei antene izotrope (care are acelea i

caracteristici în toate direc iile), numit i omnidirec ional , densitatea de puteredW într-un punct aflat la distan a d de emi tor este dat de rela ia:

24t

dPWd

(3.1.36)

i c max,dW este densitatea de putere într-un punct aflat la distan a d de emi tor pe direc ia de radia ie maxim a antenei considerate, atunci directivitatea G a antenei respective, care reprezint câ tigul de putere pe direc ia de radia ie maxim , se calculeaz prin raportul:

max,d

d

WG

W (3.1.37)

Plecând de la rela ia (3.1.35) i considerând dB ca unitate de m surrelativ i dBm ca unitate de m sur absolut , cu nivel de referin de 1mW, se definesc urm toarele m rimi:

puterea efectiv radiat izotropic EIRP (Effective IsotropicRadiated Power):

EIRP dBm t tp g (3.1.38)

puterea semnalului recep ionat RSL (Receiver Signal Level):

RSL dBm 10log EIRP1mW

rp r

Pg (3.1.39)

cu: dBm 10log1 mW

tt

Pp , [dBi] 10logt tg G i [dBi] 10logr rg G , în care

extensia "i" precizeaz c referin a este o anten izotropic , iar: dfp log20log204,92[dB] (3.1.40)

este atenuarea pe cale, cu f i d considerate în GHz, respectiv în km.

Tema 3.1.5 Justifica i valoarea 92,4 din rela ia (3.1.40)

* * * Considerând modelul general, al unei leg turi radio, prezentat în figura 3.1.17, figura 3.1.18 înf i eaz un exemplu de varia ie a nivelelor de putere, raportat la 1W, de la ie irea din amplificatorul de putere al transmi torului pânla intrarea în amplificatorul de zgomot mic LNA (Low Noise Amplifier) al receptorului, care ine cont i de pierderile din cablurile de alimentare (feeder), cu valori uzuale de aproximativ 3 dB, ce leag aceste dispozitive de antenele corespunz toare.


Tema 3.1.6 Verifica i corectitudinea urm toarei rela ii de leg tur dintre dBm i dBW:

dBm = dBW + 30dBx x* * *

Desigur c , în general, ne dorim o atenuare cât mai mic , a a cum este în cazul sistemelor de comunica ii comunitare (poli ie, pompieri, salvare etc.), unde se prefer banda VHF (Very High Frequency) în care atenuarea cre te lent cu

Figura 3.1.17: Modelul general al unei leg turi radio AFI – amplificator de frecven intermediar , UC/DC – convertor ridic tor/coborâtor

(Up/Down Convertor), PA – amplificator de putere (Power Amplifier),LNA – amplificator de zgomot redus (Low Noise Amplifier)

30 km

– 100 dBW 8 GHz

Pierderea pe linie (la fiecare cap t) = 2,5 dB Câ tigul antenei (la fiecare cap t) = 30 dB

Pierderea pe calea în spa iu liber ~ 140 dB

Pierderi pe linie Câ tigul antenei

– 85 dBW Intrarea

receptorului

Ie irea amplificatorului

de putere

0 dBW

Câ tigul antenei

Pierderi pe linie

EIRP = 27,5 dB

Figura 3.1.18: Pierderi i câ tiguri uzuale pe o leg tur radio cu vizibilitate direct


distan a. Nu îns acela i lucru se urm re te în cazul sistemelor celulare de mare capacitate, unde limit rile spectrale fac necesar reutilizarea frecven elor în zone geografice relativ apropiate i deci impun o atenuare rapid cu distan a în vederea cre terii eficien ei spectrale. Prin urmare, pentru prima genera ie de sisteme celulare s-a utilizat banda UHF (Ultra High Frequency) de 900/800 MHz, printre altele i pentru caracteristica de propagare radio pe arii relativ restrânse, benzile noilor genera ii urcând tot mai sus, de exemplu 1900/1800 MHz. Formula (3.1.40) este valabil , a a cum s-a precizat, în cazul propag riiîn spa iul liber, la care se mai adaug pentru frecven e începând de la 150 MHz, care nu se mai reflect în ionosfer , condi ia de vizibilitate directLOS (Line Of Sight). Dat fiind curbura P mântului i formele de relief (figura 3.1.19), condi ia de vizibilitate direct i lips a reflexiilor pe suprafa a terestr este asigurat dacsunt îndeplinite urm toarele rela ii:

1 22 'd R h h (3.1.41)

cu , pentru 1,2ih y i (3.1.42) în care:

ih este în l imea antenei 1,2i ;d este distan a dintre antene;

'R este raza corectat de curbur a P mântului, fa de raza real ,6370R km, urmare a faptului c orizontul radio este mai mare decât

orizontul optic; în zona temperat ' 4 /3 8500R R km; d5,0 este semiaxa mic a primului elipsoid Fresnel;

'8

2

Rdy este s geata datorat curburii terestre corectate.

Propagarea în spa iul liber nu reprezint cadrul real de desf urare a comunica iilor radio mobile. Aici atenuarea nu depinde numai de frecven a,distan a i în l imea antenelor sta iei mobile MS i sta iei de baz BS, ci i de existen a obstacolelor fixe (cl diri i forme de relief) i mobile (vehicule curente

1h

d

2h

R'Ry

Figura 3.1.19: M rimi implicate în respectarea condi iei de vizibilitate direct


aflate în mi care pe teren). Prin urmare, modul de propagare a undelor radio în acest context este mult mai dificil de modelat matematic.

Cel mai simplu model de calcul al atenu rii pe un canal radio mobil consider c puterea la recep ie este dat de rela ia:

0( ) 0( ) dBm 10 log( )p dp d d d , 0d d (3.1.43) în care:

0( ) 0E ( )p d p d se m soar în dBm i reprezint media puterii

semnalului recep ionat la distan a de referin a, 0d , fa de antena de emisie. De obicei, 10d km în cazul macrocelulelor, 1000d m în cazul microcelulelor din exteriorul cl dirilor (outdoor microcells) i 10d m în cazul picocelulelor din interiorul cl dirilor (indoor picocells). Aceast m rime depinde de o serie de factori precum: frecven a, în l imea i câ tigul antenei.

Parametrul reprezint exponentul atenu rii i este cel mai important parametru ce influen eaz eficien a cu care este utilizat banda de lucru în func ie de densitatea spa ial a surselor de trafic (a a numita eficien aspectral , no iune ce urmeaz a fi detaliat într-o sec iune ulterioar ). La rândul s u, acest parametru este puternic influen at de dimensiunea celulei i de caracteristicile locale din teren. Valorile tipice pentru zonele urbane, stabilite pe baz de m sur tori, sunt: - pentru macrocelule: 43 , - pentru microcelule: 82 .

Parametrul , exprimat în dB, reprezint o variabil aleatorie Gauss de medie 0 i devia ie standard p , care aproximeaz eroarea dintre valoarea real i valoarea a teptat , modelând astfel efectul denumit fading lent, umbrire(shadowing) sau fading lognormal. Denumirea lognormal deriv din faptul c expresia de calcul a puterii semnalului recep ionat, în cazul în care se exprim în wa i, reprezint un produs de factori i, deci, poate fi aproximat considerând-o ca variabil aleatoare lognormal . În consecin , deoarece dac o variabil aleatoare X este lognormal , atunci Xlog este normal i viceversa, înseamn c puterea semnalului recep ionat, exprimat de aceast dat în dBm, urmeaz o distribu ie normal , în cazul nostru având densitatea de probabilitate:

2( )

( ) 21( ) exp

22p d

p dpp

xf x (3.1.44)

cu: p devia ia standard datorat umbririi, i

0( ) ( ) 010 log( )p d p d d d , conform rela iei (3.1.43). În cazul macro i microcelulelor, valoarea tipic pentru devia ia standard este de 8 dB, valorile uzuale fiind, în general, în domeniul 125p dB. Curbele din figura 3.1.20 ilustreaz o situa ie frecvent în acest sens. Prin


urmare, în acest caz, nivelul semnalului recep ionat la o distan de 10 km urmeaz o distribu ie Gauss cu media de 70dBm i devia ie standard de 8 dB.

Pe lâng fadingul lent, fluctua iile semnalului includ i fadingul rapid.Acest fenomen se manifest , conform denumirii, prin varia ii rapide ale puterii medii a semnalului, cauzate de reflexii multiple din direc ii diverse i având faze diferite, de unde i denumirea de fading multicale (multipath fading). Varia iilebru te ale puterii medii pot fi observate dac rezolu ia m sur torilor este coborât la nivelul a câteva frac iuni din lungimea de und i ating valori de pânla )4030( dB func ie de caracterul constructiv sau distructiv al combin riipropag rilor multiple. În plus, fadingul rapid produce i o dispersie temporalceea ce impune adoptarea unor m suri de contracarare precum folosirea egalizoarelor în cazul sistemelor cu acces multiplu prin diviziune temporalTDMA (Time Division Multiple Access), no iune ce urmeaz a fi prezentatulterior.

3.1.5.2 Interferen a i zgomotul Interferen a, la care s-a f cut deja referiri în paginile anterioare, este un fenomen perturbator al transmisiilor f r fir. El se manifest ca urmare a suprapunerii spectrelor de putere a dou sau mai multe semnale prevenite de la surse distincte. Suprapunerea poate fi complet sau par ial , purtând, de exemplu în cazul sistemelor celulare FDMA (Frequency Division Multiple Access)sau TDMA, denumirea de interferen pe acela i canal (co-channelinterferance), respectiv interferen între canale al turate (adjacent channel inteferance). Interferen a reprezint , din punctul de vedere al semnalului util, un zgomot în sine la care se adaug zgomotul generat atât de surse externe sistemului (zgomotul atmosferic generat prin desc rc rile electrice, zgomotul

1 10 100 km-30

-50

-70

-90

dBm

"spa iu liber" - 20 dB/decad

"macrocelul urban "- 40 dB/decad

dB8p

2 p

d

x

( )( )p df x

Figura 3.1.20: Atenuarea într-un mediu urban: 4 i 8p dB


galactic, cel industrial sau chiar casnic), cât i de surse interne, cu principalul s uexponent zgomotul termic. Prin urmare, ca i în cazul celorlalte medii de transmisiune, un parametru important al transmisiilor f r fir îl constituie raportul semnal zgomot SNR (Signal to Noise Ratio), notat i S/N. Acest parametru este compus din dou componente dedicate fiec reicauze, i anume: raportul purt toare-zgomot (carrier-to-noise ratio), notat , irespectiv raportul purt toare-interferen (carrier-to-interferance ratio),notat , condi ia desf ur rii în bune condi ii a transmisiunii fiind ca ambele sdep easc pragurile limit , de acceptare, notate min i min , în caz contrar ap rând întreruperi (outage) la recep ie. Valorile pragurilor sunt stabilite de la caz la caz, în raport cu o serie de factori precum: schema de codare i modulare folosite, structura receptorului, mediul ambiant i viteza de deplasare a sta iei mobile.

inând cont de fluctua iile semnalelor radio i de atenu rile la care acestea sunt supuse, condi ia men ionat anterior nu poate fi practic respectatîn continuu. Prin urmare, din acest punct de vedere, calitatea unei leg turi radio se evalueaz probabilistic prin intermediul urm torilor doi indicatori:

probabilitatea întreruperilor cauzate de zgomotul termic(thermal noise outage):

minPrNO (3.1.45)

probabilitatea întreruperilor cauzate de interferen(co-channel (adjacent channel) interferance outage)

I minPrO (3.1.46)

Combinând cei doi indicatori se ob ine indicatorul probabilitate global a întreruperilor (overall outage), ce are urm toarea rela ie de defini ie:

min minPr sau O (3.1.47)

În general, zgomotul termic este dominant în cazul sistemelor cu trafic redus i este neglijabil în cazul sistemelor cu trafic ridicat, unde interferen a pe acela i canal î i spune cuvântul.

3.1.5.3 Bugetul leg turii i sensibilitatea receptorului Dimensionarea unei leg turi radio implic de fapt stabilirea parametrilor de func ionare, precum: puterea de ie ire din amplificatorul de putere al transmi torului, zgomotul dispozitivelor de lucru i dimensiunile antenei. Toate acestea presupun realizarea unei analize a leg turii radio, anume de stabilire a bugetului leg turii (Link Budget) care, în cazul leg turilor digitale, ine cont de tipul de modula ie, de rata acceptat de eroare pe bit BER (Bit Error Rate), de rata impulsurilor modulate etc. Concret, pentru stabilirea bugetului unei leg turise au în vedere urm toarele m rimi, în dreptul c rora, acolo unde este cazul, se precizeaz i valorile uzuale întâlnite în sistemele de comunica ii celulare:

puterea purt toarei la emisie, tP ( 30 35 dBm în cazul BTS i30 dBm pentru MS);


câ tigul antenei de emisie, tG ( 18 dBi); pierderea pe canal, pL ; câ tigul antenei de recep ie, rG ( 18 dBi);

puterea purt toarei la recep ie, rP ;

pierderile care in de implementarea receptorului, rL ; puterea semnalului în receptor cP ;

temperatura de lucru a sistemului receptor T exprimat în grade Kelvin (K);

banda zgomotului în receptor, B ; densitatea spectral de putere a zgomotului termic, considerat

zgomot alb, TkNo , unde k este constanta Boltzman, egal cu 231,38 10 W (Hz K) sau 198,6dBm Hz ;

factorul de zgomot (noise figure), F , care reprezint diferen a dintre valorile raportului semnal-zgomot de la intrarea, respectiv ie irea unui dispozitiv/echipament, cu valori tipice în plaja 65 dB;

energia semnalului recep ionat per impuls modulat, cE ; rata impulsurilor modulate (num rul de tranzi ii per secund ), cR ,

denumit i viteza de semnalizare, cu unitatea de m sur Baud. Prima rela ie de la care porne te ra ionamentul deducerii formulei finale de calcul al bugetului, exprimat de m rimea atenuarea maxim acceptabil pe cale, este:

t t rr

p r

P G GP

L L (3.1.48)

tiind c puterea total a zgomotului la recep ie este:

0N N B (3.1.49) înseamn c raportul , dintre semnalul în receptor i zgomot este dat, pe de o parte, de rela ia:

0

c t t rr

r

P P G GP FN N N B F L L

(3.1.50)

iar, pe de alt parte, de rela ia:

BR

NE

BNRE cccc

00 (3.1.51)

în care, raportul 0NEc m soar calitatea semnalului recep ionat în sensul c ,pentru un anumit tip de modula ie, este legat de indicatorul fundamental al calit ii unei transmisiuni numerice, anume de rata erorilor pe bit, BER. În acest sens, pot fi consultate exemplele din figura 3.1.21. Ele au în vedere raportul 0NEb , în care bE este energia pe bit, rela ia de leg tur dintre cele dou rapoarte fiind:


0 0

num r de bi iimpuls modulat

c bE EN N

(3.1.52)

Combinând rela iile (3.1.50) i (3.1.51) se ob ine expresia:

p

rttc

o

cr L

GGPRNEFkTL (3.1.53)

în care, termenul din dreapta egalit ii con ine parametrii lega i de fenomenul de propagare, iar cel din stânga leag caracteristicile proprii, care definesc capacitatea unui receptor de a detecta semnalul radio în prezen a zgomotului, purtând, în consecin numele de sensibilitatea receptorului:

co

crr R

NEFkTLS (3.1.54)

inând cont de rela ia (3.1.53), sensibilitatea receptorului reprezintputerea minim a semnalului la recep ie, pentru care informa ia este reprodus în condi ii acceptabile, privind parametrul BER. Valorile tipice ale sensibilit ii receptoarelor, în cazul sistemelor celulare pe 1900 MHz sunt: 107 dBm pentru BTS i respectiv 101dBm pentru MS. Tot din rela ia (3.1.53) se determin i bugetul leg turii, adic a atenu riimaxime pe cale, maxp , acceptabil , de la care recep ia este necorespunz toare. Formula de calcul este:

rrttp sggpmax (3.1.55)

2 4 6 8 100 12 1410-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1 BER

0bE N [dB]

Octal PSK

BPSK/QPSK

Figura 3.1.21: Leg tura dintre BER i ob NE(BPSK/QPSK – Binary/Quadrature Phase Shift Keying)


în care toate nota iile cu litere mici reprezint coresponden ii m rimilor referite cu majuscule, exprima i în dBm în cazul tp i rs , respectiv în dB în cazul tg i rg .

Tema 3.1.7 Considerând cazul propag rii în spa iu liber, care este distan a maximfa de antena emi toare a unui transmi tor cu o putere de 1W, instalat la o în l ime de 60 m, i în l imea minim a unei antene de recep ie, dac pentru transmiterea datelor se utilizeaz QPSK cu un debit de 144 kbit/sec, iar func ionarea corect a detec iei cere un BER de maxim 410 . Se tie c :frecven a semnalului modulat este de 1GHz, cele dou antene au fiecare un câ tig de 25 dB, temperatura de lucru a receptorului este de 17 C ( 290 K), iar pierderile care in de implementarea receptorului sunt neglijabile.

* * * Pe lâng m rimile precizate anterior, sistemele radio celulare, prin specificitatea lor, au în vedere i al i parametri care definesc bugetul leg turilor,precum sunt urm toarele:

Marja interferen ei (interference margin), notat i , cu valori tipice în jur de 1dB – reprezint o component a bugetului leg turii care are în vedere faptul c nivelul interferen ei depinde de înc rcarea sistemului. Aceast corelare face ca distan a pân la care puterea recep ionat s nu scad sub sensibilitatea receptorului, adic aria acoperit de BTS, s varieze în func ie de trafic, fenomenul în cauz purtând denumirea de "respira ia celulei" (cell breathing).

Marja umbririi (shadow margin), cu valori tipice între 5 i 20 dB, este o alt corectur f cut bugetului leg turii, care ine seama de fluctua iile puterii recep ionate datorat fadingului lent. Prin urmare, pentru a se stabili valoarea acestei m rimi, se consider probabilitatea întreruperii datorit zgomotului, la marginea ariei, acceptat de o unitate BTS, adic : ( ) Pr ( )N rO R p R s (3.1.56)

unde: R raza ariei de acoperire, ( )p R puterea la recep ie.Considerând rela ia (3.1.43) ca model de propagare i inând cont de informa iile din Anexa D, privitoare la distribu ia Gauss, înseamn c :

( ) sN

p

mO R Q (3.1.57)

unde: ( )s p R rm s este m rimea c utat , adic marginea umbririi.

Tema 3.1.8 Stabili i cât este marja umbririi dac 8p dB i probabilitatea întreruperii datorat zgomotului este ( ) 0,01NO R .

* * *


Câ tigul datorat handover-ului, cu nota ia Hog , este de asemenea o corectur adus bugetului leg turii. Ea ine seama de faptul c în faza de handover MS-ul se afl la grani a mai multor celule, iar aceast situa ie conduce la un efect de diversitate, denumit macrodiversitate (macrodiversity). Valorile tipice ale acestui câ tig sunt în jurul a 3 5 dB.

În concluzie, luând în considerare aceste noi m rimi care apar în cazul sistemelor radio-celulare, înseamn c . în acest context, formula de calcul a atenu rii maxime pe cale devine:

maxp t t r r s i Hop g g s m g (3.1.58)

3.1.6 Fibra optic Fibra optic constituie un mediu de transmisiune ghidat, dedicat undelor electromagnetice ale c ror spectru intr în domeniul opticii. A a cum se prezintîn figura 3.1.22, în vederea ghid rii razelor de lumin , fibra optic este alc tuitdintr-un miez (core) cilindric, de sticl , foarte fin, de diametru a2 , înconjurat de un alt strat de sticl , numit înveli optic (cladding), de diametru b2 . Totul este învelit într-o manta de protec ie (coating), din straturi concentrice din materiale plastice, care asigur o bun rezisten mecanic . Cele dou componente optice au indici diferi i de refrac ie, 1n pentru miez i 2n pentru înveli , cu 21 nn , fixa iastfel încât s se respecte condi ia de reflexie total , pentru a se ob ine o transmisie optim din punctul de vedere al pierderilor de semnal.

Func ie de dimensiunile geometrice i de modul de varia ie a indicelui de refrac ie în sec iunea fibrei, fibrele se împart în:

fibre multimod cu salt de indice (step-index fiber) fibre multimod cu gradient de indice (graded-index fiber) fibre monomod (single/mono mode fiber).

3.1.6.1 Tipuri de fibre optice Fibra multimod cu salt de indice are:

- diametrul miezului, µm100302a , mult mai mare decât lungimea de und , , i - diametrul înveli ului optic µm1401252b .

Lumin

Manta de protec ie

Învelioptic Miez 2b

21 nn

2n2a

Figura 3.1.22: Structura fibrei optice


Figura 3.1.23 prezint curba de varia ie a indicelui de refrac ie i apari ia mai multor moduri de propagare: primar, secundar i pentru unda absorbit .Pentru ca unda luminoas injectat în fibr s r mân i s se propage doar prin miez, trebuie s se produc o reflexie total . Dac axa fibrei este luat ca referin pentru definirea unghiurilor, atunci, conform legilor opticii, trebuie ca, unghiul de inciden al razei luminoase s fie inferior unui unghi 0 , dat de rela ia: 0 2 1cos n n .

Altfel spus, condi ia pentru reflexie total se exprim prin rela ia:2 1arccosn n (3.1.59)

În privin a modurilor de propagare acestea sunt în num r de:

2)(2 22 ANaN (3.1.60)

i au ca efect dispersia modal , care exprim într-un mod statistic diferen ele dintre timpii de propagare a respectivelor moduri. În expresia (3.1.60) este notat prin AN m rimea denumit apertura numeric , ce va fi definit ulterior împreun cu prezentarea parametrilor unei fibre optice. În cazul fibrelor multimod cu salt de indice, dispersia modal este de ordinul a 50 nsec/km.

Fibra multimod cu gradient de indice are, uzual: - diametrul miezului: µm5,62502a , i - diametrul înveli ului optic: µm1252b .

Modul de varia ie a indicelui de refrac ie, având profilul în genul celui prezentat în figura 3.1.24, este dat de rela ia:

21( ) 1n r n r a (3.1.61)

n1

r

n2

2a2b

n

und absorbit

mod secundar

mod primar 0

Figura 3.1.23: Fibra optic multimod cu salt de indice

n1

r

n2

2a2b

n

0

Figura 3.1.24: Fibra optic multimod cu gradient de indice


M rimea este diferen a relativ a indicelor de refrac ie:

1

21n

nn (3.1.62)

i are valori cuprinse între 0,01 i 0,03. Varia ia gradual a indicelui de refrac ie urm re te ca timpii de propagare pe modurile distincte s difere cât mai pu in, viteza de propagare fiind func ie de indicele de refrac ie, conform rela iei: )(rncv . Astfel, dispersia modal a fibrelor multimod cu gradient de indice ajunge s fie de ordinul a 0,25 nsec/km.

Fibra monomod are, uzual: - diametrul miezului: µm1042a , - diametrul înveli ului optic: µm2001002b , - 01,0003,0 . În acest caz, diametrul miezului este comparabil cu lungimea de und ,ceea ce face ca, practic, s existe un singur mod de propagare, ca în figura 3.1.25.

3.1.6.2 Parametri caracteristici Propriet ile unei fibre optice sunt caracterizate prin intermediul parametrilor ce se prezint în continuare.

a. Lungimea de und de t iere c (cut-off wavelength) – este pragul lungimii de und sub care apar moduri suplimentare de propagare, pe lâng cel fundamental.

b. Apertura numeric precizeaz , conform figurii 3.1.26, unghiul de acceptare a razelor de lumin pentru care reflexia este total . Defini ia aperturii numerice este dat prin rela ia:

22

21max0 sin nnnAN (3.1.63)

unde 0n este indicele de refrac ie al mediului din care provine raza luminoasinjectat în fibr . Valorile recomandate pentru apertura numeric sunt în domeniul

24,019,0 , pentru acestea corespunzând unghiuri maxime de acceptare 1412max pentru fibre multimod (MM) i respectiv 6max pentru fibre

monomod (SM).

n1

r

n2

2a2b

n

Figura 3.1.25: Fibra optic monomod


c. Dispersia cromatic (dispersia de material) – apare când lumina nu este monocrom , precum în cazul surselor optice cu LED (Light Emitting Diode)i exprim , în mod statistic, diferen a dintre timpii de propagare a componentelor

spectrale în cauz . Dispersia cromatic se evalueaz prin intermediul parametrului de dispersie:

20

2psec d

nm km dnD

c (3.1.64)

unde: 0 lungimea de und din centrul spectrului emis de surs ,c viteza luminii, n indicele de refrac ie al miezului, ( 56,147,1 ), dependent de lungimea

de und , Cu ajutorul acestui parametru, l irea impulsului luminos, dupparcurgerea unei distan e d [km], se calculeaz astfel:

psec d D (3.1.65) în care l rgimea spectral a radia iei optice.

d. Banda disponibil , B , dat de rela ia:1/2 pentru fibre multimod

[MHz km]1/5 pentru fibre monomod

B (3.1.66)

Pentru fibrele multimod cu salt de indice, 100 500 MHz kmB , pentru cele cu gradient de indice, 200 2.000 MHz kmB , iar în cazul fibrelor monomod, 2.000 20.000 MHz kmB . Aceast m rime, oferit de mul iproduc tori de fibre multimod în locul dispersiei, precizeaz valoarea limit a produsului dintre frecven a semnalului transmis i lungimea fibrei (precum în cazul acumulatoarelor auto unde 45 Ah pot fi "consuma i" la un curent de 5 A în 9 ore sau de 9 A în 5 ore).

e. Atenuarea intrinsec are drept cauz , în principal, difuzia (absorb ia) luminii în material. Pentru o fibr realizat din sticl de siliciu (SiO2) este prezentat în figura 3.1.27 curba tipic de varia ie cu lungimea de und a acestei atenu ri intrinsece. Ha urile marcheaz cele trei ferestre optice în care atenuarea este minim , iar asimptotele corespund legii de difuziune, a lui Rayleigh, conform c reia puterea optic absorbit descre te cu 4 , respectiv

0n

2n

1n

max

max1

Figura 3.1.26: Apertura numeric


cre terii puternice a absorb iei în infraro u (IR), ca urmare a intr rii în oscila ie a moleculelor din stratul de siliciu.

Tema 3.1.9 Stabili i valoarea maxim a num rului de moduri de propagare printr-o fibr din sticl de siliciu cu i) salt de indice, ii) gradient de indice, care lucreaz a) în prima, b) a treia fereastr optic .

* * * Tema 3.1.10 Stabili i distan a maxim pe care poate fi transmis un semnal de 200 MHz printr-o fibra i) monomod, ii) multimod, dac dispersia este de i) 0,4 ii) 4 ps/nm/km i l rgimea spectral este de i) 3nm, ii) 9 nm.

3.2 Transmisiuni în banda de baz

Tendin a actual , manifestat în domeniul IT&C, este de convergen a re elelor de comunica ii c tre o re ea unic , bazat pe IP i alc tuit dintr-un singur "material", adic "f r cus turi" (seamless network), în care orice gen de informa ie, audio, video sau de date, este transferat prin intermediul pachetelor la nivelul re ea, al cadrelor la nivelul leg turii de date i al bi ilor la nivelul fizic. În consecin , în cadrul acestei lucr ri, prezentarea tehnicilor de transmitere a semnalelor se refer doar la transmisiunile digitale în banda de baz i la transmisiunile digitale prin modularea unui purt tor, sec iunea de fa iurm toarea fiind dedicate acestui scop, contextul aplicativ fiind cel al transmisiunilor de date. Informa ia vehiculat de sistemele teleinformatice, ale c ror activit iconstau în prelucrarea, stocarea i schimbul de date, este prezentat sub forma unor cuvinte binare de 8, 16, 32 sau 64 bi i, valorile logice 0 i 1 ale fiec rui bit având un corespondent fizic, de exemplu tensiunile de 0 vol i i 5 vol i, în cazul tehnologiei TTL sau 0 vol i i 12 vol i în tehnologia CMOS. Aceste nivele fizice, precum i modalitatea de transmisie simplu curent (prezentat în figura 3.2.1

5

0.5

0.05

0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Lungimea de und ( m)

Aten

uare

a (d

B/k

m)

Absorb ia în infraro uDispersia

Rayleigh

10

1

0.1

Absorb ia vaporilor de ap

Figura 3.1.27: Atenuarea intrinsec a fibrelor optice din sticl de siliciu


sub denumirea "NRZ unipolar") sunt suficiente pentru ca schimbul intern de informa ie între componentele aceluia i sistem s se desf oare în bune condi ii, chiar i în varianta transmisiunii paralele (prin magistrala de date etc.).

În schimb, atunci când schimbul de informa ie vizeaz sisteme teleinformatice distante, metoda de transmisiune sus men ionat devine inadecvat atât din punct de vedere tehnic cât i în ceea ce prive te protec ia la zgomot. În consecin , în acest caz este necesar o conversie a semnalului simplu curent la o form robust care s asigure la recep ie o reproducere cât mai exact a semnalului originar. Aceast form poart denumirea de cod de linie i constituie subiectul ce se dezvolt în continuare.

3.2.1 Coduri de linie Codurile de linie, frecvent folosite de sistemele de transmisiuni în banda de baz , sunt prezentate în figura 3.2.1. Ultima form de und reprezintsemnalul de tact asociat celorlalte semnale, mai pu in penultimul, exemplificate în figura 3.2.1 i descrise pe scurt în cele urmeaz .

Semnalul simplu curent, OOK (On-OFF Keying) sau unipolar NRZ(Non Return to Zero) este alc tuit din impulsuri cu amplitudinea A i durat T cesunt asociate bi ilor cu valoare logic 1 i din impulsuri cu amplitudinea nul idurat T ce sunt asociate bi ilor cu valoare logic 0. Conform celor precizate anterior, dat fiind sensibilitatea sa la perturba ii, acest gen de semnal este utilizat, cu prec dere, pentru transferul informa iei între componentele aceluia i sistem.

Semnalul dublu curent (polar NRZ) este compus din impulsuri cu amplitudine 2A i durat T pentru "1" logic i din impulsuri 2A i durat Tpentru "0" logic. Considerând aceste valori ale amplitudinilor, "distan a" dintre

1 0 1 1 0 1 0 0 0

NRZ unipolar

NRZ polar

Tact (CK)

Codaremultinivel

praguri

NRZ bipolar (AMI) Codare

Manchester (bifazic)

0

A

A/2

-A/2 A/2

-A/2 A/2

A/6

-A/6

-A/2

A/2-A/2

T

Figura 3.2.1: Coduri de linie


nivelurile corespunz toare celor dou st ri logice, "0" i "1", este aceea i atât în cazul semnalelor simplu curent cât i a semnalelor dublu curent, care, drept urmare, au aceea i sensibilitate. Diferen a const îns în eficien a transmisiei din punctul de vedere al puterii medii a semnalului generat, capitol la care semnalul dublu curent este superior: este mai pu in expus la perturba ii i face posibiltelealimentarea în curent continuu a echipamentelor distante (precum repetoarele).

Tema 3.2.1 Justifica i superioritatea semnalelor dublu curent fa de semnalele simplu curent, din punctul de vedere al eficien ei privind puterea medie.

* * * Semnalul bipolar AMI (Alternate Mark Inversion) asociaz doar

simbolurilor "1" impulsuri pozitive PLUS i negative MINUS alternative, lipsa curentului în linie corespunzând simbolurilor "0". Comparativ cu semnalul precedent, acest gen de semnal are dezavantajul c este mai sensibil la perturba ii, utilizând dou praguri de decizie, dar în schimb el prezint trei avantaje majore, care au f cut s fie folosit în cazul sistemelor E1, E2 i E3. Acestea sunt: - nu prezint component continu , iar componentele de frecven joassunt nesemnificative, - ofer posibilitatea de a detecta erorile de transmisie semnalate la recep ie prin nerespectarea alternan ei, - pierderea sincroniz rii tactului se petrece mai rar, vizând doar secven ele mai lungi de "0". În fapt, în cazul transmisiunilor telefonice, protec ia la pierderea sincroniz rii se realizeaz prin transformarea celui de al 8-lea bit consecutiv de "0" în "1", ceea ce este aproape imperceptibil ascult torului, iar în cazul transmisiilor de date, prin utilizarea semnalelor bipolare cu densitate mare de impulsuri. Un astfel de semnal este codul HDB-3 (3 order High DensityBipolar Code) care mai respect , pe lâng regula codului AMI i pe cele se urmeaz :

la apari ia unui grup de 4 zerouri consecutive ultimul dintre ele este înlocuit cu "1", simbolul modificat trebuie s "violeze" regula normal de codare, pentru ca la recep ie s poat fi readus la forma ini ial ,dac dou grupe succesive de câte 4 zerouri sunt desp r ite de un num r par de "1" (inclusiv nici unul) atunci primul zero din a doua grupeste înlocuit cu un "1" fals, respectând regula de alternan a polarit ii(aceast ultim ac iune este necesar pentru a p stra echilibrul între num rul impulsurilor pozitive i num rul impulsurilor negative).

Tema 3.2.2 Considerând nivelele de tensiune ale unui cod de linie HDB-3 de valoare +3, respectiv –3, determina i: i) structura semnalului dac secven a binar supus cod rii este:

100111010000000000101


ii) secven a binar ref cut la recep ie corespunz toare urm toareisuccesiuni de simboluri:

-3,0,0,+3,0,-3,0,+3,0,0,0,+3,-3,0,0,-3,0,0,-3,0,+3 * * *

Semnalul bifazic (codul Manchester) are, ca elemente constitutive, impulsuri de forma celor care alc tuiesc tactul, regula de codare fiind: - pentru "0" se emite un impuls în faz cu tactul, - pentru "1" se emite un impuls în antifaz cu tactul. Comparativ cu celelalte exemple, semnalul bifazic are o protec iesuperioar la perturba ii, i, implicit, asigur condi ii superioare de sincronizare la recep ie, având cel pu in o tranzi ie pe simbol, dar ocup un spectru de frecven eceva mai larg (vezi figura 3.2.2).

Semnalul multinivel, conform denumiri, este compus din impulsuri cu mai mult de 2 niveluri, în general n2 , fiec rui nivel asociindu-se un anumit grup de n bi i. Astfel în cazul 2n exist 4 niveluri corespunz toare celor 4 di-bi i posibili, i anume: 00, 01, 10 i 11. În vederea reducerii efectelor datorate perturba iilor, în acest caz, un impuls incorect interpretat putând conduce la refacerea eronat a ambilor bi i corespunz tori, alocarea nivelurilor pentru di-bi ise face potrivit codului Gray, adic :

.210;611;601;200 AAAA

Introducând niveluri suplimentare, codarea multinivel devine mai expusperturba iilor, dar are avantajul c , prin faptul c durata impulsurilor cre te, spectrul de frecven e se reduce corespunz tor (de n ori).

Tema 3.2.3 Considerând aceea i plaj de tensiune, stabili i care metod de codare de linie, din cele prezentate pe parcursul acestei sec iuni, este mai eficient din punct de vedere al puterii medii pe simbol binar. Dar din punctul de vedere al protec iei la zgomot?

* * *

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 frecven a T

dens

itate

a de

put

ere

unipolar

AMI

bifazic

Figura 3.2.2: Densitatea spectral de putere a semnalelor de linie exemplificate


Având în vedere observa iile relative la semnalele de linie prezentate mai sus, se pot trage urm toarele concluzii privind principalele însu iri care trebuie sle caracterizeze:

spectrul de frecven e trebuie s se încadreze în banda canalului de comunica ie,secven a generat de impulsuri s fie cât mai pu in sensibil la perturba ii,refacerea tactului la recep ie s asigure reproducerea cât mai corect a semnalului originar.

La aceste însu iri se vor face referiri ori de câte ori va fi cazul, odat cu tratarea subiectelor alocate urm toarelor sec iuni.

3.2.2 Transmisiuni sincrone i asincrone Principalele caracteristici ale unui semnal digital, func ie de care se definesc cele dou metode de transmisie, sincron i asincron , sunt:

st rile (semnificative) ale semnalului, de exemplu PLUS i MINUS în cazul semnalului dublu curent, intervalul semnificativ, adic durata unei st ri semnificative, momentele semnificative, adic momentele care separ dou st risemnificative.

Luând în considerare aceste însu iri, un semnal digital este izocron,dac intervalul semnificativ este acela i pentru toate st rile, sau anizocron, dacst rile au durate diferite i neprecizate.

Transmisiunea sincron utilizeaz un semnal izocron i necesit , la recep ie, un semnal de tact (clock) sincron cu tactul de la emisie, care a fost folosit pentru generarea semnalului de date originar (figura 3.2.3). Sincronizarea semnalului de tact de la recep ie, cu cel de la emisie, folose te semnalul de date recep ionat i const într-un proces de ajustare continu a pozi iilor fronturilor din semnalul de tact local, prin compararea acestuia cu momentele semnificative ale semnalului recep ionat.

Semnalul de tact astfel reglat, de obicei prin intermediul unei buclecontrolat în faz (cu calare de faz ) PLL (Phase Locked Loop), este folosit pentru sondarea semnalului recep ionat, în general, la mijlocul distan ei între

tactt

t

0 1 0 0 1 1 0s(t)

T

Figura 3.2.3: Semnal binar izocron i tactul asociat


dou fronturi (momente semnificative) reale ale semnalului recep ionat (dupamplificarea i egalizarea acestuia conform figurii 3.2.3), acolo unde rezultatul sond rii este cel mai plauzibil.

Transmisia asincron utilizeaz un semnal anizocron i necesit , în vederea asigur rii detec iei coerente, ca, pe lâng simbolurile purt toare de informa ie, s se foloseasc un simbol de separare, numit pauz . În acest fel, decizia privind un anumit simbol se ia comparându-i durata cu duratele simbolurilor premerg toare. Un exemplu în acest sens îl ofer codul Morse, unde st rile semnalului sunt reprezentate atât de simbolurile punct i linie, cât i de pauze, cele din urm oferind, prin compara ie succesiv , posibilitatea delimit rii caracterelor i cuvintelor. Metodele de transmisiune sincron i asincron se pot combina în diverse moduri, generând tehnici diferite de transmisiune dintre care, cea mai uzitat este transmisiune aritmic . În cazul acestei tehnici, simbolurile sunt transmise sincron în grupuri (blocuri) succesive, desp r ite de intervale având o duratnespecificat , dar obligatoriu mai mare decât o anumit valoare minim . Prin urmare, transmisiunea este sincron la nivel de simbol i asincron la nivel de grup. Un exemplu de transmisiune binar aritmic îl constituie transmisia start-stop. În vederea rezolv rii problemelor ridicate de identificare corect a pauzelor, principiul de func ionare a transmisiei start-stop este definit de urm toarele reguli:

grup rile sunt alc tuite dintr-un num r fixat de bi i,bi ii au acela i interval semnificativ, T , semnalul asociat din interiorul unei grup ri fiind izocron, fiecare grupare este precedat de un element de semnal numit START i urmat de un element numit STOP, START-ul are mereu valoarea logic zero i o durat egal cu intervalul semnificativ T ,STOP-ul are mereu valoarea logic unu i o durat egal cel pu in cu intervalul semnificativ .

inând cont de aceste reguli care conduc la forma semnalului start-stop, exemplificat în figura 3.2.4, procesul de sondare este declan at, la recep ie, o dat cu detec ia tranzi iei dintre STOP i START, moment în care este

START

Caracter Start-Stop

STOP START

timp9T8T7T6T5T4T3T2TT0

STOPa1 a2 a3 a4 a5 a6 a7

2,5 'T1,5 'T0,5 'T 3,5 'T 4,5 'T 5,5 'T 6,5 'T 7,5 'T 8,5 'T

Figura 3.2.4: Exemplu de semnal start-stop


activat baza local de timp, f r bucl de reglaj, a c rei frecven de tact este cât mai apropiat de cea de la emisie. Astfel, semnalul de linie este sondat la momentele ( 1/ 2)k T , unde T este intervalul semnificativ de la recep ie. Lipsa unui reglaj în bucl al frecven ei de tact, la recep ie, face ca, pe parcursul sond rii bi ilor informa ionali, momentele reale de luare a deciziei s se dep rteze tot mai mult, o dat cu avansarea timpului, de momentele ideale

Tk )2/1( . Prin urmare, pentru un num r de n bi i pe grupare, condi ia limit în care sondarea se desf oar f r eroare este:

( 1 2) ( 1)n T n T n T (3.2.1)

Tema 3.2.4 Justifica i rela ia anterioar (3.2.1).

* * * Tema 3.2.5 Stabili i limita toleran ei (abaterii relative) admis a frecven ei locale fade frecven a de la emisie în cazul unei transmisiuni start-stop cu 7 bi i pe grupare (cuvânt).

* * * Tema 3.2.6 Determina i num rul maxim de bi i pe grupare, în cazul unei transmisiuni start-stop la care toleran a de frecven este de 0,5%.

* * * Tema 3.2.7

tiind c sursa genereaz informa ie cu un debit de 100 bit/sec, evalua iputerea medie a unei transmisiuni start-stop, simplu curent, cu 7 bi i pe cuvânt io frecven a tactului de 10 kbit/sec.

* * * Un alt exemplu, ceva mai sofisticat, de transmisiune aritmic se întâlne te în re elele Ethernet. În acest caz, unei anumite cantit i de informa ie, variabildar între anumite limite, provenit din nivelul leg turii de date, i se ata eaz pe post de START, un num r de 8 octe i, conform figurii 3.2.5.

Primii 7 octe i, cu con inutul identic 10101010, constituie preambulul i au rolul de a permite bazei de tact de la recep ie s se "acordeze" pe frecven a de la emisie, folosind un sistem de reglaj automat, iar ultimul octet, de forma 10101011, reprezint delimitatorul de început al cadrului SFD (Start of Frame

PRE

SFD

DA SA

Leng

th/

Type

DATA

FCS

7 1 6 6 2 46 – 1500 4

Figura 3.2.5: Structura cadrului Ethernet IEEE 802.3 PRE – Preamble, SFD – Start of Frame Delimiter, FCS – Frame Check Sum,

DA – Destination Address, SA – Sourse Address


Delimiter) de unde, la recep ie se ini iaz procesul de extragere, din semnal, a informa iei utile. Dup emisia octe ilor din câmpul FCS, în linie nu se mai genereaz semnal pân în momentul transmiterii urm torului cadru.

Tema 3.2.8tiind c sursa de informa ie genereaz cu un debit de 256 bit/sec,

evalua i puterea medie în cazul unei transmisiuni Ethernet la 10 Mbit/sec, care utilizeaz codul bifazic, iar informa ia util , provenit de la nivelul superior este, în medie, de 476 octe i per cadru.

* * * 3.2.3 Interferen a simbolurilor i viteza Nyquist de semnalizare Considerând cazul ideal, în care func ia de transfer a sistemului de transmisiuni are o caracteristic de forma filtrului trece jos ideal, cu frecven amaxim Mf , iar simbolurile na sunt "purtate" de impulsuri Dirac de amplitudine

na (vezi i discu ia din debutul sec iunii 3.1, "Medii de transmisiune"), condi ia ca "r spunsurile" sistemului la aceste impulsuri s nu se influen eze (interfereze) reciproc în momentele de sondare nT este dat de rela ia:

kTfM2 , cu ,2,1k (3.2.2) unde T este perioada de succedare a simbolurilor. În consecin , viteza maxim de transmitere a impulsurilor printr-un sistem de transmisiuni cu o caracteristic de tip FTJ ideal cu frecven a maxim

Mf , în condi ii de lips a interferen ei (între) simboluri ISI (Inter Symbol Interference) în momentele de sondare este:

Baud 1 2S Mv T f (3.2.3) sau reciproc, pentru a transmite la viteza Sv este necesar o band minimegal cu jum tate din aceast valoare exprimat în Hz. Viteza Sv se nume tevitez de semnalizare i se m soar în Baud (simbol/sec). Rela ia (3.2.3) precizeaz un lucru important. Este vorba de faptul c , în condi ii de lipsa a interferen ei, se pot trimite maximum 2 simboluri pe secundîntr-un Hz l ime de band . Prin urmare, considerând o transmisiune multinivel, cu N nivele, adic N simboluri, debitul informa ional D este dat , în cazul în care aceste simboluri sunt echiprobabile, de rela ia:

2bit / sec logSD v N (3.2.4)

unde N2log este cantitatea de informa ie pe simbol, valoarea N fiind în general

de forma n2 . În realitate, caracteristica FTJ ideal este imposibil de realizat, condi ia de lips a interferen ei, care reprezint primul criteriu Nyquist, fiind ca sistemul de transmisiuni s prezinte o caracteristic )(H impar în raport cu punctul de coordonate 21,M . Figura 3.2.6 precizeaz o familie de astfel de caracteristici de tip "cosinus ridicat", larg utilizat . Expresia general este:


2

pentru (1 )

( ) cos 1 pentru 4

0 pentru rest

M

MM M

M

T

H T (3.2.4)

unde este m rimea numit exces de band , 0 1.

1 2

Tt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 -0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1)(th

0

5.01

M2 M2MM M2

TH )(

2M0

1

0.502/1

1

Figura 3.2.6: Caracteristica de transfer în "cosinus ridicat"

Figura 3.2.7: R spunsul FTJ în "cosinus ridicat" la func ia )(t

0x

0x

)(ty

t

T 2T 0

3T 4T 5T 6T

7T

(a) Semnalul de dateBaleiaj

osciloscop Tact (de la modem)

Date recep ie)(ty

Y

X

(c) Diagrama ochiului - schematizatÎO – închiderea ochiului; MZ – marginea de zgomot; SNO – sondare neoptim ; - unghiul

punctului de sondare; DVO – deschiderea vertical a ochiului; DTZ – distorsiunea trecerilor prin zero; DV – distorsiunea de vârf; FTS – fluctua ia tactului de sondare.

(b) Imaginea pe osciloscop

t

)(tyÎO

0x

0x

MZ

DTZDHOFTS

SNO

DVO

nT

DV

Figura 3.2.8: Diagrama ochiului


Func ia pondere corespunz toare este:

22

sin cos( )

1 4

t T t Th t

t T t T (3.2.5)

i are forma de und prezentat în figura 3.2.7. Aprecierea calit ii semnalului recep ionat se face prin vizualizarea pe osciloscop a diagramei ochiului (Eye Pattern). Schema de lucru este prezentatîn figura 3.2.8, al turi de diagrama schematizat a ochiului, în cazul unui semnal de date cu dou niveluri. O închidere minim a ochiului, pe vertical , precizeazo interferen redus a simbolurilor, iar o deschidere mare, pe orizontal ,semnific o abatere mic , fa de situa ia ideal , a fronturilor (reale) care separsimbolurile recep ionate. Valorile m rimilor precizate în figura 3.2.8 se exprimprocentual relativ la deschiderea ideal a ochiului pe cele dou direc ii.

Tema 3.2.9 Reprezenta i grafic diagrama schematizat a ochiului în cazul unui semnal AMI cu 4 niveluri.

3.2.4 Zgomotul alb i capacitatea canalului Zgomotul reprezint un semnal perturbator ce se suprapune, în general,

aditiv peste semnalul util, influen ând procesul detec iei, desf urat în receptorul unui sistem de transmisiune. Zgomotul are mai multe componente dintre care, cea mai semnificativ o constituie zgomotul termic. Zgomotul termic se modeleaz matematic luând în considerare conceptul de zgomot alb. Prin zgomot alb (white noise) se în elege un semnal perturbator care, într-o anumit band specificat , are un spectru de frecven e continuu i uniform (atributul alb provine de la analogia cu lumina alb , în care toate componentele spectrale sunt egale). Dac la acest spectru de frecven e se mai adaug i o caracterizare în domeniul timp, luând în considerare o anumit distribu ie pentru amplitudini, atunci zgomotul alb se particularizeaz în mod corespunz tor. Cazul particular, cel mai prielnic analizei influen ei zgomotului termic asupra procesului decizional, inând cont c este efectul rezultant al unui num rmare de cauze, îl constituie zgomotul alb gaussian aditiv AWGN (Additive White Gaussian Noise) a c rui evolu ie în timp este modelat prin intermediul unui proces aleatoriu )(tZ , sta ionar, cu distribu ia de ordinul I dat de legea Gauss de medie 0 i devia ie standard [27]:

2

2

)(2

exp2

1)( zzf tZ , cu ,t z (3.2.6)

Devia ia standard, , reprezint valoarea efectiv a tensiunii de zgomot i poate fi stabilit prin calcularea puterii medie, 2 , folosind una din

urm toarele metode: - medierea pe ansamblu:

2 2 ( )dZz f z z


în care z reprezint o amplitudine particular , ob inut prin sondarea procesului la un anumit moment, sau - medierea în timp (deoarece procesul este i ergodic):

/ 22 2/ 2

1lim ( )dx t t

unde: )(tx este o realizare particular a procesului inot/ 2 2

/ 2( )dx t t E este energia estimat pe durata a semnalului.

Tema 3.2.10 Da i exemple de amplitudini particulare i de realiz ri particulare ale zgomotului alb aditiv gaussian.

* * * Leg tura dintre caracterizarea în domeniul timp i caracterizarea în domeniul frecven elor se face luând în considerare urm toarele trei rela ii:

2 2 2

-

( ) sec ( ) ( )e djx xX V R R (3.2.7)

(teorema Winer-Khintchin)22 2 1V sec ( )d ( ) d

2E x t t X (3.2.8)

(teorema Parceval Rayleigh)

)()(1lim Zx RR (3.2.9)

în care:

-

V( ) V sec sau ( ) ( )e dHz

j tX x t x t t este densitatea spectral

de amplitudine;)2()( 2X este densitatea spectral de energie;

2

-

( ) V sec ( ) ( )dxR x t x t t este autocorela ia temporal i

exprim o energie;

ttxtxRx d)()()(2/

/2- este estimatorul autocorela iei temporale;

2( ), ( )( ) V E ( ) ( ) ( , )d dZ Z t Z fR Z t Z t u v f u v u v este

autocorela ia statistic i exprim o putere. Aplicând transformata Fourier asupra ambilor membrii din rela ia (3.2.9) se ob ine:


21lim ( ) ( ) V secx ZR R ,

care devine, înlocuind ( )xR cu 2)(X , conform rela iei (3.2.7), adic

schimbând estimatorul densit ii spectrale de energie (mai pu in factorul 2/1 !):21lim ( ) ( )ZX R (3.2.10)

În consecin , întrucât 2)(21 X este estimatorul densit ii spectrale de

energie, termenul din partea dreapt a egalit ii (3.2.10), adic ( )ZR este densitatea spectral de putere.

În cazul distribu iei Gauss, considerate, avem: 2 pentru 0( )

0 pentru 0zR (3.2.11)

Drept urmare, înseamn c teoretic densitatea spectral de putere ia valori infinitezimale. Practic, specificând o anumit band (revezi defini iazgomotului alb!), densitatea spectral de putere se poate preciza prin intermediul urm toarei rela ii:

( )2o

zN

p f (3.2.12)

unde: TkNo , în care k este, a a cum s-a mai precizat anterior, constanta

lui Boltzman, KHzW231038.1k , iar T este temperatura ambiental exprimat

în grade Kelvin. În acest mod, având în vedere banda de lucru, B , parametrul al distribu iei Gauss ce caracterizeaz zgomotul în domeniul timp, este dat de rela ia:

2 2 dB

o oB

N f N B k T B (3.2.13)

Tema 3.2.11

Considerând temperatura K290T , adic C17 , determina i tensiunea efectiv a zgomotului alb gaussian, dac banda de lucru este de 250 kHz.

* * * Tema 3.2.12 Fie un sistem de transmisiuni care utilizeaz în linie un semnal dublu curent. tiind c puterea medie a semnalului la recep ie este de 60 dBm, s se stabileasc valoarea probabilit ii ca un simbol s fie recep ionat gre it dacviteza de semnalizare este de 100 kBaud, în condi ii de lips a interferen ei, iar distorsiunea de vârf extras din diagrama ochiului este de 10%.

* * *


Tema 3.2.13* Verifica i c 2lim E , unde E este estimatorul energiei

determinat plecând de la estimatorul densit ii spectrale de energie i aplicând, în mod corespunz tor, formula (3.2.8).

* * * Zgomotul, prin suprapunerea sa peste semnalul util, influen eaz negativ procesul de detec ie desf urat în receptorul unui sistem de transmisiuni. Drept urmare, în vederea asigur rii unei anumite calit i a transmisiunii, se ac ioneazpe dou c i:

men inerea în anumite limite a raportului ZS , unde S este media puterii maxime a semnalului recep ionat, iar Z este puterea medie a zgomotului

utilizarea codurilor detectoare i corectoare de erori, prima sarcinfiind suficient atunci când transferul informa iei accept retransmisii (cazul fluxurilor de date folosind TCP) sau pierderi (cazul fluxurilor audio), iar a doua sarcin fiind necesar în caz contrar (vezi cazul transmisiilor prin satelit).

Precizarea calit ii unei transmisii digitale se face prin intermediul frecven ei cu care bi ii reprodu i la recep ie sunt erona i, denumit i rata erorilor la nivel de bit, BER (Bit Error Rate). În consecin , presupunând c este posibil realizarea unei scheme de codare care s garanteze o eroare la nivel de bit suficient de mic i considerând c , pentru comunicare, canalul folosit este de putere limitat , de band limitat Bi cu zgomot de tip Gauss, se demonstreaz (teorema Shannon) c valoarea

capacit ii C a canalului este dat de rela ia:

2log 1C B S Z (3.2.14)

Într-adev r, analizând cazul unei transmisiuni multinivel cu M niveluri echiprobabile, plaja tensiunii efectiv recep ionate se întinde de la ZS pânla ZS . Prin urmare, conform figurii 3.2.9, impunând zona de decizie de dimensiune minim Z2 (adic tensiunea efectiv de zgomot) este necesar ca, în dorin a de a evita suprapunerile de zone, num rul de nivele s fie egal cu:

ZS

ZZSM 1

22 (3.2.15)

În consecin , introducând acest num r în formula de calcul a debitului binar (rela ia 3.2.4) se ob ine rela ia c utat (3.2.14).

Tema 3.2.14 Determina i capacitatea unui canal telefonic cu banda de 3,4 kHz i cu raport 40ZS dB. Cât este, în acest caz, puterea la emisie dac atenuarea pe linie este de 10 dB?

* * *


Tema 3.2.15 Stabili i num rul maxim de niveluri de tensiune pe care semnalul din linie le poate lua în cazul unui sistem de transmisiuni digitale în banda de baz , care are o vitez de semnalizare de 32 kBaud i o putere maxim de 20 dBm dac ,pân la receptor, mediul de transmisiune introduce o atenuare de 30 dB.

* * * Rela ia (3.2.14) precizeaz faptul c valoarea capacit ii unui canal cre tedeopotriv atât cu cre terea puterii semnalului, cât i cu cre tere benzii. Aceastcre tere este îns limitat , în primul rând, de restric iile legate de puterea la emisie, iar, în al doilea rând de cre terea în acela i timp a puterii zgomotului. Drept urmare, cre terea capacit ii în func ie de band urmeaz o curb de genul celei prezentate în figura 3.2.10, valoarea limit , C , fiind dat de rela ia:

2lnlimoB N

SCC (3.2.16)

ZS

– 2d

– d

0

d

3d

2d

4d

5d

Prag

uri d

e de

cizi

e

ZS

– 4d

– 3d

Z

Z

Impuls nedeformat

Niveluri ale semnalului de linie

Zgomot

T

– 5d Tensiune efectiva zgomotului

momente de sondare

t

Figura 3.2.9: Niveluri i praguri de decizie în transmisiune multinivel, în banda de baz

C [bi i/sec]

B [Hz]

C

Figura 3.2.10: Varia ia func ie de band a capacit ii unui canal


Tema 3.2.16 Demonstra i rela ia (3.2.16).

* * * Tema 3.2.17 Reprezenta i grafic forma de und ob inut la ie irea unui filtru trece jos ideal, cu TM , dac la intrare se aplic semnalul:

)3()2()()( TtCTtBTtAtx

unde 2A , 1B i 1C . Dar dacTM 2

3 ?

3.2.5 Detec ia erorilor Cea de a doua direc ie urmat în vederea contracar rii efectelor generate de imperfec iunile sistemului de transmisiune (distorsiuni de amplitudine i de faz , interferen e, zgomot etc.) o constituie introducerea unei cod risuplimentare, premerg toare cod rii de linie, care se desf oar la nivelele superioare nivelului fizic al arhitecturilor de re ea i care se ocup cu detec ia i,eventual, corec ia erorilor strecurate în secven a ref cut la recep ie. Pentru acest gen de codare s-a dezvoltat a a numita teorie a cod rii, [42], a c reiamploare face imposibil prezentarea ei complet într-un subcapitol al acestei lucr ri. În cele ce urmeaz se face doar o scurt incursiune în acest domeniu vast, absolut necesar pentru în elegerea obiectivului sec iunii de fa . La modul cel mai general, codarea în vederea detec iei i corec iei erorilor presupune ad ugarea la secven a binar , util , a unor bi i suplimentari, redundan i, cu ajutorul c rora la recep ie se poate lua decizia dac exist sau nu erori, ca apoi, eventual, s se întreprind ac iuni în vederea elimin rii acestora. Desigur, aceasta este o descriere cât se poate de sumar , l muriri suplimentare urmând a se da în continuare prin intermediul câtorva exemple. Se va avea în vedere doar latura privind detec ia erorilor, datorit ariei largi de aplicabilitate în cadrul sistemelor/re elelor de comunica ii, spre deosebire de cealalt latur , a corec iei erorilor, cu utilizare restrâns , precum în cazul transmisiunilor de date care nu accept retransmisii.

3.2.5.1 Bitul de paritate Codul cu bit de paritate reprezint cea mai simpl solu ie, care se poate

aplic în vederea detec iei erorilor. Schema de codare folosit în acest caz const în împ r irea secven ei originare în cuvinte (blocuri) binare de o anumitlungime, 1L , i alc tuirea unor noi cuvinte, numite cuvinte de cod (care fac parte din dic ionarul de cuvinte folosite de respectivul cod) prin suplimentarea fiec rui cuvânt originar cu un bit de valoare 0 sau 1, astfel încât cuvintele ob inute s aib aceea i paritate (în general, par ). Fixarea valorii bitului suplimentar, numit bit de paritate, se face prin sumarea modulo 2 a bi ilor din cuvântul originar, conform rela iei:

2modulo110 LL bbbb (3.2.17)

La destina ie, cuvintele de cod care vor avea ponderea aleas se vor considera


corecte, iar pentru cele ce au cealalt paritate, se va decide c sunt eronate. De exemplu, dac informa ia originar , pe 7 bi i, este (0, 1, 0, 1, 1, 0, 0), rezult 18b , iar cuvântul de cod va fi (0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1). Dac la recep ie se prime te (0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1), adic exist o eroare la al treilea bit, atunci paritatea recep ionat este diferit de a bitului de paritate i concluzia este "eroare". Dac îns se recep ioneaz (0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1), cu doi bi i erona i,paritatea nu se schimb , deci, de i sunt dou erori , ele nu pot fi detectate.

Tema 3.2.18 Realiza i o schem cu circuite logice combina ionale, care s genereze bitul de paritate în cazul în care secven a originar este împ r it în blocuri de câte 4 bi i. Indica ie: se vor utiliza diagramele Veich-Karnough de minimizare a func iilor logice.

* * * Plecând de la acest exemplu se pot trage dou concluzii general valabile, în cazul oric rei scheme de codare. Astfel, în primul rând, pentru a detecta erorile strecurate în secven a binar , reprodus la destina ie, sunt necesari bi isuplimentari, acest adaos confer redundan a dorit , dar conduce la o cre tere a debitului binar ce urmeaz a fi supus cod rii de linie, fa de debitul binar originar. Prin urmare, din acest punct de vedere performan a unui cod este m surat prin raportul dintre num rul bi ilor utili, din cuvintele secven ei originare,

oB , i num rul bi ilor dintr-un cuvânt de cod, cB , raport care poart numele de eficien a cod rii:

EFNT o cB B (3.2.18)

A doua concluzie este c nu pot fi detectate toate combina iile de erori, cum este cazul exemplului ales mai sus, în situa ia unui num r par de erori. În consecin , obiectivul urm rit este ca distan a dintre cuvintele de cod, adicnum rul de bi i prin care difer fiecare fa de fiecare (vezi reprezentarea sugestiv din figura 3.2.11) s fie suficient , astfel încât ansele detec iei eronate la nivel de cuvinte s fie men inute sub o anumit limit , impus în principiu, de aplica ia deservit . Aceast ans reprezint al doilea indicator important al performan ei unei scheme de codare, denumit eficacitatea cod rii.

ansa (probabilitatea) detec iei eronate se determin inând cont de particularit ile scheme de codare i considerând un anumit model matematic,

x = cuvânt de cod ; o = non-cuvânt de cod

x

x x

x

x

x

x

oo

ooo

ooo

ooo

o

Cod cu propriet i bune de distan

ox

x xx

xxx

o ooo

oooooo

o

Cod cu propriet i slabe de distan

Figura 3.2.11: Distan a între cuvintele de cod


pentru a descrie apari ia erorilor la nivelul canalului de comunica ie. În genera, se presupune c erorile la nivel de bit sunt independente (ipotez care se justificinând cont de informa iile ce vor fi prezentate în sec iune urm toare), ceea ce, în cazul cod rii cu bit de paritate, conduce la urm toarea formul :

2 1 4 31EFCT Pr detec ie eronat (1 ) (1 )

2 4L LL L

p p p p (3.2.19)

unde p este probabilitatea ca un bit s fie eronat. În general, doar primul termen al sumei este semnificativ, dat fiind faptul c , în cazul canalelor uzuale de comunicare, 1p .Tema 3.2.19 Determina i eficien a i eficacitatea cod rii cu bit de paritate daclungimea cuvintelor de cod este de 8 bi i, iar probabilitatea ca un bit s fie eronat este de 610 .

* * * Tema 3.2.20 Determina i întârzierea introdus în procesul de transmitere a unui flux informa ional de o schem de codare cu bit de paritate, cu cuvinte de 16 bi i,dac aplica ia surs genereaz informa ie cu un debit de 10 kbit/sec.

3.2.5.2 Controlul erorilor în IP Protocolul IP se ocup cu rutarea pachetelor prin Internet, interesul s urezumându-se doar la erorile care pot afecta anteturile pachetelor IP. Având în vedere faptul c verific rile aferente unui pachet trebuie efectuate într-o maniersoftware, în fiecare ruter tranzitat, proiectarea schemei (algoritmului) de detec iea erorilor a inut cont mai mult de aceste aspecte i mai pu in de ob inerea unei eficacit i deosebite, corec ia erorilor cap la cap revenind, în principal, protocolului TCP.

Schema de control al erorilor folosit de protocolul IP consider antetul pachetelor alc tuit dintr-un num r L de cuvine pe 16 bi i, 0 1 1, , , Lw w w , la care

se adaug cuvântul Lw , numit cheie de verificare (checksum). Stabilirea con inutului acestui cuvânt suplimentar se face parcurgând urm torii pa i:

1. cele L cuvine, v zute ca întregi, sunt adunate modulo 1216 :

160 1 1 mod(2 1)Lx w w w

2. valoarea ob inut la pasul anterior este atribuit cu semn schimbat cuvântului Lw , adic : Lw x

În acest mod, controlul erorilor, din antet, se face verificând dac :160 1 1 mod (2 1) 0L Lw w w w

inând cont c sistemele informa ionale folosesc pentru calcule algebra boolean , opera iile aferente acestui algoritm se rezolv practic în aritmetica complement fa de 1. În acest cadru:


însumarea cuvintelor, considerate la pasul 1 al algoritmului, se face folosind adunarea în complement fa de 1, adic , dac apare transport (carry) acesta se adaug la bitul cel mai pu in semnificativ LSB (Last Significatant Bit) al rezultatului sumei modulo 2 1L ;

schimbarea de semn, considerat la pasul 2 al algoritmului, corespunde complementului fa de 1 (adic invers rii tuturor bi ilor);

controlul erorii verific dac suma calculat la recep ie este egal cu 2 1L .

De exemplu, dac sunt 2 cuvinte de câte 4 bi i, trebuie folosit aritmetica modulo 15124 . Considerând cuvintele: 0 21100w i 1 21010w , atunci rezult : 2 (1100 1010) (1 0110) (0110 0001) (0111) 1000cw .

Tema 3.2.21 Determina i cuvintele de cod corespunz toare unei scheme de codare care folose te algoritmul de mai sus, dac cuvintele sunt de 2 bi i i cheia de verificare se ata eaz la fiecare dou cuvinte. Care sunt situa iile în care erorile nu pot fi detectate de aceast schem ?

* * *Tema 3.2.22 Stabili i cheia de verificare ob inut în urma aplic rii schemei de control IP, ce corespunde urm toarelor secven e de octe i: i) 0x92, 0x 5, 0x79, 0x21b ; ii) 0x46, 0x78, 0x 3, 0x34a

* * *Tema 3.2.23 Justifica i de ce în cazul protocolului IPv4 algoritmul de control al erorilor, de i conduce la o solu ionare lent , este implementat în variant software [RFC1071].

* * * Tema 3.2.24 Determina i eficien a schemei de control folosit de protocolul IP în cazul antetelor de dimensiune i) minim ; ii) maxim .

3.2.5.3 Coduri polinomiale Atributul care define te aceast clas de coduri specific faptul c , în acest caz, cadrul de operare îl constituie algebra polinomial în baza 2 (câmpul Galois de ordinul 2, notat GF(2)), cuvintele originare, con inând informa ia util ,cuvintele de cod i vectorul eroare, ob inut în urma verific rii, având drept corespondente polinoame cu indici binari. În cadrul acestui context, opera iile de adunare, înmul ire i împ r ire se desf oar ca în exemplele ce urmeaz :

Adunarea: 11)11()()1( 575675667 xxxxxxxxx

Înmul irea: 11)1()1( 32232 xxxxxxxxx


Împ r irea:

Codurile polinomiale, cunoscute i sub acronimul CRC (Cyclic Redundancy Code), au cuvinte de cod de o anumit lungime n , din care doar ksunt bi ii cuvântului originar, ),,,,( 0121 iiii kk , restul de kn fiind bi iredundan i, ob inu i luând în considerare un anumit polinom, numit polinomgenerator, )(xg . În consecin , referirea la un anumit cod polinomial se face precizând perechea ),( kn i polinomul generator de gradul kn :

1)( 11

1 xgxgxxg knkn

kn (3.2.20)

în care 1kng , 2kng , …, 1g sunt numere binare. În tabelul 3.2.1 sunt precizate câteva exemple de polinoame generatoare folosite în practic .

Tabelul 3.2.1: Polinoame generatoare - exemple

Nume Polinom Domeniu de utilizare

CRC-8 128 xxx ATM – verificarea erorilor din antet CRC-10 145910 xxxxx ATM – AAL CRC CCITT-16 151216 xxx HDLC, XMODEM, V.41

CCITT-32 12457810

111216232632

xxxxxxx

xxxxxxIEEE 802, V.42, AAL5

Conform celor precizate în debutul subcapitolului, specificitatea acestor coduri este aceea c toate elementele implicate (cuvinte originale, cuvinte de cod i vectori de eroare) sunt reprezentate drept polinoame cu coeficien i binari. Ca

urmare, cuvântul originar ),,,,( 0121 iiii kk este transpus într-un polinom de forma:

012

21

1)( ixixixixi kk

kk (3.2.21)

urmând ca s se determine, prin procesul de codare, un cuvânt de cod, )(xb , în form polinomial , care s con in bi ii informa ionali i pe cei adi ionali de control. Generarea cuvântului de cod, pentru un cod ),( kn , se face parcurgând urm torii pa i:

56 xx346 xxx

13 xx

xxx 23345 xxx

235 xxx

xxx

xx24

24

x

(deîmp r itul) (împ r itorul)

(câtul)

(restul)


1. se înmul e te )(xi cu knx (ceea ce corespunde cu deplasarea spre stânga a bi ilor de informa ie, cu kn pozi ii, i cu înscrierea valorii 0 în toate pozi iile eliberate);

2. se împarte rezultatul înmul irii la polinomul generator, ob inându-se câtul )(xq i restul )(xr , ceea ce reprezint de fapt:

)()()()( xrxqxgxix kn

3. se adun restul )(xr la rezultatul de la pasul 1 (adic se introduc bi ii"restului" în cele kn pozi ii inferioare, c rora li se d duse anterior valoarea 0) i se ob ine astfel cuvântul de cod:

)()()( xrxixxb kn

Cuvântul de cod are proprietatea c este divizibil cu polinomul generator i aplicarea acestei propriet i constituie, în fapt, testul prin care se decide dac

recep ia este corect sau eronat . Cu alte cuvinte, dac din împ r irea cuvântului de cod prin polinomul generator se ob ine un rest nenul, atunci înseamn crecep ia s-a soldat cu eroare. Restul poart numele de "vector eroare" i este folosit pentru corec ia local a erorilor atunci când transmisia o cere.

Tema 3.2.25 Verifica i afirma ia precedent , anume: rezultatul împ r irii unui cuvânt de cod f r erori la polinomul generator este nul.

* * * Opera iile de înmul ire i împ r ire în GF(2) putându-se realiza hardware prin intermediul unor scheme simple, care folosesc registre de deplasare, fac posibil utilizarea pe scar larg a acestei clase de coduri. Figura 3.2.12 prezint o asemenea schem , pentru cazul particular al circuitului de împ r ire la polinomul 1)( 3 xxxg . Pe lâng schema propriu-zis , figura mai prezint i st rile registrelor pe parcursul celor 7 tacturi necesare ob inerii rezultatului dorit, adic a restului )(xr .

Clock Input Reg 0 Reg 1 Reg 2 0 - 0 0 0 1 1 = i3 1 0 0 2 1 = i2 1 1 0 3 0 = i1 0 1 1 4 0 = i0 1 1 1 5 0 1 0 1 6 0 1 0 0 7 0 0 1 0 bi i de verificare : r0 = 0 r1 = 1 r2 = 0 r(x) = x

Reg 0 +

1100000 g0 = 1 g1 = 1 g3 = 1

Reg 1

Reg 2 +

Codor pentru 1)( 3 xxxgg2 = 0

Figura 3.2.12: Schema circuitului de codare/decodare (exemplu)


Tema 3.2.26 Verifica i prin calcule corectitudinea rezultatului ob inut în figura 3.2.12 pentru restul )(xr .

* * * Tema 3.2.27 Stabili i restul, ( )r x , dac în schema din figura 3.2.12 cuvântul original este 0110 i i) 0 0g , 1 1g i 2 1g ; ii) 0 1g , 1 0g i 2 1g .

* * * Tema 3.2.28 Determina i întârzierea introdus de o schem de codare (7,4), dacfrecven a ceasului este de 100 MHz.

3.2.6 Frecven a bi ilor erona i Pe lâng cre terea benzii i/sau a puterii la emisie, suplimentarea capacit ii unui canal se mai poate realiza i prin dep irea limitei considerate în teorema lui Shannon, (rela ia 3.2.15), pentru num rul de niveluri ale semnalului de linie, ceea ce conduce îns la o depreciere pe m sur a calit ii transmisiunii. Desigur, în cel lalt sens, al diminu rii num rului de niveluri, sub valoarea limit ,capacitatea scade, dar în schimb schemele de codare pentru detec ia i corec ia erorilor devin mai simple i mai eficiente. În consecin , proiectarea optim a unui sistem de transmisiuni trebuie s in cont atât de aspectele tehnologice ieconomice, legate de implementare, cât i de cerin ele aplica iilor c rora le sunt destinate, interesul acestora concentrându-se, în principal, asupra ratei erorilor la nivel de bit BER (Bit Error Rate) i întârzierii. Din punct de vedere matematic, rata (frecven a) erorilor la nivel de bit,

er , reprezint o m rime statistic ob inut prin raportarea num rului de bi ierona i, eN , la num rul total de bi i, tn , transmi i pe un anumit interval de observare, . În general, fenomenul aleatoriu de perturbare a bi ilor prezintproprietatea de regularitate statistic , ceea ce tradus în cazul nostru, înseamnc , la limit , când timpul de observare tinde c tre infinit, raportul în discu ie este acela i de la o m sur toare la alta, adic (legea tare a numerelor mari):

( )Pr lim 1

( )e

et

Np

n (3.2.22)

M rimea ep reprezint de fapt, probabilitatea erorii, a c rei valoare teoretic se poate stabili adoptând un model matematic adecvat, cu ipoteze conforme cu realitatea. Modelul matematic uzual, destinat estim rii probabilit ii de eroare consider c zgomotul din linie este de tip zgomot alb gaussian aditiv. În acest caz, conform figurii 3.2.13, probabilitatea ca tensiunea Z , a zgomotului de putere

2 s dep easc pragul d este, inând cont de simetria func iei densitate de probabilitate:


Pr 2 Pr 2 ( )Z d Z d Q d (3.2.23)

unde ( )Q d este "coada" distribu iei (tail probability) Gauss de referin , cu media 0 i devia ia standard 1 (vezi anexa D).

De fapt, evenimentul dZ este d un tor doar în cazul nivelurilor care nu se g sesc la marginea plajei de valori acoperite i nu pentru cele douniveluri extreme când doar dZ , respectiv dZ conduc la erori (vezi figura 3.2.9 unde, de aceast dat , Z reprezint puterea medie a zgomotului). Prin urmare, în ipoteza, deja considerat o dat cu prezentarea teoremei lui Shannon, conform c reia nivelurile sunt generate echiprobabil i aplicând formula probabilit ii totale, adic 1

ˆPrMe j jj jap a a p , în care:

- ja este nivelul estimat la recep ie i - ja este nivelul corespunz tor, generat la emisie,

rezult c :2

1

1 1 1Pr Pr Pr

12 1 ( )

M

ej

p Z d Z d Z dM M M

Q dM

(3.2.24)

u (axa valorilor normate) 0 dx

)(ufX

)(xQ

z (axa valorilor reale)d0

t (timp)

realizare particulara zgomotului

Figura 3.2.13: Semnifica ia nota iei Q(.)


Rela ia anterioar prezint probabilitatea de eroare func ie de valoarea pragului, d , i a tensiunii efective a zgomotului, . În vederea stabilirii leg turiicu puterea medie a semnalului recep ionat, p , m rime m surabil ca i puterea zgomotului, se pleac de la calcularea energiei, je , pentru fiecare simbol, adicnivel distinct recep ionat, ja . Calculul se face în condi ii de lips a zgomotului i a interferen ei, adic func ia de transfer a sistemului de transmisiuni este echivalent cu cea a unui filtru trece jos ideal:

echpentru

( )0 pentru

M

M

TH (3.2.25)

cu MT pentru a asigura la recep ie o putere independent de viteza datelor. Astfel, aplicând rezultatul teoremei Parceval, (rela ia 3.2.8) i aproximând simbolurile cu impulsuri Dirac, de amplitudine ja , ob inem:

TaHa

e jechj

j22

2

d)(2

(3.2.26)

unde ( 1) , , 3 , , ,3 , ,( 1)ja M d d d d d M d .

Prin urmare, energia medie e se ob ine calculând media: 2 2

1( 1) 3

M

jj

e e M d M T (3.2.27)

iar puterea medie este: 2 2( 1) 3p d M (3.2.28)

Rela ia anterioar poate fi scris în forma:

222

2

)1(3 p

Md (3.2.29)

iar prin substitu ie corespunz toare în rela ia (3.2.24) se ob ine expresia dorit :

22 13112 p

MQ

Mpe (3.2.30)

unde 2p este raportul semnal-zgomot la recep ie. Curbele din figura 3.2.14 prezint modul de varia ie cu raportul semnal-zgomot a probabilit ii de eroare, pentru trei cazuri particulare: 2M , 4M i 8M .

Tema 3.2.29

Analiza i curbele din figura 3.2.14 i, în condi iile în care 410ep ,preciza i: - cu cât scade ep dac nivelul semnal-zgomot cre te cu 1 dB, - ce m suri trebuie luate pentru ca dublarea num rului de niveluri s nu afecteze valoarea ep .

* * *


Tema 3.2.30 Considerând c atenuarea pe linie este de 20 dB, iar în stratul fizic al unei arhitecturi de re ea se utilizeaz un cod de linie pe 4 nivele, cu o vitez de semnalizare de 1500 Baud, stabili i valorile numerice ale puterii medii i ale puterii maxime de la emisie, dac pe nivelul leg tur de date se utilizeaz : i) un cod detector de erori care func ioneaz corespunz tor pentru

510BER ; ii)* codarea cu bit de paritate, cu lungimi ale cuvintelor de cod de 8 bi i, iar eficacitatea cod rii trebuie s fie de cel mult 510 .

* * * Ipoteza considerat de modelul descris mai sus, conform c reia bi ii sunt afecta i în mod independent, nu se respect în realitate întrucât în cazul transmisiunii multinivel, un simbol reprezint mai mul i bi i, iar zgomotul, pe lângcomponenta termic , mai prezint i componenta în impulsuri, proprie dispozitivelor semiconductoare i cu o ac iune mult mai corelat . În consecin ,pentru ca realitatea s se apropie de ipoteza considerat i, astfel, rezultatele prezise de modelul matematic s fie consistente, în practic se aplicîntre eserea bi ilor (bit interleaving). Schema de principiu folosit pentru între eserea bi ilor este prezentat în figura 3.2.15. Piesa central o constituie o memorie tampon organizat sub formde matrice. Atât la emisie, cât i la recep ie, scrierea bi ilor se face pe linii, iar citirea pe coloane, în final ordinea bi ilor din secven a ref cut fiind aceea i cu cea originar .

Tema 3.2.31 Calcula i întârzierea datorat utiliz rii unei scheme de între esere cu dimensiunea de 1616 bi i dac sursa genereaz cu un debit de 24 kbit/sec.

* * *

5 10 15 20 25 300

– 1

– 2

– 3

– 4

– 5

– 6

– 7

M = 8M = 4

M = 2

eplog

Z

SPPlog10

Figura 3.2.14: Probabilitatea de eroare versus raportul semnal-zgomot


3.3 Transmisiuni prin translatare spectral

O serie de motive, de ordin tehnic, precum existen a cuplajelor capacitive i/sau inductive, i de ordin economic, ca de exemplu; utilizarea aceluia i mediu

de comunicare pentru mai multe transmisiuni simultane, adic prin multiplexare (no iunea descris succint în capitolele precedente i prezentat mai amplu într-o sec iune urm toare), fac necesar transpunerea spectrului de baz într-un spectru adecvat condi iilor i obiectivelor urm rite. La modul principial, un sistem de transmisiune digital , care realizeaztranslatarea spectrului de baz într-o band dorit , pe scurt numit sistem trece band de transmisiune digital , sau modem, i mai concentrat, este alc tuit ca în figura 3.3.1 din urm toarele componentele:

codor – introduce posibilitatea detec iei i, eventual, a corec iei de erori, prin generarea cuvintelor de cod ic , corespunz toare mesajelor im ,provenite de la sursa de informa ie;modulator – produce un semnal )(tsi , distinct pentru fiecare cuvânt de cod ic i cu o durat T egal cu inversul frecven ei de generare a cuvintelor de cod; mediu de transmisiune, tip trece band , cu o band , 12 ffB ,suficient pentru a fi eficiente metodele de contracarare a perturba iilor(amplificatoare, egalizoare etc.);

Figura 3.2.15: Între eserea bi ilor – schema de principiu


detector – prin demodularea semnalului recep ionat )(tx , pe durata T ,genereaz un cuvânt 'ic ;decodor – stabile te dac cuvântul oferit de detector este un cuvânt de cod, în caz afirmativ, traducându-l în mesajul estimat im , iar, în caz negativ, ini iind procedura de corec ie a erorilor, folosit de respectivul sistem de transmisiuni.

Dintre aceste componente, modulatorul este cel îns rcinat cu translatarea spectral , principalele tehnici folosite fiind:

- modula ia în amplitudine, - modula ia în frecven ,- modula ia în faz .

În general, modula ia presupune existen a, pe post de purt toare, a unui semnal sinusoidal, cos( )p p pA t , centrat în banda de frecven e disponibil

1 2( , )B f f , adic 2)( 21 fffp . În aceste condi ii, modula ia de amplitudine, de frecven i de faz ,corespunz toare unei cod ri binare (în care bi ii cuvintelor de cod ac ioneazindividual asupra purt toarei) se desf oar conform figurii 3.3.2. Astfel:

- în cazul modula iei de amplitudine ASK (Amplitudine Shift Keying),bi ii din secven a informa ional moduleaz amplitudine, purt toarea fiind pornit sau oprit în mod corespunz tor;

Detector DecodorSursa de informa ie Codor Modulator Mediu de

transmisiuneim ic )(tsi )(tx ic ' im

Transmi tor Receptor

Purt toare

Figura 3.3.1: Schema de principiu a modem-urilor

Informa ia 1 1 1 10 0

Modula ie de amplitudine

+1

–1 0 T 2T 3T 4T 5T 6T

t

Modula ie de frecven

0 T 2T 3T 4T 5T 6T

t+1

–1

+1

–1

t

0 T 2T 3T 4T 5T 6T

Modula ie de faz

Figura 3.3.2: Principiul modula iilor de amplitudine, frecven i faz


- în cazul modula iei de frecven FSK (Frequency Shift Keying), este modulat frecven a purt toare, prin schimbarea acesteia, valorile de lucru fiind pf i pf ,

- în cazul modula iei de faz PSK (Phase Shift Keying), este modulat faza purt toarei, prin modificarea acesteia, valorile considerate fiind p i p .

Schema de modulare-demodulare PSK, corespunz toare unei cod ribinare este prezentat în figura 3.3.3, al turi de formele de und aferente. Întradev r, transmiterea semnalului cos( )p t pentru "1" i cos( )p t pentru "0" se reduce în aceast situa ie în a înmul i purt toarea cu 1, respectiv cu 1,adic este echivalent cu o modula ie în amplitudine având ca modulator semnalul dublu curent (polar NRZ) corespunz tor (vezi figura 3.3.3.(a)), semnalul rezultat fiind generat continuu pe durata unui simbol, T . La recep ie, considerând

1 1 1 10 0Informa ia de transmis

(a) Semnal dublu curent

( ) , ( 1),

k

k

x t a k T t kTa A A

+A

A 0 T 2T 3T 4T 5T 6T

t

(c) Semnal modulat )(ty

+A

A0 T 2T 3T 4T 5T 6T

t

+2A

2A

t(e) Semnal demodulat )cos()(2 tty p

Xak kTtTkaty kk )1(,t)cos()( p

)cos( tp

22 cos ( ) 1 cos(2 )k p k pa t a t

Filtru trece jos (de netezire) cu

frecven de t iere fM

Xt)cos()( pkk aty )(ˆ txk

)cos(2 tp

(b) Schema de modulare

(d) Schema de demodulare

( kTtTk )1( )

0 T 2T 3T 4T 5T 6T

Figura 3.3.3: Exemplu de modula ie cu schimbare de faz i forme de und aferente


o detec ie coerent , în sensul c semnalele de la transmi tor i receptor sunt sinfazice, demodula ia const într-o multiplicare a semnalului modulat )(tyk cu

)cos(2 tp i re inerea, în vederea producerii semnalului estimat )(ˆ txk ,doar a componentelor din banda de baz , prin utilizarea unui filtru trece jos, cu o caracteristic , de exemplu, în cosinus ridicat, echivalent unui FTJ ideal, cu frecven a de t iere egal cu B/2.

inând cont de banda de lucru B , a c ii de comunica ie folosit , viteza maxim de semnalizare, admis în cazul procedeului descris anterior, este de B simboluri/sec, adic de 2 ori mai mic decât viteza Nyquist corespunz toare unui sistem de transmisiune în banda de baz , cu o caracteristic echivalent cu cea a unui TFJ ideal cu frecven a de t iere, cu alte cuvinte, cu banda de trecere egal cu B . Aceast vitez poate fi adus la valoarea B2 simboluri/sec dac ,pentru translatarea spectral , se folose te modula ia de amplitudine în cuadratur .

Tema 3.3.1 Justifica i afirma ia precedent , privind viteza de semnalizare în sistemele de transmisiuni trece band digitale.

* * * Modula ia de amplitudine în cuadratur QAM (Quadrature Amplitude

Modulation), a c rei schem de principiu este prezentat în figura 3.3.4. Acest tip de modula ie const , în cazul unei secven e de simboluri cu debitul

B2 simboluri/sec, în împ r irea fluxului informa ional originar în doucomponente, una cuprinzând simbolurile impare, ka , cealalt pe cele pare, kb ,fiecare fiind modulate conform figurii 3.3.4, în maniera PSK prezentat anterior (simbolurile considerate nu trebuie s fie neap rat bi i, discu ia fiind valabilpentru cazul general, inclusiv cel al bi ilor). Cele dou semnale rezultate, )(tuk i )(tvk , se adun , iar semnalul modulat în cuadratur , astfel ob inut: )sin()cos()()()( tbtatvtuty pkpkkkk (3.3.1)

este emis în mediul de transmisiune. La recep ie, procesele demodul rii au în vedere egalit i trigonometrice cunoscute, i anume: )2cos(1)(cos2 2 tt pp ; )2cos(1)(sin2 2 tt pp i2sin( ) cos( ) sin(2 )p p pt t t . Prin aplicarea lor, în maniera prezentat în figura 3.3.4, la care se adaugo filtrare trece jos cu frecven a de t iere egal cu 2B (adic jum tate din banda c ii de comunica ie utilizat ), cele dou secven e ka i kb sunt ref cute, iar prin între esere, se recombin conform secven ei originare. Modula ia de amplitudine în cuadratur este de fapt o modula iebidimensional , prin faptul c "despic " secven a originar de impulsuri, în doucomponente ka i kb , prima "în faz ", a doua "în antifaz ".


Dac se compar situa ia de fa cu reprezentarea unidimensional din figura 3.2.9, aici nivelurile folosite se împerecheaz în combina ii admise, repartizate într-un spa iu bidimensional, ca în figura 3.3.5. Primul exemplu din aceast figur consider codarea unidimensional (relativ la fiecare component

ka , respectiv kb ) pe dou niveluri, iar al doilea exemplu are în vedere o codare unidimensional pe 4 niveluri, ceea ce în reprezentare bidimensional , denumitconstela ia semnalului, se traduce în 4 , respectiv 16 niveluri.

Constela iile de semnal nu sunt doar rectangulare, ca cele din figura 3.3.5. În practic , plecând de la faptul c modula ia de amplitudine în cuadratur poate fi v zut i ca o modula ie simultan a unui purt tor, atât în amplitudine, cât i în faz :

x

)cos( tp

)cos()( tatu pkk

x

+

ka

kb ( ) sin( )k k pv t b t

)sin( tp

)(tyk

Filtru trece jos (de netezire)

Netezit la zero

x

x

)2sin(0)2cos(1

)sin()cos(2)(cos2 2

tbta

ttbta

pkpk

ppkpk

)(tyk ka

)cos(2 tp

Filtru trece jos (de netezire) kb

)sin(2 tp)2sin(0)2cos(1

)sin()cos(2)(sin2 2

tatb

ttatb

pkpk

ppkpk

Netezit la zero

(a)

(b)

Figura 3.3.4: Schema de principiu a modula iei (a) i demodula iei (b) de amplitudine în cuadratur ( kTtTk )1( )

ka

kb kb

ka

4 niveluri 2 bi i/T2B bi i/sec


Figura 3.3.5: Exemple de constela ii rectangulare de semnal


k

kpkkk a

btbaty arctgcos)( 22 (3.3.2)

se utilizeaz i constela ii nerectangulare, ca cele din figura 3.3.6. în acest caz, considerând o constela ie cu mn 2 puncte i plecând de la schema anterioarde modulare se ajunge la schema de modulare n-QAM în care la fiecare interval T , dup recep ionarea a m bi i, se stabile te punctul corespunz tor din constela ie i se transmit cele dou semnale tpcos i tpsin cu amplitudinile corespunz toare.

La recep ie, demodularea se desf oar în maniera prezentat anterior dar, practic, are în vedere i influen a perturba iilor care vor face ca perechea de valori rezultate, ka i kb , s corespund unui punct în plan care s nu se suprapun cu unul din punctele fixate ale constela iei. În consecin ,demodularea propriu-zis mai trebuie înso it i de un mecanism care s decidcare punct din constela ie este cel mai aproape de punctul real, acesta constituind rezultatul final al demodul rii.

Tema 3.3.2 Determina i amplitudinile cu care sunt modulate purt toarele în cuadratur ale unui sistem de transmisiune digital trece band , care folose te modula ia de amplitudine în cuadratur cu o constela ie a 12 puncte repartizate echidistant pe un cerc de raz 1. Aceea i cerin i pentru 6 puncte.

3.4 Conversia digital a semnalelor analogice

Transportul semnalelor analogice prin intermediul unor sisteme de transmisiune digital presupune traducerea lor într-o form digital . Conversia, respectiv reconversia la forma analogic , se realizeaz printr-o opera ie de modulare, respectiv demodulare, numeric . Aceste opera ii urmeaz a fi descrise în continuare, semnalul analogic considerat fiind semnalul telefonic.

3.4.1 Tehnici de modula ie numeric pentru semnalul telefonic Dispozitivele care realizeaz conversia în form numeric a unui semnal telefonic se clasific în: codec-uri de und i codec-uri de surs . a) Codec-urile de und sunt destinate s reproduc cât mai fidelamplitudinea i faza semnalului analogic originar. Din acest motiv, ele sunt, în

ka

kb kb

ka



Figura 3.3.6: Exemple de constela ii nerectangulare de semnal


general, independente de sursa de semnal pretându-se unei variet i largi de aplica ii: semnale vocale, semnale muzicale (înregistr rile pe compact disc), tonalit i, transmisii de date modulate analogic (cu modem-uri). Principial, func ionarea unui sistem de codare-decodare de undpresupune executarea opera iilor de e antionare, cuantizare, codare,transmisie numeric , decodare i aproximare. Dup modul în care aceste opera ii sunt efectuate s-au dezvoltat mai multe tehnici, i anume: modula ia impulsurilor în cod, MIC (PCM - Pulse Code Modulation), modula ia MIC diferen ial [5], [50], modula ia delta [45], [39]. Modula ia impulsurilor în cod a fost inventat de G. Reeves în 1939 i a deschis era tehnicilor de modula ie digital , având, în continuare, o arie larg de utilizare în re elele de comunica ii datorit performan elor sale.

b) Codec-urile de surs sunt proiectate pe baza informa iilor relative la modul de generare al sursei. Din acest motiv, informa ia digital produs de astfel de codec-uri nu reprezint realiz rile instantanee ale sursei la anumite momente, ci parametri procesului de generare. Ace ti parametrii sunt ob inu iprintr-o analiz conform cu modelul matematic al procesului urm rit i sunt utiliza i la destina ie pentru a aproxima procesul originar, printr-o opera ie de sintez . În figura 3.4.1 se prezint schema general a unui codec de surs ,eviden iindu-se elementele principale care îl diferen iaz de un codec de und .

Codec-urile de surs ce sunt dedicate semnalelor vocale se numesc vocodere. În realizarea lor, vocoderele aplic diverse tehnici, ceea ce conduce la categorisirea lor în: vocoderul de canal, vocoderul spectral, "formant vocoder","voice excited vocoder" i "vocoder cu predic ie liniar ". Toate aceste procedee ofer un debit binar mult mai sc zut fa de codec-urile de und în condi iiasem n toare de fidelitate, dar nu pot fi utilizate pentru muzic sau modem-uri în banda de baz . În general, ele se folosesc acolo unde serviciul telefonic este preponderent i unde l rgimea de band alocat unei comunica ii este critic , de exemplu în re elele de telefonie celular . Figura 3.4.2 prezint domeniile de aplicabilitate a celor dou categorii de codec-uri în cazul aplica iilor telefonice, criteriile luate în considerare fiind debitul binar i calitatea reproducerii (desigur, evaluat subiectiv). Astfel, codoarele de und ofer cea mai înalt fidelitate, dar impun debite binare superioare, iar vocoderele asigur debitele binare cele mai sc zute, dar sacrificând calitatea reproducerii i flexibilitatea serviciului.

Decodor N/A

Form de undaproximat

tCodorA/N t

0100101

Form de und originar

(a)

Analizor Proces originar 110100 Sintetizor Proces

aproximat (b)

Figura 3.4.1: Principiile cod rii: (a) codec de und ; (b) codec de surs


3.4.2 Modula ia impulsurilor în cod Principiul de realizare a modula iei impulsurilor în cod este prezentat în mod schematic în figura 3.4.3. Semnalul de intrare este trecut printr-un filtru trece jos, pentru limitare de band , i apoi este e antionat cu o frecven de cel pu in dou ori mai mare decât cea mai înalt frecven semnificativ din spectrul semnalului prelucrat (teorema lui Nyquist). Cum frecven ele vocale sunt cuprinse între 3,0 kHz i 4,3 kHz, frecven a de e antionare aleas este de 8 kHz.

E antioanele ob inute sunt convertite individual de un codor MIC în cuvinte de cod ce reprezint amplitudinea acestora. Fluxul binar astfel format este trecut prin sistemul/re eaua de comunica ie i prelucrat de un decodor MIC; acesta produce e antioane analogice propor ionale cu cuvintele MIC recep ionate. Pentru a reface forma de und ini ial , aceste e antioane sunt supuse unui proces de filtrare trece jos. Filtrul trece jos de la intrarea în modulatorul MIC are rolul de a limita banda de frecven a semnalului, pentru a evita distorsiunea de suprapunere spectral (foldover, aliasing distorsion).Aceast distorsiune apare dac semnalul de e antionare prezint componente spectrale semnificative peste jum tatea frecven ei de e antionare sf . Figura 3.4.4 prezint o astfel de situa ie, înf i ând succesiv de sus în jos spectrele semnalului de la intrarea în filtrul trece jos (FTJ), de la ie irea din FTJ, de la ie irea din circuitul de e antionarea i dup FTJ de la recep ie (de reconstruc ie). Prin urmare, pentru a evita distorsiunea de suprapunere spectral ,FTJ trebuie s prezinte caracteristici de atenuare abrupte.

calitate sintetic

calitate satisf c toare fidelitate înalt

fidelitate

0,6 4,8 9,6 64 kbi i/sec

Codec-uri de undVocodere

Figura 3.4.2: Niveluri de calitate i debite binare necesare pentru diverse tehnici de modula ie numeric destinate semnalului audio

t

t

Filtru trece jos

Circuit e antionare

Codor t

t

Sistemul / re eaua de comunica ie

t Filtru trece jos

Decodor

Figura 3.4.3: Principiul de realizare a modula iei impulsurilor în cod


Codarea propriu-zis se desf oar în dou faze. În prima faz are loc un proces de cuantizare prin care domeniul continuu al amplitudinilor semnalului de intrare este transferat într-un domeniu discret de amplitudini, num rul maxim al acestora din urm fiind dat de num rul de cuvinte de care dispune codul utilizat. Pentru aceasta, domeniul continuu de amplitudini este împ r it într-o succesiune de intervale demarcate de a a numitele niveluri de cuantizare. Înmomentele de e antionare, codorul stabile te nivelul cel mai apropiat de amplitudinea semnalului i genereaz un cuvânt de cod corespunz tor. Exemplificarea celor enun ate mai sus se face în figura 3.4.5: s-a presupus c semnalul analogic are numai amplitudini pozitive i c sunt generate de cod doar cuvinte pe trei bi i. Comparând cele dou forme de und , continu iîn trepte, este evident c între ele apare o diferen numit eroare/zgomot de cuantizare. Aceast eroare poate fi mic orat atât cât este necesar prin cre terea lungimii cuvintelor de cod, ceea ce implic realizarea unui dic ionar de cuvinte mai amplu.

Schemele practice de realizare a codoarelor MIC sunt numeroase. Printre acestea se num r i montajul prezentat în figura 3.4.6. Curentul SI de la

X in

fs fa) spectrul semnalului de intrare

XFTJ

b) spectrul semnalului filtratffs

XE

ffsc) spectrul semnalului e antionat

XR

d) spectrul semnalului reconstituitffs

distorsiune de suprapunere spectral

Figura 3.4.4: Distorsiunea de suprapunere spectral

Semnalul continuuSemnalul corespunz tor în trepte

Codul numeric

111

000001010011100101110

1 2 4 53 76 8 9 10 11 12 Momente de e antionare

Figura 3.4.5: Procesele de cuantizare i codare MIC


intrarea în comparator este propor ional cu amplitudinea e antionului i este inutconstant (sample and hold) pe toat durata procesului de stabilire a cuvântului corespunz tor. La a doua intrare a comparatorului este injectat un curent, REFI ;el este controlat de registrul de aproximare succesiv , care comandtranzistoarele de comuta ie 81 S,,S . În func ie de starea de blocare sau

saturare a acestora, curentul REFI poate lua un num r de 82 valori distincte, prin care se aproximeaz SI .

Ciclul de stabilire al celui mai apropiat REFI de SI începe cu toate tranzistoarele blocate. Primul tranzistor saturat este S1. Dac SREF II , atunci S1 se blocheaz , în caz contrar r mânând saturat pân la încheierea procesului de codare. În acest mod, se stabile te de fapt cel mai semnificativ bit al cuvântului MIC aflat în construc ie. Pentru urm torul bit se comand S2 i se testeaz ie irea comparatorului. Dac REFS II , atunci S2 se blocheaz ; în caz contrar S2 r mâne saturat pân la sfâr itul procesului, marcând cel de al doilea bit din cuvânt. În mod asem n tor, testul REFS II este reluat pentru restul tranzistoarelor, pân ce to i bi ii cuvântului MIC sunt stabili i. În finalul conversiei REFI aproximeaz SI cu o eroare de cel mult o jum tate de treapt de

cuantizare. Conform descrierii mecanismului, cuvântul de cod este stabilit dupun num r fix de încerc ri, egal cu num rul de bi i al acestuia i corespunde st rilor finale ale tranzistoarelor de comuta ie.

Registru de aproximare succesiv

Comparator

R/128 S1

R/64 S2

R/32 S3

R/16 S4

R/8 S5

R/4 S6

R/2 S7

R S8

Cuvinte de cod

IS

IREF

VREF

Figura 3.4.6: Codor – decodor MIC cu aproximare succesiv


Circuitul decodor necesar refacerii semnalului în trepte poate folosi acela i montaj, dar din care este eliminat circuitul comparator i registrul de aproximare succesiv . Din momentul în care cuvântul de cod este recep ionat,elementele binare ale acestuia sunt utiliza i pentru comanda tranzistoarelor S1,…, S8, curentul REFI generat reprezentând impulsul analogic corespunz tor(teoretic de l ime zero).

Tema 3.4.1 Un codor MIC func ioneaz dup schema prezentat în figura 3.4.6. Sse determine REFI corespunz tor cuvântului de cod 01000101 tiind c :

V12REFV , 256R i c rezisten a de intrare în comparator este mult mai mare decât R.

* * * Refacerea semnalului originar se poate realiza trecând impulsurile generate de decodor printr-un filtru trece jos cu caracteristic cvasi-rectangular ,a c rei frecven de t iere este 1/2 din frecven a de e antionare. În acest fel, semnalul analogic reconstruit reprezint suma r spunsurilor FTJ la impulsurile individuale (figura 3.4.7) [37].

Principalii parametri ce caracterizeaz un codec MIC, frecven a de e antionare i lungimea cuvintelor de cod, se stabilesc în func ie de cerin ele aplica iei pe care urmeaz s o deserveasc . În cazul telefoniei, banda

1

ie ire decodor

r spunsul filtrului la impulsul nr. 3

Impulsuri Dirac

r spunsul FTJ ideal

xxsin

2 3 4 5t

t

r spunsul sum semnalul reconstruit

t

Figura 3.4.7: Principiul func ion rii filtrului de reconstruc ie


semnalului audio se poate limita la 4,3 kHz f r a deteriora în m sursup r toare calitatea acestuia. Considerând aceast valoare, putem fixa frecven a de e antionare la cel pu in 8,64,32 kHz. Datorit realiz rii dificile a filtrelor cu caracteristic foarte abrupt (necesar limit rii benzii semnalului de intrare) i inând seama c , în cazul semnalelor cu spectru descresc tor în zona frecven elor înalte, este valabil condi ia Nyquist, valoarea de 8 kHz este aleas pentru frecven a de e antionare utilizat de sistemele MIC dedicate semnalului telefonic. Lungimea cuvintelor de cod MIC controleaz plaja dinamic a semnalului telefonic transferat prin sistem, precum i nivelul distorsiunii de cuantizare. Semnalele telefonice variaz , în general, în jurul unei valori medii de

16 dBm pân la 25 dBm, având valoarea maxim medie cu 19 dB peste valoarea medie i valoarea minim medie cu 10 dB sub valoarea medie. inând cont c pentru o fidelitate corespunz toare a lan ului MIC este necesar ca raportul semnal/zgomot de cuantizare s fie de cel pu in 40 dB, înseamn cplaja dinamic deservit de codec-ul MIC trebuie s fie de cel pu in 78 dB (vezi figura 3.4.8).

Tema 3.4.2Determina i lungimea minim a cuvintelor utilizate de un codec MIC liniar

(cu trepte de cuantizare egale) astfel încât plaja dinamic oferit s fie cel pu in de 78 dB.

Rezolvare: Plaja dinamic reprezint raportul în dB dintre puterea maximadmisibil a semnalului util S i puterea medie a zgomotului de cuantizare Q.Amplitudinea zgomotului de cuantizare (diferen a dintre amplitudinea e antionuluii amplitudinea cuantizat ) este o variabil aleatoare, X, fapt pentru care puterea

sa medie are expresia: 2

refE EQ X X R (3.4.1)

în care: - E este media pe ansamblul realiz rilor, - refR este rezisten a de referin pe care cade tensiunea.

Considerând c amplitudinea zgomotului de cuantizare este distribuituniform în intervalul ,0 , unde este lungimea treptei de cuantizare, atunci:

ref

2 112 R

Q (3.4.2)

– 16 dBm

– 25 dBm

19 dB

10 dB

40 dB

Plaja dinamic

Figura 3.4.8: Stabilirea plajei dinamice minime a unui codec MIC


Dac A este amplitudinea maxim a semnalului codat, atunci puterea sa maxim se calculeaz cu expresia:

ref

2

2RAS (3.4.3)

Pentru a coda astfel de semnale parametrii cuantiz rii, i N (num rul treptelor de cuantizare) trebuie s satisfac rela ia:

AN 2 (3.4.4) Cu ajutorul acestei rela ii i pe baza rezultatelor anterioare, raportul semnal-zgomot se poate exprima în func ie de N astfel:

2 22

ref ref

310log 10log 10log2 12 2

S A NR RQ

În cazul unui cod binar, cu cuvinte de cod cu lungime L, num rul treptelor

de cuantizare este LN 2 deci: )12(377,4log10 LQS .

Condi ia specificat în enun conduce la urm toarea inegalitate: 78)12(377,4 L

care este satisf cut la limit pentru L = 13. Pentru aceast valoare, codul ofero dinamic de 8,79 dB( 80 dB).

* * * Unul din factorii importan i care influen eaz costul transmisiei sau comuta iei digitale a unui semnal numeric este debitul binar al acestuia. Pentru solu ia oferit anterior, cu lungimea de 13 bi i i frecven a de e antioane de 8 kHz, se ob ine un debit de 104 kbit/sec. F r a deteriora calitatea transmisiei, acest debit poate fi redus dac informa ia este supus unui proces de compresie - expandare (compandare).

Figura 3.4.9 prezint comparativ curbele raportului semnal-zgomot de cuantizare ( QS / ) pentru trei metode de codare MIC: liniar pe 13 bi i i cu

–60

50

40

30

20

10

–50 –40 –30 –20 –10 0 10S (dBm)

S /Q (dB)

Compandare pe 8 bi i, A = 87,6

Compandare pe 8 bi i, = 255

Codare liniar pe 13 bi i

Figura 3.4.9: Raportul semnal-zgomot de cuantizare


compandare pe 8 bi i, dup legea A i dup legea . Analizând aceast figur se observ c dac pentru metoda liniar raportul S/Q devine nejustificat de mare odat cu cre terea puterii semnalului, în cazul celorlalte dou metode el r mâneaproape constant în condi iile reducerii debitului binar cu 38%.

Pentru realiz rile practice de codec-uri MIC pe 8 bi i cu compandare au fost adoptate dou legi dup care s-au construit func iile de transfer, i anume:

- legea A, cu parametrul 6,87A i având expresia: 1

1

1 ln 1 ln sgn( ), pentru 1/A 1( )

1 ln sgn( ), pentru 0 1/

A x A x xF x

A x A x x A (3.4.5)

- legea , cu parametrul 255 i având expresia:

)sgn()1ln()1ln(

)( xx

xF (3.4.6)

Conform legii A, valoarea numeric purtat prin ultimii 7 bi i ai octetului este ob inut , plecându-se de la valoarea absolut a tensiunii de modula ie e antionat ( )4096x , prin aplicarea unei legi de aproximare de alurlogaritmic : 13 segmente de amplitudine (figura 3.4.10). Bitul cel mai semnificativ al octetului caracterizeaz semnul tensiunii.

128

112

96

80

64

48

32

16

16

32

48

64

80

96

112

256

512 1024 2048

128

4096 -256

-512

-1024-2048 -4096

Semnal analogic de intrare

amplitudini pozit ive

amplitudini negative

Valoare binar(bitul cel mai semnificativ = 1)

Valoare binar(bitul cel mai semnificativ = 0)

Partea liniar

Figura 3.4.10: Legea A de codare cu 13 segmente


Între cele dou legi exist diferen e mici, i anume: - din punct de vedere al num rului de segmente din care este

construit func ia de transfer, legea A este aproximat cu 13 segmente, iar legea cu 15 segmente; primele dou segmente de lâng origine din legea A i primul segment din legea , pe ambele parit i, au aceea i pant ;

- în origine, func ia de transfer este continu pentru legea idiscontinu cu un pas de cuantizare pentru legea A;

- aceste modalit i de construire a func iei de transfer au ca efect faptul c legea A ofer , fa de legea , un raport QS / mai mare pentru semnale peste 38 dBm i mai mic pentru semnale sub aceastvaloare (figura 3.4.10). Sc derea rapid a raportului QS / la niveluri mici ale segmentului de intrare se datoreaz în cazul legii A, acelei trepte de cuantizare din jurul originii care favorizeaz cre tereazgomotului de cuantizare chiar i în cazul unui canal inactiv, bitul cel mai pu in semnificativ putând fi influen at de cea mai mic perturba ieanalogic .

3.4.3 Tehnici de modula ie cu debit redus În dorin a utiliz rii superioare a resurselor existente (sisteme de transmisiuni i de comuta ie) s-au dezvoltat o serie de metode de modula ie care s reduc debitul binar. Unele dintre acestea s-au axat pe codarea de und , iar altele pe codarea sursei. În prima categorie se încadreaz modula iile de tip MIC diferen ial i modula ia delta ( , din a doua, vocoderele. În ambele situa ii, diminuarea debitului binar s-a reflectat mai mult sau mai pu in în sc derea fidelit ii i/sau a flexibilit ii transmisiei (ultima însu ire precizând posibilitatea de a fi suport i pentru alt gen de aplica ii, diferite de cea care a stat, ini ial, la baza conceperii respectivei solu ii).

Modula ia MIC diferen ial se bazeaz pe faptul c , în cazul aplica iilor de band limitat , amplitudinile a dou e antioane succesive se diferen iaz , în medie, pu in comparativ cu domeniul de amplitudini deservite de sistem. Din acest motiv transmiterea valorilor absolute ale e antioanelor adiacente este redundant , informa ia suficient refacerii semnalului la destina iefiind con inut în diferen a acestora. Pentru a sc dea redundan a i, corespunz tor, debitul binar, în condi iile unei fidelit i echivalente cu cea a modula iei MIC, codorul MIC diferen ial este realizat conform schemei din figura 3.4.11. Conform acesteia, cuvintele de cod generate sunt rezultatul diferen ei dintre e antionul curent i o amplitudine prezis , estimat pe baza unui num r de e antioane precedente. Aceastactivitate presupune trecerea semnalului de intrare, supus unei filtr ri trece jos pentru a preveni suprapunerea spectral , printr-un circuit de e antionare imen inere (sample & hold), ob inându-se astfel un semnal în trepte. Diferen adintre fiecare amplitudine a unei trepte, kX , i amplitudinea estimatcorespunz toare, kY , este cuantizat i codat pentru transmisie. Estimatorul


folose te un num r de e antioane anterioare pe care le pondereaz pentru a minimiza energia medie a semnalului diferen . Ponderile sunt calculate pe baza datelor statistice ce caracterizeaz semnalul vocal. Ponderile pot fi fixe sau reglabile continuu. Primul caz corespunde sistemelor MIC diferen iale, iar al doilea sistemelor MIC diferen iale adaptive, ADPCM. [Recomandare CCITT 84].

Actualizarea circuitului de predic ie se realizeaz prin sumarea amplitudinilor curente ale estimatorului, kY , i cele ale semnalului diferen , kD .La destina ie, pentru refacerea semnalului în trepte se utilizeaz un estimator ca cel din figura 3.4.11. Modulatoarele MIC diferen iale, care iau în considerare trei e antioane în calculul amplitudinii estimate kY pot lucra cu 2 bi i pe e antion mai pu in decât sistemele MIC, debitul binar reducându-se de la 64 kbit/sec la 48 kbit/sec în acelea i condi ii de calitate ale semnalului vocal. Sc derea este mai accentuatîn cazul modulatoarelor MIC adaptive, unde debite în jur de 20 kbit/sec men incalitatea transmisiei în baremele standardelor MIC. Acest câ tig de bandspectaculos (48 kbit/sec) vine îns în detrimentul transmisiilor de date în banda vocal care sunt puternic distorsionate dac dep esc debitul de 2400 Baud. Apari ia buclei de reac ie în care se produce semnalul estimat restrânge utilizarea unui codor MIC diferen ial la o singur surs de semnal, spre deosebire de codoarele MIC liniare sau cu compandare care pot deservi simultan mai multe canale de comunica ie. În prezent, acest avantaj nu mai prezint interes datoritperfec ion rii i rentabiliz rii tehnicilor LSI i VLSI prin care s-au realizat codec-uri integrate ce pot fi utilizate individual în condi ii tehnico-economice avantajoase.

Modulatoarele delta ( ) reprezint o alt tehnic numeric de codare a semnalului vocal ce apar ine clasei codoarelor de und ([39], [45]). i în acest caz apari ia buclei de reac ie în care se produce semnalul estimat restrânge utilizarea unui codor MIC diferen ial la o singur surs de semnal. Schema de principiu a unui codor delta este prezentat în figura 3.4.12. Semnalul X de intrare este comparat continuu cu amplitudinea estimat Ycare tinde s o egaleze sub controlul unei bucle de reac ie asem n toare

FTJCuantizare

i codare

Decodor

Estimator

semnal analogic vocal

kY

cuvintede cod

E antionare i men inere

Ampl

ific.

D

if.

kX

kD

Predictor

Figura 3.4.11: Codorul MIC diferen ial


sistemelor servo. În urma compara iei, se ob ine o secven binar , care prin e antionare genereaz fluxul de cuvinte de cod de 1 bit. Cuvintele de cod sunt preluate de bucla de reac ie, unde controleaz o surs de curent, care prin integrare produce semnalul estimat Y. Schema estimatorului este folosit i la destina ie, de aceast dat ca decodor. Atunci când panta semnalului de intrare dep e te panta maxim pe care o poate urm ri semnalul estimat, Y, apare fenomenul de dep ire de pant .

Distorsiunea generat de acest fenomen limiteaz debitul modem-urilor în banda vocal (de baz ) care utilizeaz astfel de sisteme la cel mult 2400 baud. Pentru a minimiza dep irea de pant , s-au dezvoltat diverse tehnici demodula ie delta adaptiv în care intensitatea sursei de curent din bucla de reac ie variaz dup anumite considerente (de exemplu secven continu de 1 sau 0). Astfel de tehnici ofer o reproducere satisf c toare a semnalului vocal la un debit binar de 20 kbit/sec.

Vocoderele [47] sunt sistemele de codare numeric a semnalului vocal care opereaz cu cele mai sc zute debite binare (de ordinul kbit/sec). Aceast performan este îndeplinit îns cu pre uri de cost ridicate în condi iile degrad rii fidelit ii în reproducerea semnalului vocal i restrângerii plajei de utilizare doar la un singur gen de surs . Din aceste motive, vocoderele nu sunt folosite decât în aplica ii speciale în care cheltuielile de transmisie (cazul re elelor cu comuta ie de pachete i al celor celulare) sau de stocare a informa iei (echipamentul de înregistrare a mesajelor vocale) pot fi rentabilizate doar prin restrângerea benzii (a debitului binar). Spre deosebire de codoarele de und , vocoderele au ca obiectiv sintetizarea la recep ie a unui semnal care s simuleze semnalul originar. Sintetizarea se realizeaz conform unui model matematic al tractului vocal uman (gâtul, gura, fosele nazale) care presupune c sursa de semnal audio se poate g si în dou st ri producând sau sunete sonore, sau sunete surde, o combina iea acestor dou categorii fiind exclus . Sunetele sonore sunt generate de vibra ia corzilor vocale care controleaz fluxul de aer pompat de pl mâni în cavitatea rezonant a tractului vocal. În func ie de frecven a fundamental a acestor vibra ii (pitch), sunetele sonore se diferen iaz în joase i înalte. Pitch-ul este dependent de vorbitor variind în plaja 20050 Hz la b rba i i 400100 Hz la femei i copii. Sunetele surde corespund fluxurilor turbulente de aer ce trec prin tractul vocal.

Comparator Registru 1 bit

Y

X

Impuls e antionare

Estimator

+1

-1

Cuvinte de cod

Figura 3.4.12: Codorul delta


Pe baza acestui model, analizorul are ca sarcini estimarea pitch-ului, a densit ii spectrale de putere i detectarea tranzi iilor între secven ele sonore isurde ale semnalului audio. Aceste m rimi codate binar sunt transmise sintetizatorului care reproduce aproximativ semnalul originar. Adoptând metode diferite de desf urare a proceselor de analiz isintez , s-au proiectat i pus în aplica ie diverse scheme de vocodere, una dintre acestea fiind prezentat în figura 3.4.13. Analizorul cuprinde o baterie de filtre trece band (în general, în num rde 16) urmate de detectoare cu caracteristic p tratic i circuite de integrare (FTJ cu frecven a de t iere de 20 Hz) ale c ror semnale de ie ire, e antionate periodic ( 20 msec) i convertite numeric, reprezint estimatorul densit ii spectrale de putere a semnalului de la intrarea audio. Pe lâng acesta, analizorul mai dispune de un circuit care determin pitch-ul i starea sursei (de generare sunete sonore sau surde). Toate aceste informa ii sunt codate numeric, multiplexate i apoi transmise sintetizatorului. Fluxul binar primit de sintetizator este demultiplexat distribuindu-se: pitch-ul generatorului de impulsuri, starea sursei comutatorului ce selecteaz generatorul care va alimenta filtrele i componentele estimatorului de densitate spectral de putere modulatoarelor ce controleaz nivelurile de ie ire ale filtrelor. În acest mod, semnalul audio de ie ire se ob ine prin sumarea ponderat a r spunsurilor FTB, fie la o secven de impulsuri, în cazul perioadelor sonore, fie la un semnal aleator (zgomot), în cazul perioadelor surde. Realiz rile practice de vocodere ofer un grad suficient de inteligibilitate la debite binare de 8,44,2 kbit/sec. Toate aceste performan e sunt ob inute însdegradând sesizabil naturale ea i capacitatea de recunoa tere a vorbitorului.

pitch DMUX

stare surs

Ie ire audio

modulator

transmisie digital

(b)

Generator zgomot

D/A

(a)

A/DFTJDetector

cu caracteristicp tratic

FTB canal 1

MUX

Estimator pitch i detector stare surs

Intrare audio

FTB canal 1

transmisie digital

FTB canal n

D/A

A/DFTJDetector

cu caracteristicp tratic

FTB canal n

Generator de impulsuri

Figura 3.4.13: Schema de principiu a unui vocoder: (a) analizorul, (b) sintetizatorul


3.5 Multiplexarea

Multiplexarea reprezint procedeul tehnic prin care mai multe fluxuri informa ionale, provenite din surse diferite i cu destina ii diverse, sunt transmise prin acela i mediu de transmisiune. Aceast func ie este folosit în zona transport (Transport Area) a re elelor de comunica ii, acolo unde sunt instalate medii de transmisiuni de capacitate mare, de la zeci de MHz pân la sute de GHz, iar traficul are un nivel de agregare ridicat, ceea ce face ca fluctua iile lui în jurul valorii medii s fie reduse.

Multiplexarea se poate realiza în spa iu (space division), în frecven(frequency division) i în timp (time division), diverse combina ii ale acestor tehnici întâlnindu-se în practic .

1. Multiplexarea în spa iu const în utilizarea aceleia i benzi de frecven epentru transmisiuni simultane. Ea se întâlne te, în cazul utiliz rii cablurilor de telecomunica ii, alc tuite din mai multe medii de transmisiune, în cazul re elelorde radiodifuziune sau în cazul re elelor celulare, principiul fundamental fiind reutilizarea frecven elor (aceea i frecven este alocat , de exemplu, la mai multe posturi de radio FM, aflate la suficient distan pentru a nu se perturba reciproc).

2. Multiplexarea în frecven se realizeaz adoptând principiul transmisiunii prin modularea unui purt tor ceea ce permite înl n uirea, pe axa frecven ei, a spectrelor mai multor semnale, fiind folosit cu prec dere în cazul leg turilor prin radioreleu sau prin fibr optic , în ultimul caz purtând denumirea de multiplexare în lungime de und . Sugestiv, principiul de func ionare a multiplex rii în frecven este prezentat în figura 3.5.1, în care s-a considerat ctranslatarea spectrelor se face folosind modula ia în amplitudine cu bandlateral unic , prescurtat în limba român BLU i în limba englez AM-SSB (Amplitude Modulation Single Side Band). Desigur, aceasta nu este singura solu ie, în practic existând o multitudine de metode de multiplexare în frecven ,derivate din tipul de modula ie utilizat.

3. Multiplexarea în timp se folose te cu prec dere în cazul sistemelor de transmisiuni digitale, i se împarte în: multiplexarea în timp determinist , pe scurt

f

Flux agregat

Flux 1 individual

Flux 2 individual

Flux 3 individual

f

f

f

Figura 3.5.1: Principiul multiplex rii în frecven


multiplexarea în timp (din motive tradi ionale), i multiplexarea în timp statistic ,pe scurt, multiplexarea statistic . Exemplificarea principiilor care stau la baza celor dou tipuri de multiplexare se face în figura 3.5.2.

Multiplexarea în timp const în parti ionarea fluxurilor individuale în blocuri informa ionale (de exemplu, octe i), care la emisie sunt transmise cvasi-simultan, prin între esere, mereu în aceea i ordine, astfel încât la destina ie spoat fi separate inând cont de pozi ia lor în secven a recep ionat , în vederea refacerii fluxurilor originare.

Multiplexarea statistic este utilizat în cazul re elelor de dare unde, a a cum s-a precizat în capitolul introductiv, informa ia este parti ionat în blocuri informa ionale (denumite pachete, celule sau cadre), ce sunt livrate la destina ie pe principiul înmagazin rii i înaint rii (store and forward). Prin urmare, folosirea pentru înmagazinare, a cozilor de a teptare (queues) în interfe ele de ie ire ale nodurilor re elei permite memorarea temporar a blocurilor informa ionale recep ionate i preluate din liniile de intrare, în spe , tot cozi, în vederea transmiterii lor succesive, conform unei anumite discipline de

t

Flux

uri i

ndiv

idua

le

Flux agregat

interval temporal

a) multiplexarea în timp, determinist

t1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

1

2

3

t

t

b) multiplexarea în timp, statistic

t

Flux

uri i

ndiv

idua

le

Flux agregat

t

t

t

Figura 3.5.2: Principiul multiplex rii semnalelor în timp


servire, ca FIFO (First In First Out), P (Priority) etc. În acest fel, blocurile informa ionale ajung la urm toarea interfa de intrare într-o manier care nu permite identificarea lor explicit , ca în cazul multiplex rii deterministe, solu ia fiind aici stabilirea fluxului de care apar in pe baza unei informa ii suplimentare (adresa destina iei sau circuitul virtual) ce este ata at con inutului util i special destinat acestui scop. Din categoria sistemelor de transmisiuni care utilizeaz multiplexarea în timp fac parte sistemele PCM, organizate în a a denumita ierarhie digitalplesiocron PHD (Plesiochronous Digital Hierarchy), i sistemele STM(Synchronous Transport Module) apar inând ierarhiei digitale sincrone SDH(Synchronous Digital Hierarchy), în varianta european , sau SONET(Synchronous Optical Network), în varianta nord american . Din cealaltcategorie, a multiplex rii statistice, fac parte leg turile (link) dintre ruterele IP ale re elelor cu comuta ie de pachete sau dintre comutatoarele ATM (AsynchronousTransfer Mode) sau FR (Frame Relay) ale re elelor cu comuta ie de circuite virtuale. Tuturor acestor sisteme le sunt dedicate rândurile ce urmeaz , la care se adaug i conceptul de multiplexare invers , prin care un flux numeric este despicat în mai multe componente ce utilizeaz c (canale) distincte de transmisiune.

3.5.1 Ierarhia digital plesiocron Ierarhiile numerice plesiocrone, standardizate pe plan interna ional cuprind mai multe niveluri, ob inute prin multiplexarea unui num r stabilit de fluxuri numerice cu debite de baz de 64 kbit/sec. Astfel, prin Recomandarea G.705, ITU-T stabile te pentru Europa urm toarele 4 niveluri:

E0: 64 kbit/sec ( 88000 bit/sec) – nivel de baz , E1: 2,048 kbit/sec ( 6432 kbit/sec) – multiplex de ordin 1 (multiplex

primar), E2: 8,448 kbit/sec ( E14 ) – multiplex de ordin 2 (multiplex secundar), E3: 34,368 kbit/sec ( E24 ) – multiplex de ordin 3 (multiplex ter iar), E4: 139,264 kbit/sec ( E34 ) – multiplex de ordin 4 (multiplex quaternar).

Aceste niveluri se ob in cu ajutorul schemei de multiplexare prezentat în figura 3.5.3. Conform acesteia, cadrele de pe un nivel, n , con in patru cadre simultane din nivelul inferior 1n . Surplusul de debit eviden iat de valorile

E31

E4

E2E1

1

4

1

16

Figura 3.5.3: Ierarhii numerice plesiocrone europene


prezentate mai sus (de exemplu, 448,8048,24 ) este destinat informa iilor de sincronizarea de la nivelul respectiv. Prezen a acestei informa ii este necesar ipentru a compensa caracterul plesiocron al fluxurilor multiplexate, dar constituie un dezavantaj atât pentru eficien a transmisiei (debitul util raportat la debitul total), cât mai ales pentru extragerea unui nivel inferior dintr-unul superior, situa ie în care este necesar o demultiplexare total pân la nivelul dorit. De i structura cadrului MIC 32 a mai fost prezentat anterior, pentru a u ura parcurgerea sec iunii de fa , se reiau pe scurt principalele probleme legate de modul de organizare a multiplexului primar MIC de 2,048 Mbit/sec (figura 3.5.4). Cadrul MIC 32 este alc tuit din 32 de canale (c i temporale), din care doar 30 sunt dedicate comunica iilor, iar celelalte dou canale sunt dedicate altor scopuri: canalul nr.0 este destinat sincroniz rii de cadru (el con ine o structurfix de 8 bi i care nu se mai reg se te în nici o alt cale temporar a cadrului), iar canalul nr.16 este alocat semnaliz rilor asociate c ilor de comunica ie. Pentru a multiplexa în timp 30 de c i diferite de semnalizare R2, cadrele primare se grupeaz câte 16, formând astfel un multicadru. În aceast structur , primul cadru (nr. 0) con ine în canalul s u nr.16 o secven fix de elemente binare, folosit pentru sincronizarea de multicadru, iar urm toarele 15 cadre pun la dispozi ie unei perechi de c i de semnalizare (de exemplu nr.2 i nr.18) câte

42 bi i. Semnifica ia bi ilor identifica i prin litere în figura 3.5.4 este urm toarea: X = bit redundant folosit în controlul erorilor la nivel de cadru; Y = bit redundant folosit în controlul erorilor din secven a de sincronizare

multicadru; R = bi i rezerva i pentru utiliz ri particulare (na ionale); A = bit de alarm ; semnaleaz ie irea din sincronism a cadrului sau a

multicadrului recep ionat.

0 k 15

Multicadru (2 msec)

0 0 0 AR R R00 0 1 0 1 1 1 X

Cadru impar

1 A R R R R R Y

Cadru par

Cadru primar (0,125 msec)

1 15 16 17 310

Cadrul nr. 0Cuvânt MIC – 8 bi i

Calea j Calea j +16

Cadrul nr. jCanale de semnalizare

asociate canalelor de comunica ie

Cale temporal

Figura 3.5.4: Organizarea cadrului primar MIC de 2,048 Mbit/sec


Tema 3.5.1 S se determine: a) care este debitul binar al unei c i asociate de semnalizare într-un multiplex primar MIC de 2,048 Mbit/sec; b) care este durata unui cadru într-un multiplex de ordin 4.

* * * În cazul sistemelor ISDN, cadrul MIC primar este denumit i acces primar 30B+D (30 c i de comunica ie i o cale de semnaliz ri), fiind una din formele acceptate de acces al abona ilor la orice re ea i la orice tip de serviciu furnizat de re eaua numeric cu servicii integrate.

3.5.2 Ierarhia digital sincron Ierarhiile numerice sincrone sunt destinate re elelor sincrone de bandlarg care utilizeaz ca mediu de propagare fibrele optice sau microundele. Pentru standardizarea lor, ITU-T a adoptat o serie de recomand ri (G707, G708, G709). Nivelurile ierarhice stabilite de aceste recomand ri se noteaz cu STM-N,( ,2,1N ) i se numesc module de transport sincron de ordinul N(Synchronous Transport Module ).

Din punct de vedere al fluxului binar, un modul de transport sincron constituie tot un cadru de 125 sec, dar cu o structur i o utilizare complet diferit de cea întâlnit în ierarhiile numerice plesiocrone. Astfel, un modul de baz , STM-1, cuprinde 9270 octe i i este organizat ca în figura 3.5.5, con inând:- 9 rânduri de câte 261 octe i sunt destinate multiplex rii în timp a diverse

fluxuri informa ionale ce alc tuiesc sarcina util /taxabil (payload),- un rând de 9 octe i AU-PTR (Administrative Unit Pointer) pentru informa ia

de adres necesar localiz rii containerului asociat de nivel 4, VC-4, din interiorul sarcinii utile (figura 3.5.6), - 8 rânduri de câte 9 octe i SOH (Section OverHead), pentru informa iile

necesare opera iilor din re ea i gestion rii re elei de transmisiuni, TMN(Transmission Management Network). Trebuie precizat c to i ace ti octe i sunt în realitate înseria i, dar, din motive didactice, în figura 3.5.5 ei au fost dispu i pe rânduri i coloane pentru a oferi o reprezentare intuitiv a modulului STM-1.

Sarcin util

SOH

AU-PTR

SOH

9 octe i 261 octe i

3

5

1

Figura 3.5.5: Structura cadrului STM-1: SOH (Section OverHead),AU-PTR (Administrative Unit – Pointer)


Pentru a transporta diverse fluxuri informa ionale, care se diferen iaz prin debitul binar, un modul STM-1 con ine câteva tipuri de containere, C. Astfel, conform recomand rilor G-702 ITU-T, s-au definit: - containere de nivel (ordin) 1 pentru 2 Mbit/sec (34 octe i/modul),- containere de nivel 2 pentru 6 Mbit/sec ( 912 octe i/ modul), - containere de nivel 3 pentru 34 45 Mbit/sec ( 984 octe i/ modul), - containere de nivel 4 pentru 140 Mbit/sec ( 9240 octe i/ modul).

La aceste containere se ata eaz o informa ie de cale, POH(Path OverHead), ob inându-se un container virtual, VC, i un pointer, PTR;rezult la nivelele 1, 2 i 3 o unitate de flux, TU (Tributary Unit), iar la nivelul 4 rezult o unitate administrativ , AU (figura 3.5.7).

SOH

AU-PTR SOH

SOH

SOH

VC-4

Playoad

AU-PTR

Figura 3.5.6: Desf urarea i localizarea unui container VC-4 în succesiunea de module STM-1

TU-1

PTR

C-2

PTR

VC-2

TU-2

C-3

POH

PTR

VC-3

TU-3

C-4

PTR

VC-4

AU-4

TUG-2 TUG-3

POH

S0H

STM-1

POH

C-1

VC-1

POH

2 Mbit/sec

3

6 Mbit/sec 140 Mbit/sec 34-45 Mbit/sec

7

3

Figura 3.5.7: Organigrama de asamblare a unui STM-1: C - Container, VC - Virtual Container, TU - Tributary Unit, TUG - Tributary Unit Group,

PTR - Pointer, POH - Path Overhead, AU - Administrative Unit, SOH - Section Overhead, STM - Synchronous Transport Module.


Pointer-ul este necesar pentru a localiza blocul de octe i corespunz tori fluxului deservit, în VC, bloc care ocup complet sau incomplet containerul C. Mai multe unit i de fluxuri de nivel i, cu i = 1, 2 sau 3, pot alc tui un grup de unit i de fluxuri de nivel 1i , 1-TUG i . Asamblarea unui cadru STM-1 urmeaz organigrama din figura 3.5.7. Conform acestei scheme, un VC-4 poate con ine un C-4 înso it de POH corespunz tor sau trei TUG-3. La rândul s u, un TUG-3 poate cuprinde un TU-3 sau apte TUG-2, iar un TUG-2 poate include un TU-2 sau trei TU-1. Specificarea variantei utilizate la un anumit nivel se înscrie în PTR-ul corespunz tor.

Tema 3.5.2 Preciza i care este num rul maxim de fluxuri de tip E1 care pot fi deservite de un sistem STM-1.

* * * Tema 3.5.3 Descrie i modul de alc tuire al unui modul STM-1 care deserve te numai fluxuri MIC primare. Stabili i care este num rul maxim de astfel de fluxuri pe care le poate deservi un STM-1. Rezolvare: figura 3.5.8 prezint algoritmul dup care un modul STM-1 este înc rcat numai cu fluxuri MIC primare. Ini ial fluxurile sunt înc rcate periodic în containere de nivel 1 (C-1), care au o capacitate de 34 de octe i. Octe ii de rezerv , R, sunt destina i compens rii alunec rilor dintre fluxurile de intrare, dacacestea ar fi plesiocrone. La un container C-1 se ata eaz informa ia de rutare POH, ob inându-se un container virtual de nivel 1, VC-1. Prin ad ugarea unui pointer, PTR, la un VC-1 se ob ine o unitate de flux de nivelul 1, TU-1, cu debit util de 2,224 Mbit/sec. Pointer-ii localizeaz în interiorul acestor unit i începutul informa iei utile (în cazul fluxurilor plesiocrone) sau începutul de cadru (în cazul fluxurilor sincrone). Prin multiplexarea octet cu octet a câte 3 TU-1, se ob in grupuri de unit ide fluxuri de nivelul 2, TUG-2, cu debite utile de 6.832 Mbit/sec. Între eserea octe ilor este necesar pentru a imprima perturba iilor, în general corelate, un caracter cât mai independent. Un TUG-2 poate con ine i o singur unitate de flux cu debitul de 6 Mbit/sec. Saltul la urm torul nivel (ordin) de multiplexare se face prin cuprinderea a 7 TUG-2 într-un câmp de unit i de fluxuri de ordinul 3, TUG-3, cu debit util de 48.384 Mbit/sec. Cele 7 TUG-2 sunt înso ite de 18 octe i: 3 octe i pentru indicatorul de pointer nul, NPI, care semnaleaz dac TUG-3 con ine unit i de fluxuri de ordin inferior sau o unitate de flux de acela i ordin i 15 octe i pentru umplerea complet a structurii canonice de 986 octe i a unui TUG-3. Ultimul nivel este atins prin introducerea (prin multiplexare octet cu octet) a trei TUG-3 într-un container C-4 ajungându-se la un debit util de 149.760 Mbit/sec (desigur sarcina util poate fi constituit i de o unic unitate de flux cu debitul de 140 Mbit/sec). Pe lâng cele trei TUG-3, se mai adaug informa ia de cale (POH) i 18 octe i de umplere (bourrage), realizându-se astfel un container virtual VC-4, de ordinul 4.


Pentru ob inerea unui cadru STM-1 complet se adaug pointer-ul pe 9 octe i (rezultând o unitate administrativ AU-4) i blocul SOH.

* * *

POH

PTR

E1

123

R 12 3 4 56 7 8 9

9 30 31 32 R

1 2

C-1

3

VC-1TU-1

TUG-2

12112

91

1234

1

1

562123

9

NPI

1 3

BB

3

562123

9

NPI

1 3

BB

121

7

TUG-3

9 10 11 12 270

SOH

SOH

PTR

9

POH

VC4

B B

C4 VC4

STM-1

NIVEL Debit

2 Mb/s

6 Mb/s

34 - 45 Mb/s

140 Mb/s

1

2

3

4

E1 E1

Figura 3.5.8: Modul STM-1 ob inut prin multiplexarea unor fluxuri MIC plesiocrone: R- octet pentru compensarea alunec rilor, B – octet de umplere (bourrage)


Prin multiplexarea cu intercalare a N module STM-1 se ob in nivelurile superioare de transport STM-N. Debitele binare ce caracterizeaz aceste niveluri sunt prezentate în tabelul 3.5.1.

Tabelul 3.5.1: Debitele binare ale nivelurilor STM-N

Nivelul Debit binar (kbit/sec) STM - 1 155.520 STM - 4 622.080 STM - 16 2.488.320 STM - 64 9.953.280

Din punctul de vedere al eficien ei transmisiei, pentru transmiterea aceleia i sarcini utile, ierarhia numeric sincron necesit un debit cu aproximativ 10% mai mare decât cea plesiocron . Acest dezavantaj este îns compensat printr-o mai bun exploatare i gestiune a re elei de telecomunica ii (blocul SOH) i prin simplificarea proceselor de multiplexare/demultiplexare, inserare i

extragere a unei unit i de flux (direct în/din structura unui modul de orice nivel).

3.5.3 Multiplexarea statistic Multiplexarea statistic este proprie re elelor cu comuta ie de pachete (datagrame/infograme) în care transportul informa iei se realizeaz prin parti ionarea sa în blocuri de informa ie care sunt transferate, rând pe rând, în re ea, unde se întâlnesc cu blocurile apar inând altor fluxuri informa ionale, pe principiul înmagazin rii i înaint rii. Acest principiu imprim transferului caracteristici de performan , aparte, neîntâlnite în cazul comuta iei de circuite, în spe : întârzierea variabil i pierderea de informa ie, pentru a c ror evaluare analitic , teoria probabilit ii i teoria a tept rii, pun la dispozi ie un instrumetar de lucru bogat, materializat în dou categorii de modele probabilistice, cu sau f r acumulare de sarcin .

3.5.3.1 Modelul f r acumulare de sarcin O surs numeric de trafic poate genera flux informa ional cu debit constant, FBR, (Fixed Bit Rate) sau cu debit variabil, VBR (Variable Bit Rate).Aceast caracteristic depinde atât de tehnica de codare folosit (MIC, ,predictiv cu compresie etc.) cât i de modul în care sursa opereaz (cu activitate continu , cu activitate discontinu , ON/OFF etc.). Astfel de fluxuri, generate de mai multe surse de trafic, sunt în general transmise concomitent printr-un mediu unic de comunica ie, ceea ce impune multiplexarea lor în timp într-o manier determinist sau statistic . În cazul multiplex rii statistice, între eserea pe canalul de comunica ie a unit ilor de informa ie, ce provin de la mai multe fluxuri, nu se mai face în mod regulat, ci se desf oar într-un mod aleatoriu, func ie în principiu de ordinea în care acestea sunt primite de sistemul de transmisiuni. În consecin , în aceastvariant de multiplexare, acceptarea i transferarea fluxurilor printr-un mediu de comunicare se face inând cont de parametrii statistici (func ia de reparti ie,media, varian a etc.), care sunt caracteristici debitelor emise de sursele în cauz .


Figura 3.5.9 prezint într-un mod intuitiv maniera de operare a multiplex rii statistice f r acumulare de sarcin , comparativ cu multiplexarea determinist . Ariile ha urate din cele dou reprezent ri marcheaz debitele de pân la 4 u.d. (unit i de debit) generate de fiecare din sursele 1X , 2X i 3X .Debitul maxim de ie ire (capacitatea) s-a fixat la 9 u.d. pentru multiplexorul determinist, câte 3 u.d. pentru fiecare flux i la 6 u.d. pentru cel statistic. Comparând debitele instantanee pe ie irile celor dou multiplexoare se remarcfaptul c varianta statistic utilizeaz mult mai eficient capacitatea de transmisie, zona neha urat (debit neutilizat) fiind mult restrâns în acest caz fa de analoga ei reprezentat pe ie irea multiplexorului determinist.

Trebuie îns precizat c este posibil ob inerea unui câ tig de band ,doar dac debitele surselor nu sunt corelate. În caz contrar, debitele de vârf se suprapun, iar capacit ile necesare de transmisie trebuie s fie suma acestora.

Tema 3.5.4 Fie un sistem destinat transmisiei printr-un singur canal a fluxurilor numerice provenite de la mai multe surse de trafic. S se determine economia de band ce se ob ine dac sistemul folose te multiplexarea statistic în locul celei deterministe, considerând c :

- num r de surse este 100n ;- debitele surselor sunt variabile aleatorii independente, identic distribuite

dup o lege normal (Gauss) de medie m i devia ie standard ;- se accept o probabilitate de dep ire a capacit ii 1010p ;- sistemul nu are posibilit i de stocare a cererii în exces.

Caz particular: 5m Mbit/sec i 1Mbit/sec. Rezolvare: Fie nXXX ,,, 21 variabile aleatorii independente i suma lor

nn XXXS 21 . Se tie c func ia caracteristic a unei variabile aleatorii, X , este definit prin:

Debit neutilizat

MUX determinist

Debit pierdut

1u.d.

X1

X2

X3

Debit neutilizat

MUX statistic

Debit pierdut X1

X2

X3

Figura 3.5.9: Tehnici de multiplexare


( ) e ( ) e dj X j XX Xf x x

putând fi interpretat ca medie a unei func ii de variabil aleatorie, e j X , sau ca transformat Fourier (cu semn schimbat la exponent). Rela ia de leg tur între func ia caracteristic a unei sume de variabile aleatorii independente, nS , ifunc iile caracteristice ale variabilelor aleatorii individuale este (vezi [28]):

1 2 1 2

1 2

1 2

( ) e e e e e

e e e ( ) ( ) ( )

nn n

n

n

n

j X X Xj S j X j X j XS

j X j X j XX X X

În cazul variabilelor aleatorii specificate anterior, caracterizate prin func ia densitate de probabilitate:

2

21 ( )( ) exp

22Xx mf x

avem: 2

exp)(22kk

Xmj

k, cu nk ,1 ,

i: 2

exp)(22nmnj

nS .

Rezult deci c variabila aleatoare nS urmeaz tot o distribu ie Gauss,

având media mnm i varian a 22 n .

În cazul distribu iei normale, pierderile pot fi calculate cu ajutorul func iei( ) PrQ y Y y , numit "coada" distribu iei, a c rei valoare este dat de aria

ha urat din figura 3.5.10. Curba trasat în figur , la modul calitativ, reprezintfunc ia densitate de probabilitate a unei variabile aleatoare Y ce urmeaz o distribu ie Gauss, de medie nul i varian egal cu 1. Valorile func iei )(yQsunt tabelate (vezi Anexa D) i pot fi folosite pentru orice distribu ie Gauss )(xfX ,de medie m i varian arbitrare, f când schimbarea de variabil :

)( mxy . Astfel, debitul maxim acceptat de la o surs individual se ob ine,

)(yQ

)(ufY

0 uy

Figura 3.5.10: Densitatea de probabilitate a unei variabile aleatorie de tip Gauss


în condi iile impuse de pierderi, din ecua ia:1010)( pmxQ

Rezolvarea acestei ecua ii se poate face prin calcul numeric sau prin consultarea unor tabele special întocmite (vezi Anexa D), ob inându-se rezultatul:

36,6)( mx , sau, altfel spus: mx . În mod asem n tor, se ob ine i debitul maxim acceptat de la toate sursele, plecând de la rela ia: 1010)( pmxQi folosind acelea i tabele: 36,6)( mx , adic : mx .

În condi iile de pierderi impuse, banda necesar transmiterii fluxurilor provenite de la cele n surse este:

- pentru multiplexare determinist : )(mnxnBd

- pentru multiplexare statistic : nmnxBsceea ce înseamn c economia este:

( ) 636 63,6 1 572,4 Mbit/secd sB B n n ,

valoare care eviden iaz avantajul oferit de multiplexarea statistic .* * *

Metoda folosit în aplica ia anterioar poate fi utilizat i în cazul în care debitele surselor individuale urmeaz alte distribu ii dac num rul acestora dep e te valoarea 20, valoare pentru care, conform teoremei limit central(vezi [28]), suma unor variabile aleatorii independente tinde c tre o distribu ienormal . Pre ul cu care se pl te te economia ob inut în aplica ia precedentconst în cre terea complexit ii sistemului de multiplexare. Deosebirea dintre fluxurile ce provin de la surse diferite nu se mai face func ie de canalul temporal ocupat (cazul multiplex rii deterministe), ci pe baza unor informa ii suplimentare, pozi ionate în antetul (header) fiec rei unit i informa ionale (pachet sau celul ). Celula reprezint un bloc informa ional specific modului de transfer asincron, ATM (Asynchronous Transfer Mode), având o lungime fix , de 53 octe i.

3.5.3.2 Modelul cu acumulare de sarcin Cre terea performan ei sistemelor de transmisiuni prin multiplexarea statistic a debitelor mai multor surse, simultan cu ob inerea unui supliment de economie de band , poate fi ob inut dac sistemele descrise anterior au posibilitatea de a acumula temporar suprasarcina generat de c tre debitul total de intrare, prin dep irea capacit ii canalului de transmisie, suprasarcin ce poate fi desc rcat în perioadele în care debitul total este sub capacitatea sistemului. Figura 3.5.11 prezint intuitiv principiul de func ionare a unui astfel de sistem, care din punct de vedere statistic, lucreaz în regim stabil dac pe intervale mari de timp suma ariilor notate cu "+" este mai mic decât suma celor notate cu "–". În caz contrar, suprasarcina acumulat are tendin a s creascnelimitat. Nivelarea debitului la ie irea din multiplexorul statistic satisface cerin eleadministratorilor, dar poate altera calitatea serviciilor oferite. Aceasta se


datoreaz faptului c nivelarea este un rezultat al deform rii debitului total de intrare în multiplexor i, deci, a tuturor debitelor componente ale acestuia.

Pentru fiecare flux individual ce parcurge un astfel de sistem, deformarea debitului se traduce în întârzieri variabile în timp, care pot fi critice în cazul unor anumite tipuri de servicii (video, audio). Men inerea acestor întârzieri în plaje de valori acceptabile de c tre utilizator se realizeaz stabilind o anumit capacitate de transmisie i/sau limitând acumularea de suprasarcin . Impunerea unei valori maxime pentru suprasarcin conduce la limitarea timpilor de desc rcare a acesteia, dar introduce i pierderi de debit (deseori de preferat în locul întârzierilor peste un anumit prag). În vederea stabilirii unei solu ii optime, care, func ie de aplica ie, ssatisfac atât cerin ele administratorilor cât i ale utilizatorilor, este necesar o activitate de analiz bazat deopotriv pe programe de simulare i pe modele matematice. Atunci când debitul de intrare în multiplexorul statistic se poate aproxima cu un proces Poisson, de sosiri de celule de dimensiune constant ,analiza teoretic folose te modelul M/D/1, care este un caz particular al modelului M/G/1, în care servirea urmeaz o lege general , G.

Modelul M/G/1 este un sistem cu a teptare la care sosirile urmeaz un proces Poisson, iar timpii de servire 1 2, ,... sunt variabile aleatoare independente i identic distribuite dup o lege specificat printr-o anumitdensitate de probabilitate, )(xf . În acest context, mijloacele analitice care permit stabilirea rela iilor de calcul al distribu iilor ce caracterizeaz m rimile de interes (indicatorii de performan ) sunt ecua iile Pollaczek-Khinchin de transformare:

)(zGN , func ia generatoare a probabilit ilor num rului de clien iprezen i în sistem :

0

(1 ) ( 1) (1 )ˆ( ) Pr ( )

(1 )ˆk

Nk

z zG z N t k z

z z (3.5.1)

t

Suprasarcina acumulat

C

C

Debitul la ie irea din multiplexor

t

t

Debitul la intrarea în multiplexor

-+ +

- -+ +

Figura 3.5.11: Principiul acumul rii de suprasarcin


)(ˆ sT , transformata Laplace a func iei densitate de probabilitate a timpului petrecut de un client în sistem :

)(ˆ)(ˆ)1()(ˆ

sssssT (3.5.2)

)(ˆ sW , transformata Laplace a func iei densitate de probabilitate a timpului de a teptare în sistem:

)(ˆ)1()(ˆ

ssssW (3.5.3)

în care: este variabila aleatorie ce reprezint timpul de servire, )(ˆ s este transformata Laplace a timpului de servire i

E)(ˆ0

's

s este traficul oferit. (3.5.4)

Prin procedee analitice sau numerice, se aplic transformata inversasupra acestor rela ii i se ob in distribu iile c utate: Pr ( )N t k , )(xfT i )(xfw .

Tema 3.5.5 Folosi i ecua iile Pollaczek-Khinchin pentru a determina distribu iilem rimilor:

i) )(tN , num r de clien i în sistem, ii) T, timpul petrecut în sistem iiii) W, timpul de a teptare care caracterizeaz modelul M/M/1.

Rezolvare: Corespunz tor modelului M/M/1, timpul de servire, ,urmeaz o distribu ie exponen ial , ttf e)( , a c rei transformat Laplace

este : ( )

0 0

( ) e ( )d e dˆ s t s ts f t t ts

i deci:

i)z

zz

zz

zGN 11

)1(

)1()1)(1(

)( unde .

Dezvoltând )(zGN în serie de puteri rezult urm toarea expresie de calcul a probabilit ilor de stare:

Pr ( ) (1 ) kN t k , ,2,1,0kexpresie care este identic cu cea ob inut în cadrul analizei modelului M/M/1.

ii))(

)1())((

)1(ˆsss

ssT

Cunoscând c )(1 xusL

, unde )(xu este func ia treapt unitate, i aplicând

proprietatea translat rii în spa iul s, )(e)( 00 ssAxa

Lxs , se ob ine:

xT xf )1(e)1()( , 0x .


iii) ss

sss

ssW 1)1()1()(

)1()(

Cunoscând c 1)(L

x , unde )(x este impulsul Dirac (delta), se ob ine:x

W xxf )1(e)1()()1()( , 0x .Conform acestei expresii, variabila aleatorie W este mixt , luând: - valoarea 0 cu probabilitate 1 ,- restul valorilor dup o func ie de densitate de probabilitate (al doilea

termen din expresie). * * *

inând cont de propriet ile transformatei Laplace (vezi [28]), media timpului de a teptare corespunz toare modelului M/G/1 este dat de rela ia:

0

ˆd ( )E ( 1)ds

s

W sW

care conduce, prin calcule care implic i regula lui l'Hospital, la expresia: 2 2 E (1 )

E E2(1 ) 2(1 )

CW

în care STD

EC este coeficientul de varia ie (factorul de iregularitate) a

timpului de servire. Cu ajutorul m rimii WE se poate determina întârzierea medie introdus de sistem:

E E ET W

i cunoscând TE se poate stabili num rul mediu de clien i în sistem, i anume:

TN EETema 3.5.6 Fie un multiplexor statistic de celule ATM care provin de la trei categorii de surse. S se determine performan a sistemului tiind c :- sursele din cele trei categorii genereaz celule dup o distribu ie Poisson

de medie: celule/sec801 , celule/sec4002 i celule/sec500.23 ;- num rul surselor active din fiecare categorie este:

1251n , 502n i 203n ;- durata de servire a unei celule este constant i are valoarea sec10 .

Rezolvare: Cu datele precizate se calculeaz :

- rata total de intrare în sistem: 4332211 108nnn celule/sec;

- gradul de utilizare a canalului de transmisiuni: 8,0E ;


- coeficientul de varia ie a timpului de servire: 2 2VAR E 0C ;i de aici rezult urm toarele valori pentru indicatorii de performan :

sec20)1(2

E W ; sec30)1(2

2E T ;

4,2)1(2

2E N celule.

3.5.4 Multiplexarea invers Multiplexarea invers (inversat , în sens invers) este procedeul prin care unui anumit flux, v zut ca un întreg, i se pun la dispozi ie mai multe c i distincte de comunica ie, în vederea transferului. Astfel, de partea transmi torului are loc o despicare (demultiplexare) a fluxului în mai multe componente, fiecare repartizat spre emisie unei c i anumite, iar la recep ie se realizeaz o recombinare (multiplexare) a acestora pentru refacerea fluxului ini ial. Un exemplu de aplicare a multiplex rii inverse se g se te în cazul sistemelor de transmisiune digital , în care capacitatea este împ r it în "tran e", de genul multiplex de ordin 2, E2, iar utilizatorul, cu un flux de ordinul a 2-3 multiplexe primare, prefer s închirieze 2-3 E1-uri, în total mai ieftine decât un E2. Un alt exemplu, este cel al transmisiunilor multitonale, cu un reprezentant de seam în lumea telecomunica iilor: tehnologia ADSL.

Linia digital asimetric de abonat ADSL (Asymmetric DigitalSubscriber Line) reprezint un sistem de transmisiune trece band digital , care folose te drept mediu de transmisie o pereche torsadat de fire, în condi iile ob inerii debitului binar corespunz tor maxim posibil. în acest scop, tehnologia ADSL folose te, a a cum s-a precizat anterior, transmisia multitonal DMT(Discrete MultiTone) care const într-un num r de 256 benzi al turate, ca în figura 3.5.12, a câte 4,3125 kHz fiecare, cu purt toare aferente, plasate în centrul acestora. Purt toarele sunt modulate individual, în maniera n-QAM, ajungându-se astfel la un debit pe Hz de 2 pân la 15 bit/sec. Plaja de varia ie a debitului depinde de raportul semnal-zgomot (direct legat de distan a dintre transmi tor ireceptor), fixarea adecvat parametrului n (constela ia de lucru) efectuându-se în faza de ini iere a leg turii.

1130 [kHz]

POTS

1 26 27 256

0 4 26 138

upstream downstream

4,3125 [kHz]

Figura 3.5.12: Organizarea spectrului ADSL


Destinat zonei de acces, în principal reziden ial , în care "consumul" predomin în schimbul de informa ie, linia digital de abonat este i asimetric ,primele 26 de benzi fiind destinate sensului de la utilizator la re ea (upstream), iar restul pentru sensul invers (downstream). În plus, inând cont c ADSL reprezintsolu ia de supravie uire, prin care re elele, ini ial destinate cu prec dere serviciului telefonic, desf oar procesul de convergen c tre "re eaua unic ", în spectrul ADSL se reg se te i banda semnalului telefonic. Separarea semnalului telefonic POTS (Plain Old Telephone Service) se face cu ajutorul unui filtru de linie, iar separarea sensurilor up – down apeleaz la filtre direc ionale (vezi figura 3.5.13).

Un sistem de transmisiune de tip ADSL este format, conform figurii 3.5.13, dintr-un modem ADSL i o termina ie ADSL. Modem-ul este echipamentul din incinta utilizatorului (customer premise), la care acesta î iconecteaz aparatul telefonic analogic i calculatorul. Pentru cel din urm , func iede placa de re ea, modem-ul poate dispune de o interfa ATM sau Ethernet. De cealalt parte a perechii torsadate se afl termina ia ADSL a re elei. Aceasta are rolul de a dirija semnalul telefonic c tre echipamentele destinate leg turilor telefonice, precum i semnalul de date restaurat, c tre un DSLAMmultiplexor de acces ADSL (DSL Access Multiplexor). Multiplexorul de acces deserve te mai multe termina ii ADSL pe care le conecteaz la un comutator ATM sau Ethernet, controlul asupra accesului fiec rui utilizator la re eaua de transport, privind de exemplu debitul sau volumul de trafic, realizându-se de c tre serverul de acces de band larg BAS (Broadband Access Server) ce este legat la comutatorul în cauz .

Tema 3.5.7 Preciza i care sunt debitele maxime, upstream i downstream pe care le poate asigura tehnologia ADSL în condi ii ideale de lucru.

3.6 Accesul multiplu

Accesul multiplu este utilizat, de unde i numele, în zona de acces(Local Area) a re elelor de comunica ii, acolo unde se conecteaz utilizatorii finali i unde, dat fiind nivelul sc zut de agregare a traficului, având în consecin un

Centru de comuta ie

Filtr

u de

lini

eInterfa

Termina ie ADSL

RX

up TX

down

Filtr

u de

lini

e

InterfaModem ADSL

TX

RX down

upLinie 2 fire

Filtru direc ional

Figura 3.5.13: Schema bloc a unui sistem de transmisiune ADSL


caracter sporadic i cu fluctua ii semnificative în jurul mediei, nu se justificdimensionarea capacit ilor la valori de vârf. Prin urmare, în vederea asigur riiunor comunica ii simultane (multiple), în condi iile garant rii unui serviciu corespunz tor, accesul multiplu const într-o multiplexare înso it de un mecanism de rezolvare a cererilor concuren iale de comunicare AC (Admission Control), astfel încât posibilit ile sistemului s nu fie dep ite.

Fiind, în esen , o tehnic de multiplexare la care se adaug , conform celor de mai sus, un control al intr rilor, accesul multiplu se împarte în:

acces multiplu în spa iu SDMA (Space Division Multiple Access) acces multiplu în frecven FDMA (Frecquency Division Multiple Access) acces multiplu în timp TDMA (Time Division Multiple Access), cu dou

variante, determinist i statistic , acces multiplu în cod CDMA (Code Division Multiple Access).

Toate acestea se reg sesc de sine st t toare sau în combina ie, în implement rile curente, dintre care, cele mai reprezentative constituie subiectul sec iunii de fa .

3.6.1 Concentratorul de trafic Concentratorul de trafic [38] se utilizeaz în cazul re elelor de comunica ie care nu aplic , în zona de acces, multiplexarea statistic , precum PSTN, inclusiv N-ISDN, GSM i variante ale CDMA. Rolul s u este de a cre te eficien a utiliz riiresurselor din re eaua de transport, în condi iile unei degrad ri acceptabile din punct de vedere al utilizatorului final, indicatorul avut în vedere fiind probabilitatea respingerii unei cereri de conexiune. Identificarea unei formule de calcul, utile în faza de dimensionare a re eleide acces, privind controlul accesului AC (Access Control), evaluat prin intermediul probabilit ii de respingere, Lp , pleac de la schema abstract a unui concentrator de trafic, prezentat în figura 3.6.1, cu c intr ri i s ie iri, la care se adaug o serie de ipoteze privind procesul de sosire al cererilor i duratele acestora.

Astfel, în cazul în care rata de sosire pe fiecare linie de intrare este egalcu , unde 1 este media timpului distribuit exponen ial cât un client este în afara sistemului, iar duratele conexiunilor pot fi considerate variabile aleatorii independente identic distribuite (i.i.d) dup o lege exponen ial de medie 1 ,

Modelul Engset

Intr ri Ie iri

12

c

12

s

Modelul Erlang

Intr ri Ie iri 12

s

Figura 3.6.1: Schema abstract a concentratorului de trafic


atunci aparatul matematic de lucru este modelul Engset, cu urm toarea formul :1

0

ss i

Bi

c cp

s i cu (3.6.1)

Aceast formul reprezint în fapt limita raportului pe termen lung dintre durata acumulat în care toate ie irile au fost ocupate, BT , i durata de observare, :

BB

Tp lim (3.6.2)

adic probabilitatea de ocupare a tuturor ie irilor, numit i probabilitatea de blocare, Bp , a sistemului. Aceast m rime este egal îns ca valoare, dat fiind c ipotezele verific condi ia PASTA (Poisson Arrivals See Time Average) cu probabilitatea c utat , de respingere, a c rei defini ie este:

lim LL

a

Np

N (3.6.3)

tot un raport pe termen lung, dar dintre num rul de cereri respinse, LN , din totalul aN de cereri formulate pe respectivul interval. Pe lâng modelul Engset, dimensionarea re elei de acces poate apela ila formula Erlang-B, corespunz toare modelului M/M/s/ /s, ceva mai simplu, dar valabil în condi iile c i 0 , astfel încât c . Rela ia de calcul în acest caz este:

not

0( , )

! !

s s j

Bj

a ap B a ss j

cu /a (3.6.4)

Tema 3.6.1 Demonstra i c , în condi iile: c i 0 , astfel încât s se respecte rela ia c , formula probabilit ii de blocare, oferit de modelul Engset, se transform în formula Erlang-B. Interpreta i, din punct de vedere fizic, condi iile impuse.

* * * Tema 3.6.2 Plecând de la formula Erlang-B, verifica i corectitudinea urm toarei rela ii de recuren i justifica i utilitatea sa:

( , 1)( , )( , 1)

a B a iB a ii a B a i

, 0i .

* * *Tema 3.6.3 Aplicând rela ia de recuren considerat în aplica ia anterioar , s se determine probabilitatea de blocare ce caracterizeaz un concentrator care prime te un trafic, a , de: i) 2 E, ii) 3 E i dispune de 2s linii de ie ire.

* * *


Tema 3.6.4 Deduce i, în mod asem n tor, rela ia de calcul prin recuren a probabilit ii de blocare corespunz toare modelului Engset.

* * * Tema 3.6.5

Realiza i în mediul de programare MATLAB un program care calculeazprobabilitatea de blocare, ( , )B a s , a unui concentrator de trafic aplicând rela ia de recuren verificat anterior.

Indica ie: Se creeaz un fi ier func ie denumit, de exemplu erlang_b.m(extensia m fiind obligatorie pentru ca mediul de programare s poat rula respectivul fi ier). Apelul func iei se face în fereastra de comand a mediului sau chiar în alte fi iere, de exemplu sub forma erlang_b(10,100,0.05), în parantez fiind precizate valorile numerice ale argumentelor func iei. În consecin fi ierul are urm toarea structur :Denumire : Con inut:

erlang_b.mfunction perl = erlang_b(c,s,alpha) % alpha este%traficul elementar, a = alpha*c; %se calculeaz traficul global.................% perl este variabila a c rei valoare este întoars%de func ia erlang_b

perl = ... Pentru realizarea obiectivului, fi ierul func ie erlangb.m va con ine:

- linie de calcul (deja precizat în schi a de con inut) al traficului global, a,- linie de atribuire a valorii ini iale a variabilei perl,corespunz toare lui

( ,0)B a ,- un ciclu for (pentru informa ii relative la modul de utilizare a acestei

instruc iuni, ca i pentru oricare alta, în fereastra de comand se lanseazcomanda help) în urma c ruia, pe baza rela iei de recuren , se stabile tevaloarea final a variabilei perl i care corespunde m rimii c utate,

( , )B a s . Principial, instruc iunea (eventual instruc iunile) cuprins în bucla for trebuie s calculeze, conform rela iei de recuren , noua valoare a variabilei perl func ie de valoarea sa stabilit la pasul anterior i s se repete pân când, prin incrementare, variabila j (a ciclului for) ajunge la valoarea variabilei s. Concret, instruc iunea în cauz are con inutul:

perl=a*perl/(j+a*perl) Validarea programului se face prin compararea rezultatului generat de el pentru cazul: 2s , 100c i 02,0 E cu cel ob inut prin aplicarea, în acelea i condi ii, a formulei Erlang-B din rela ia (3.6.4).

* * * Tema 3.6.6 Realiza i în mediul de programare MATLAB un program care calculeazprobabilitatea de blocare a unui concentrator de trafic adoptând modelul Engset


i aplicând rela ia de recuren dedus anterior. Indica ie: Vezi aplica ia anterioar . Fi ierul se va numi engset.m, iar variabila a c rei valoare este întoars va fi peng. Verificarea se va face pentru cazul : 02,0 E, 10c i 2s .

* * * Tema 3.6.7

Scrie i un fi ier Matlab care traseaz simultan graficul celor douprobabilit i pentru o varia ie a num rului de surse de trafic, c , cuprins între 20 i300. Se va considera c pe fiecare linie de intrare în concentrator traficul elementar este 0,2 E, iar ie irile sunt 20s . Interpreta i configura iacurbelor.

Indica ie : Fi ierul Matlab de comenzi poate avea urm toarea structur :alpha = 0.2; s = 20; c = 20:5:400; perl = zeros(1, length(c)); peng = zeros(1, length(c)); for j = 1 : length(c) perl(j) = erlang_b (c(j),s, alpha) peng(j) = ..... endsemilogy(c, perl, 'r', c, peng, 'g'), grid

* * *Tema 3.6.8 Modifica i fi ierul anterior pentru a ob ine curbele de varia ie ale probabilit ilor în func ie de num rul ie irilor, la un num r fix al liniilor de intrare ipentru aceea i valoare a traficului elementar. Analiza i cazul particular 100c ,

10 100s i 0,1E.

3.6.2 Accesul printr-un mediu comun de comunicare Accesul mai multor terminale la re eaua de telecomunica ii se poate realiza i prin utilizarea aceluia i mediu de comunicare [3], [4], [44]. În acest caz, întâlnit, de exemplu, pe liniile telefonice cuplate sau pe leg turile radio pe aceea i frecven , inten ia mai multor terminale de a transmite informa ie poate genera situa ii conflictuale, generatoare de disfunc ionalit i. Astfel, indiferent ce configura ie are re eaua de acces (figura 3.6.2), ea trebuie s fie înzestrat cu un protocol a c rui respectare s asigure limitarea i, în caz de apari ie, rezolvarea unor asemenea situa ii. Protocoalele de acces la un mediu comun de comunicare trebuie sasigure un tratament similar pentru toate sta iile deservite. Aceast echitate este satisf cut dac accesul se desf oar :

pe baza eliber rii unor permise de acces (jeton) la transmisie: distribuirea jetonului revine în sarcina unui nod central, anume desemnat acestei activit i,sau tuturor sta iilor din sistem, prin preluarea în mod succesiv a acestei func ii.

complet aleatoriu: sta iile nu î i condi ioneaz transmiterea de primirea unui permis special, ceea ce nu garanteaz evitarea coliziunilor (fenomen prin


care mai multe pachete sunt generate simultan de sta ii distincte). În consecin ,protocoalele de transmisie trebuie s dispun de metode eficiente de rezolvare a respectivelor situa ii conflictuale.

3.6.2.1 Accesul aleatoriu Accesul aleatoriu este propriu re elelor de genul celor prezentate în figura 3.6.3, în care transferul informa iei între sta ii se realizeaz prin intermediul datagramelor, iar momentele în care acestea încep a fi transmise sunt decise de fiecare sta ie în mod autonom.

În vederea asigur rii unui schimb de informa ie, de o eficienacceptabil , accesul aleatoriu se desf oar conform unui anumit protocol a c rui performan se evalueaz luând în considerare urm toarele m rimi:

lungimea blocului informa ional (pachet, cadru etc.), (bi i)viteza de transmisie (capacitatea canalului), c (bit/sec);timpul de transmisie, (sec), cu expresia de calcul

c (3.6.5)

întârzierea de propagare (sec)lungimea normat a canalului a , calculat cu expresia:

a (3.6.6)

Expresia din rela ia (3.6.6) provine din raportul )()( cc , în care num r torul reprezint lungimea canalului, exprimat în num r maxim de bi i

Centru de comand

Sta ie

a) arbore cu control centralizat

Terminator

b) magistral cu control descentralizat

c) inel cu control centralizat

d) magistral cu control centralizat Figura 3.6.2: Configura ii tipice de acces la un mediu comun de comunicare

Sta ie Sta ie Sta ie

Sta ie Sta ie

Figura 3.6.3: Exemplu de re ea (tip bus) cu acces aleatoriu


afla i la un moment dat în tranzit prin canal, iar numitorul este lungimea unui pachet (tot în bi i). Cu ajutorul acestor m rimi i adoptând diverse ipoteze se pot dezvolta modele de analiz corespunz toare, în continuare fiind descrise cele mai uzuale.

3.6.2.1.1 Varianta ideal Acest model presupune c mediul este utilizat continuu (traficul oferit de surse fiind intens), iar transmisiile simultane (generatoare de coliziuni între pachete) sunt împiedicate de un protocol ideal de acces la mediu (figura 3.6.4), care permite începerea unei noi transmisiuni dup ce, pe canal, s-a stins iultimul bit al transmisiei anterioare.

În aceste condi ii, debitul binar în canal, D, care este o variabilaleatorie, are media, E D , dat de rela ia:

E D (3.6.7)

În consecin , traficul servit corespunz tor transmisiilor valide sau gradulde utilizare este definit prin rela ia:

E DS

c (3.6.8)

i are, în cazul variantei ideale, expresia de calcul: 1

1S

a (3.6.9)

Analizând interdependen a m rimilor cuprinse direct sau indirect în rela iile (3.6.7) i (3.6.9), se eviden iaz faptul c traficul servit, S , este direct propor ional cu lungimea pachetelor, , adic S , i invers propor ional cu întârzierea de propagare, , ( S ) i cu capacitatea canalului, c,( Sc ).

Tema 3.6.9Fie o re ea local în care mediul este utilizat continuu f r apari ia

coliziunilor. tiind c viteza de transmisie este de 10 Mbit/sec, viteza de propagare este de 000.200 km/sec, iar lungimea cablului este de 500 m, s se determine lungimea pachetelor, astfel încât traficul servit s fie de 9,0 E.

3.6.2.1.2 Varianta Aloha În acest caz se presupune c :

- sta iile transmit pachete în mod independent; - transmisiile pot începe în orice moment;

Figura 3.6.4: Succesiunea timpilor de transmisie i propagare (cazul utiliz rii continue i f r coliziuni)


- la detectarea coliziunii, sursele reiau sau ini iaz noi transmisii dupexpirarea unui interval aleator de timp, R, stabilit independent de fiecare surs în parte. În privin a detect rii coliziunilor, aceast sarcin poate reveni unei sta iianume ce este înzestrat cu aceast func ie (cazul detec ie centralizat ) sau fiec rei sta ii din sistem (cazul detec ie local ).

Evalu rile de performan ce caracterizeaz o astfel de tehnic iau în considerare urm toarele ipoteze:

Ip.1) Num rul sta iilor este suficient de mare; Ip.2) Sta iile transmit pachete în conformitate cu un proces Poisson de rat

medie global (pachete/sec);Ip.3) Retransmisiile datorate coliziunilor urmeaz tot un proces Poisson,

independent de cel al transmisiilor; Ip.4) Pachetele sunt de lungime constant ;Ip.5) Întârzierea de propagare este neglijabil .

De remarcat c a doua ipotez este valabil dac intervalele aleatorii de timp pe durata c rora se întârzie retransmisiile sunt suficient de mari.

3.6.2.1.2.1 Probabilitatea transmiterii f r coliziune a unui pachet Rela ia de calcul a acestui indicator de performan , notat cu cp , se stabile te inând cont c timpul de transmitere a unui pachet este constant iconsiderând urm toarele evenimente:

pachetulA este transmis f r a suferi coliziuni ; timpB de secunde pân la începerea transmiterii pachetului, pe

canal nu se transmite nimic ;peC durata transmiterii, restul sta iilor nu ini iaz transmiteri de

pachete . Luând în considerare diagrama de timp din figura 3.6.5, rezult cprobabilitatea evenimentului CB & , care este echivalent cu evenimentul A a c rui probabilitate ne intereseaz , se poate scrie i sub forma:

0 0

0 0

Pr Pr & Pr num rul de transmisii ini iate în intervalul

, este zero & num rul de transmisii suplimentare

ini iate în intervalul , este zero

A B C

t t

t t

(3.6.10)

Interval minim în care nu încep transmisiuni ulterioare

Interval minim în care nu încep transmisiuni anterioare

0t 0t 0t

Începe transmiterea pachetului anterior

Începe transmiterea pachetului curent

Începe transmiterea pachetului ulterior

Figura 3.6.5: Condi ii temporare de lips a coliziunii


inând seama de ipoteza Ip.3) înseamn c transmisiile i retransmisiile, considerate procese Poisson independente, urmeaz împreun tot un proces Poisson a c rui rat o not m cu ( ). În acest caz, proprietatea de incrementare sta ionar i independent , proprie proceselor Poisson (num rul de apari ii în intervale egale si disjuncte sunt variabile aleatorii, i.i.d.) permite concretizarea rela iei (3.6.210) sub forma:

2

0

( )Pr & e exp( 2 )!

k

ck

p B Ck

(3.6.11)

care reprezint probabilitatea transmiterii f r coliziune a unui pachet. Observa ie: În deducerea rela iei (3.6.11) s-a inut cont de ipoteza Ip.2), considerându-se c ratele de ini iere a transmisiilor în cele dou intervale,

0 0,t t i 0 0,t t , sunt egale chiar dac num rul sta iilor implicate difer(cu unu) de la un caz la altul. Probabilitatea cp reprezint raportul pe termen lung dintre num rul de

transmisiuni neperturbate i num rul total de transmisiuni i retransmisiuni corespunz toare. Amplificând acest raport cu inversul timpului de observare,

obst , se ob ine, la limit când obst , raportul dintre ratele corespunz toare,adic :

cp (3.6.12)

Amplificând frac ia din rela ia anterioar cu i înlocuind nota ia probabilit ii cu expresia sa de calcul (rela ia 3.6.11), se ajunge la expresia:

exp( 2 )S G G (3.6.13) unde: S este traficul servit (utilizarea canalului de c tre transmisiunile valide), calculat cu expresia: S , i

G este traficul oferit (ce corespunde transmisiunilor i retransmisiunilor, atât celor valide cât i celor non-valide), calculat cu expresia: G . Varia ia traficului servit în func ie de traficul oferit este reprezentat în figura 3.6.6, care eviden iaz comportarea sistemului pentru diverse valori ale

0,1

0,2 S [Erlang]

210 G [Erlang]

Figura 3.6.6 Traficul servit în func ie de traficul oferit (cazul Aloha pur)


traficului oferit. Astfel, pentru valori mici ale lui G , coliziunile sunt rare i deci GS . Odat cu cre terea lui G , coliziunile se înmul esc având ca efect

sc derea continu a pantei curbei care atinge maximul la valoarea 21G .Dup aceast valoare, curba descre te asimptotic c tre zero, coliziunile numeroase f când practic pu in probabile transmisiunile neperturbate. În consecin , tehnica Aloha (pur ) se preteaz doar aplica iilor în care transferul de informa ie este sporadic i nu se impun constrângeri severe de timp.

Tema 3.6.10 Fie re eaua din figura 3.6.7 în care un num r de 50 de terminale au acces la o unitate central prin mediul de comunicare Bus 1, iar unitatea centraldistribuie mesaje terminalelor, prin mediul de comunicare Bus 2.

S se determine capacit ile celor dou medii de comunica ie, tiind c :i) în medie, un terminal genereaz din 2 în 2 minute mesaje cu câte 60 de

caractere fiecare, ii) unitatea central r spunde cu mesaje de 500 de caractere, iii) caracterele sunt alc tuite din câte 8 bi i,iv) pentru realizarea unui transfer eficient al informa iei de la terminale la

unitatea central , mediul Bus 1 va trebui s serveasc un trafic de 1,0 E. Rezolvare: Rata de transmitere a caracterelor de c tre un terminal este:

5,0sec602

caractere60 caractere/sec

iar rata total de transmitere a caracterelor de c tre cele 50 de terminale este: 50 caractere/sec.

Prin urmare, traficul ce trebuie servit se calculeaz cu expresia: lungime caracter capacitate canalS

Capacitatea canalului (Bus 1) se ob ine acum prin rezolvarea ecua iei:8 bi i 0,1 Ec

3.6.2.1.2.2 Timpul mediu de întârziere a transferului unui pachet Timpul de întârziere a transferului unui pachet se noteaz cu T ireprezint durata scurs de la ini ierea primei transmisiuni pân la încheierea transmisiunii neperturbate. Conform defini iei, T este o sum compus din timpii consuma i pentru transmisiunile perturbate, întârzierile impuse relu riitransmisiunilor i transmisiunea corect a aceluia i pachet. Num rul retransmisiunilor fiind aleatoriu, întârzierea se poate evalua prin intermediul mediei sale date de rela ia:

T

CBus 1 Bus 2

T T

Figura 3.6.7: Re ea local cu dou medii de comunicare (câte unul pe sens)


E E 2 ET K R (3.6.14)

unde : timpul scurs de la emisia primului simbol pân la recep ia ultimului simbol în cazul transmisiei neperturbate;

2 durata unei transmisiuni perturbate; E R media întârzierii impuse retransmisiei; E K media num rului de transmisii eronate.

Num rul de transmisii eronate, K, este o variabil aleatorie care urmeazo distribu ie geometric (num rul de încerc ri pân la realizarea unei transmisii corecte) de parametru probabilitatea succesului, care nu este alta decât probabilitatea transmiterii f r coliziune a unui pachet, cp . Deci, media acestui num r se exprim sub forma :

2

2

1 1 eEe

Gc

Gc

pK

p (3.6.15)

Revenind la rela ia (3.6.14) i f când substitu ia de rigoare se ob ine expresia: 2 2 2E e (2e 1) E (e 1)G G GT R (3.6.16)

care, prin normare cu timpul de transmisie, devine: 2 2 2E e (2e 1) E (e 1)G G GT a R (3.6.17)

unde: E ET T i E ER R .Figura 3.6.8 reprezint modul în care m rimea E T variaz în func ie de

traficul S servit de sistem. Analizând acest grafic se observ c , pentru acela itrafic servit, întârzierea medie poate lua dou valori. Aceast duplicitate se datoreaz faptului c traficul servit nu este propor ional cu traficul oferit, care include atât transmisiile corecte cât i pe cele perturbate. Din acest motiv, odatce traficul servit intr pe panta descresc toare din figura 3.6.8, num rultransmisiunilor se amplific , ceea ce influen eaz direct m rimea E T , care cre te corespunz tor.

0 0,05

S

E 10

0,05

R

a

E T

010

110

210

310

0,10 0,15 0,20Figura 3.6.8: Întârzierea medie în func ie de traficul servit (cazul Aloha pur)


Prin urmare, "oscila ii" ale traficului oferit, G, în jurul punctului de maxim modific sensibil întârzierea prin re ea, revenirea la valori mici a lui G fiind întârziat (dac nu chiar împiedicat atunci când perioada oscila iei este sub timpul de restabilire) de cre terea num rului de coliziuni în canal. Aceastinstabilitate care se manifest printr-o auto-congestionare a sistemului limiteazutilizarea procedeului Aloha doar la aplica iile în care, cu rare excep ii, traficul servit, S, oscileaz doar pe panta cresc toare din figura 3.6.8.

Tema 3.6.11Verifica i în ce condi ii sunt valabile ipotezele 2) i 3) precizate în cadrul

analizei variantei Aloha. Indica ii: Se va elabora un program de simulare pe baza c ruia se vor trasa diverse histograme care se vor compara cu distribu ia aleas . M rimile variabile luate în considerare vor fi: intervalul aleator, R, dup care se reiau sau se ini iaz noi transmisiuni i timpul, T, dintre dou transmisii succesive f rcoliziune ale unei aceleia i sta ii.

* * * Tema 3.6.12 Deduce i expresia probabilit ii cp considerând timpul dintre dou ini ieri

de transmisiuni succesive în locul num rului de ini ieri într-un interval dat. Indica ie: Sosirile care caracterizeaz un proces Poisson de rat pot fi descrise i prin intermediul timpului dintre dou sosiri succesive, care este o variabil aleatorie de tip exponen ial.

3.6.2.1.3 Varianta Aloha în tran e Tehnica în discu ie este asem n toare cu precedenta exceptând faptul ctimpul este împ r it în intervale egale cu durata de transmitere a unui pachet (plus timpul maxim de propagare), ini ierea transmisiilor putând avea loc doar la începutul fiec rui interval.

Evalu rile de performan referitoare la aceast variant iau înconsiderare ipotezele men ionate în cazul variantei Aloha pur i in cont de faptul c transmisiile suprapuse sunt simultane, petrecându-se într-un singur interval. În aceste condi ii, înseamn c probabilitatea transmiterii f r coliziune a unui pachet, cp , corespunde experimentului:

în intervalul respectiv nu s-a mai transmis alt ,pacheti are expresia de calcul ce urmeaz :

e Gcp (3.6.18)

În mod asem n tor se deduc i restul rela iilor, ce au urm torul con inut:GGS e (3.6.19)

E e (2e 1) (e 1) EG G GT a R (3.6.20)

Figura 3.6.9 prezint comparativ curbele )(GfS i )(E SfT pentru ambele variante. Se observ astfel superioritatea variantei Aloha în tran e care


accept un trafic servit mai mare (de pân la 0,368) i un domeniu mai larg de stabilitate din punct de vedere al întârzierii medii.

Tema 3.6.13 Fie o re ea de acces care deserve te 50 terminale în tehnic Aloha în tran e. Considerând c fiecare terminal ini iaz în medie câte 12 transmisii pe minut i c pachetele transmise sunt de 2400 bi i, s se determine capacitatea canalului astfel încât re eaua s func ioneze din punct de vedere statistic într-un regim sta ionar. Indica ie: se fixeaz traficul servit, S, sub valoarea 386,0 E (de exemplu

3,0S E).* * *

Tema 3.6.14 S se determine num rul mediu de pachete transferate pe minut între sta iile conectate la o re ea ce func ioneaz în protocol Aloha în segmente tiind c : - pachetele sunt de 10 kbi i,

- capacitatea canalului este de 10 Mbit/sec, - traficul servit are valoarea 0,35 E.

* * * Tema 3.6.15

Verifica i corectitudinea rela iilor (3.6.19) i (3.6.20) i realiza i (de exemplu în Matlab) un program care s traseze graficele din figura 3.6.9.

3.6.2.1.4 Varianta CSMA/CD Func ionarea sistemelor care utilizeaz tehnica CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) se bazeaz pe respectarea urm toarelor reguli:

toate sta iile ascult mediul la care sunt conectate; transmisia unui pachet se ini iaz dac sta ia în cauz sesizeaz

faptul c mediul este în repaus (de unde i ini ialele C i S din denumirea prescurtat a tehnicii);

la detectarea coliziunii (posibile datorat vitezei finite de propagare între sta ii), sta iile în cauz abandoneaz transmisia pachetelor generând un

0

0,1 Aloha

Aloha în tran e

1 2

0,2

0,3

0,4

0 0,1 0,2 0,3 S

Aloha

Aloha în tran e

E T

G

S

103

102

101

Figura 3.6.9: Compara ia celor dou tehnici Aloha


semnal de amestec/bruiaj (jam signal) prin care sunt în tiin ate restul sta iilor din sistem (de unde i ini ialele C i D);

reluarea transmisiei se poate ini ia imediat ce se sesizeaz lipsa activit ii pe canal sau dup un interval de timp, R. În cazul în care se utilizeazambele posibilit i, protocolul este de tipul p-persistent, p reprezentând probabilitatea ca sta ia s ini ieze retransmisia imediat dup încetarea semnalului de amestec.

Observa ie: Un caz concret al tehnicii în CSMA/CD îl constituie re eleETHERNET unde retransmisiile sunt ini iate dup un interval aleatoriu de timp a c rui valoare maxim se dubleaz la fiecare detec ie de coliziune (opera ia invers desf urându-se atunci când timpul expirat de la ultima coliziune dep e te un anumit prag). Dublarea intervalului se poate repeta pân când este atins un anumit nivel, moment în care sta iile implicate abandoneazreluarea transmisiilor i semnaleaz acest lucru nivelelor superioare (conform modelului OSI).

Stabilirea formulelor de calcul al indicatorilor de performan ce caracterizeaz sistemele CSMA/CD se bazeaz în principal pe dou modele probabilistice care urmeaz a fi descrise în continuare.

Modelul 1 – Se iau în considerare urm toarele ipoteze:- axa timpului se fragmenteaz în intervale de timp egale cu dublul timpului

de propagare (timpul maxim de detec ie a unei coliziuni); - o sta ie transmite într-un interval cu probabilitatea q indiferent dac în

intervalul anterior a fost sau nu implicat într-o coliziune. În acest context, traficul servit, S, este dat de urm toarea rela ie:

2 ES

C (3.6.21)

în care C reprezint num rul de intervale în care au ap rut coliziuni. Rela ia de calcul a mediei acestui num r este:

0E Pr

jC j C j (3.6.22)

unde Pr C j reprezint probabilitatea succesiunii a j intervale consecutive, cu coliziune. Opusul coliziunii fiind succesul transmisiunii, înseamn c C reprezintnum rul de repet ri ale transmisiei pân la apari ia primului succes, adic o variabil aleatorie geometric a c rei medie este dat de rela ia :

E (1 )c cC p p (3.6.23)

Parametrul cp reprezint probabilitatea transmiterii cu succes a unui pachet, fiind dat, în cazul unei re ele cu n sta ii, prin intermediul rela iei:

1(1 )1

nc

np q q (3.6.24)


corespunz toare unei distribu ii binomiale, de parametri n i q , sau prin rela ia:exp( )cp (3.6.25)

atunci când, în condi iile în care n este mare, q este mic i 1qn , num rultransmisiilor pe un interval se consider un proces Poisson de rat medie

qn . Revenind la rela ia (3.6.21), aceasta se poate scrie i în forma: 11

1 2 c

c

S pa

p

(3.6.26)

în care apare explicit m rimea lungimii canalului, a , i probabilitatea transmiterii f r coliziune a unui pachet. Pe baza acestei rela ii s-au trasat curbele din figura 3.6.10. Se eviden iaz astfel faptul c sistemul func ioneazeficient la valori mici ale lungimii canalului, pentru care timpul de propagare este cu câteva ordine de m rime mai mici decât timpul de transmisie.

Modelul 2 – cazul CSMA/CD nepersistent (0% persistent) Fie diagrama de timp din figura 3.6.11, ce înf i eaz succesiunea perioadelor de repaus (Idle) i ocupare (Busy) a canalului, care urmeaz unei transmisii încheiate cu succes si care se finalizeaz cu intervalul pe durata c ruia transmisia se desf oar f r coliziuni. Componentele succesiunii, numit i ciclul transferului, sunt, în general, aleatorii, cu excep ia lui , atât în dimensiune cât i în num r, fapt pentru care traficul servit are urm toarea rela ie de calcul:

timp transmisieciclu transfer E 1 E E E

SK I K B

(3.6.27)

0

0,5

1

10

S

a

1,0q

05,0q

2,0q

0,01 0,1 1

n = 10 sta ii

Figura 3.6.10: Traficul servit func ie de lungimea canalului (modelul 1)

1I 2I1B 2B KBKI 1KIt

Durata ciclului

Figura 3.6.11: Ciclul transferului unui pachet (cazul CSMA/CD nepersistent)


unde: K num rul încerc rilor e uate de transmisie, unde: I timpul unei perioade de repaus (IDLE),

u: B timpul unei perioade în care canalul este ocupat (BUSY). Considerând c sta iile ini iaz transmisii la momente precise de timp (ca în cazul metodei Aloha în tran e), înseamn c lipsa coliziunii pe tran arespectiv corespunde faptului c pe intervalul ( 00, tt ) numai o singur sta ie a ini iat o transmisiune. În acest caz, inând seama i de discu iile referitoare la rela ia (3.6.25), probabilitatea transmiterii f r coliziune are expresia:

exp( )cp (3.6.28) pe baza c reia se determin num rul mediu de transmisii (vezi rela ia 3.6.27):

E exp( ) 1K (3.6.29)

A doua m rime ce intervine în calculul traficului servit se refer la timpul unei perioade de repaus , I, care este o variabil exponen ial cu media:

E 1I (3.6.30) În privin a celei de a treia valori medii, analiza se bazeaz pe diagrama de timp din figura 3.6.12. Astfel, perioada de ocupare începe odat cu ini ierea unei transmisiuni peste care se suprapune alta într-un interval de timp, X, sub timpul de propagare în canal.

În acest moment, conform figurii 3.6.13, transmisia este întrerupt i se trimite semnalul de amestec de durat , urmat de dou perioade egale cu durata de propagare necesare asigur rii intr rii într-o perioad de repaus pe canal. Deci, intervalul mediu de ocupare este dat de rela ia:

E E 2B X (3.6.31)

Pentru ob inerea unei formule de calcul este necesar s cunoa tem func ia de distribu ie )(xFX a variabilei X. Aceast func ie reprezint probabilitatea ca, dacpachetul intr în coliziune acest lucru s se petreac pân la expirarea momentului . Evenimentele sus men ionate pot fi puse sub forma:

coliziuneaA are loc în intervalul ),0( x ,coliziuneaB are loc în intervalul ),0( .

ceea ce permite scrierea func iei de distribu ie sub form de probabilitate condi ionat i deducerea rela iei de calcul precum urmeaz :

XPr & Pr 1 e( ) Pr

Pr Pr 1 e

xA B X xF x A B

B X, x0 , (3.6.32)

XBI

Figura 3.6.12: Diagrama de timp a unei perioade în care canalul este ocupat i se detecteaz o coliziune


Pe baza rela iei (3.6.32) se ob ine expresia mediei E X care, prin substitu ie în rela ia (3.6.27) împreun cu celelalte componente, conduce la urm toarea rela ie de evaluare a traficului servit:

)2)(1()1(ee

eS (3.6.33)

Pentru o exprimare asem n toare cu cele utilizate în cazul metodelor Aloha, se înlocuie te produsul cu G (chiar i la exponen i, prin amplificarea acestora cu m rimea ) i raportul cu a ob inându-se în final:

)2)(e1()1(ee

aGGaGGS aGaG

aG, cu (3.6.34)

Eficien a metodei CSMA/CD este eviden iat în figura 3.6.14 care con ine curbele corespunz toare a dou valori ale parametrului a suprapuse peste cea care caracterizeaz modelul Aloha în tran e. Cum era de a teptat, traficul servit cre te sim itor mai ales când lungimea canalului este foarte mic ( 1a ), sistemele asigurând o plaj mai largde valori ("platourile" generate de curbe) pân când sistemul intr în congestie.

B încheie transmisia semnalului de amestec

Sta ia A

A începe transmisia unui pachet

Canalul intr în repaus

B începe transmisia unui pachet

B detecteaz coliziunea i transmite semnal de amestec

A detecteaz coliziunea i transmite semnal de amestec

A încheie transmisia semnalului de amestec

Sta ia B

0t

2t

3t

4t

5t

6t

1t

Figura 3.6.13: Schimburi de mesaje în cazul detect rii unei coliziuni


Timpul mediu de întârziere a transferului unui pachet este i el un indicator al performan ei. În cazul tehnicii CSMA/CD f r persisten , transferul unui pachet presupune înl n uirea mai multor perechi de transmisii întrerupte iîntârzieri de retransmisii pân când are loc o transmisie neperturbat . Astfel, media timpului de întârziere are o expresie asem n toare cu rela ia (3.6.14) având urm torul con inut:

E E (1 ) E E Eb bT K p R p X R (3.6.35)

Rela ia (3.6.35) însumeaz duratele întârzierilor medii de retransmisie la un num r mediu de retransmisii, E K , cu durata necesar efectu rii unei transmisii corecte, . În cazul întârzierilor de retransmisie, acestea se pot datora faptului c în momentul în care s-a dorit transmisia, canalul era ocupat sau faptului c , dup expirarea unui timp, X, de la începerea transmisiei s-a produs o coliziune (figura 3.6.11) . ansele celor dou situa ii sunt evaluate prin intermediul valorilor 1 bp i bp , ultima dintre acestea reprezentând

probabilitatea ca mediul de comunicare s fie în repaus (neblocat). Conformfigurii 3.6.10 i rela iei 3.6.27, aceast probabilitate este dat de raportul:

E 1 Etimp repausciclu transfer E 1 E E Eb

K Ip

K I K B (3.6.36)

pentru ale c rei componente s-au prezentat deja rela iile de calcul: (3.6.28), (3.6.29), (3.6.30) etc. Varia ia întârzierii normate la durata unei transmisiuni neperturbate este reprezentat în figura 3.6.15. Aceast figur con ine dou curbe ob inute pentru dou valori (0,05 i 0,005) ale parametrului lungime canal. A a cum era de a teptat, ambele curbe prezint zona de instabilitate corespunz toare platouluide valori maxime ale traficului servit, trecerea în regim de congestie generând valori considerabile dac nu chiar intolerabile ale întârzierii (scara ordonatei este logaritmic ). În plus, cu cât lungimea canalului este mai mic , distan a dintre cele dou pante ale curbei de varia ie a întârzierii cre te, ceea ce reduce

0

0,5

1

0,1 1 10 100 1000

S

G

CSMA/CDa = 0,05

Aloha în tran e

CSMA/CD a = 0,005

Figura 3.6.14: Traficul servit func ie de traficul oferit (metoda CSMA/CD)


probabilitatea de basculare a sistemului din starea de func ionare eficient în cea de congestie ( i viceversa!). Desigur, toate aceste observa ii iau în considerare, în principal, lungimea canalului (raportul dintre timpul de propagare i timpul de transmisie) func ie de a c rui lungime depinde frecven a de apari ie a coliziunilor în mediul de comunica ie.

Tema 3.6.16 Determina i expresiile de calcul ai principalilor indicatori de performance caracterizeaz metoda CSMA/CD, 100% persistent. Indica ie: indicatorii de performan sunt aceia i ca i în cazul CSMA/CDf r persisten , iar ra ionamentele necesare deducerii formulelor de calcul sunt asem n toare; se pleac îns de la structura ciclului de transfer a unui pachet, prezentat în figura 3.6.16. În cadrul ciclului, toate duratele B sunt de tipul celei prezentate în figura 3.6.12.

Tema 3.6.17 Justifica i de ce în figura 3.6.10, indiferent de lungimea canalului, a ,valoarea cea mai mare a traficului servit se g se te doar pe curba cu 1,0q . Indica ie: Se determin condi ia în care probabilitatea transmiterii cu succes a unui pachet este maxim .

3.6.2.1.5 Varianta CSMA/CA Standardul IEEE 802.11 reprezint cea mai r spândit solu ie de implementare a re elelor locale f r fir WLAN (Wireless Local Area Network) de tipul ad-hoc (figura 3.6.17) sau cu infrastructur , în ultimul caz unul din noduri

0100 0,2 0,4 0,6 0,8 1

E T

S

210

410

610

810a = 0,05 a = 0,005

Figura 3.6.15: Întârzierea medie caracteristic procedeului CSMA/CD

KB

Ciclu de transfer

1B 2B

Figura 3.6.16: Ciclul transferului unui pachet (cazul CSMA/CD 100% persistent) * * *


având un statut diferit de celelalte [8]. Mecanismul incorporat, de acces la mediu, poart denumirea de func ie distribuit de coordonare DCF (Distributed Coordination Function) i realizeaz accesul multiplu cu sesizarea transmiterii ievitarea coliziunii, adic CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance).

Func ia distribuit de coordonare prezint dou scheme de acces: implicit , denumit mecanismul primar de acces (base access),op ional , denumit "cu patru strângeri de mân " (four-wayhandshake).

Pe lâng aceste configura ii, standardul IEEE 802.11 define te i func iapunctual de coordonare PCF (Point Coordination Function), care poate fi folosit atunci când re eaua are o infrastructur predefinit , în care controlul accesului la mediu este centralizat, un nod anume fiind îns rcinat cu "planificarea" transmisiunilor în re ea.

Func ia distribuit de coordonare a activit ilor între noduri urm re terezolvarea coliziunilor prin înlocuirea principului detec iei, folosit în Ethernet, cu cel al evit rii lor, CA (Collision Avoidance), deoarece:

detectarea presupune implementarea unei leg turi radio duplex care spermit transmiterea i recep ia simultan , ceea ce implic costuri mult mai mari,

simpla comparare a semnalului recep ionat cu cel transmis este inadecvat , dat fiind faptul c puterile acestora difer semnificativ,

coliziunile pot avea loc chiar în cazul în care se dispune de un mecanism de detectare a lor, precum în situa iile prezentate în figura 3.6.18, care genereaz problema terminalului ascuns (hidden terminal problem), unde

Sta ie

Sta ie

Sta ie

Sta ie

Figura 3.6.17: Re ea ad-hoc

B

C

A

B CA

(a) obstruc ii naturale (b) atenu ri ale semnalului

Figura 3.6.18: Problema terminalului ascuns


sta iile A i C transmit simultan c tre aceea i destina ie B, f r îns ca acestea s sesizeze coliziunea atunci când puterea la recep ie este sub posibilit ile mecanismului de detec ie ca urmare a unor obstruc ii materiale (cl diri, forme de relief etc.) sau distan e apreciabile.

Mecanismul primar de acces cu dou strângeri de mân (two way handshake), prezentat sugestiv în figura 3.6.19, const , atunci când sta ia are ceva de transmis, în:

monitorizarea canalului în a teptarea trecerii acestuia în starea de repaus (IDLE) i/sau expir rii unui anumit interval DIFS (Distributed InterFrame Space) în care se men ine continuu aceast stare,

dup expirarea intervalului DIFS, în vederea reducerii coliziunilor, transmisia propriu-zis se amân , prin fixarea aleatorie a unui timp de repliere (random backoff time). Domeniul din care se alege respective valoare se nume te fereastra disputei (contention window), la prima tentativ pe valoarea minim minW (de exemplu 31), dublându-se apoi de la o tentativ e uat la alta, BEB (Binary Exponential Backoff), pân la valoarea maxim maxW (de exemplu 255),

timpul de repliere este decrementat la intervale egale cu durata necesar oric rei sta ii din re ea de a detecta transmisia oric rei alte sta ii, denumite segmente temporale (time slot), atât timp cât canalul este sesizat în stare IDLE, dup expirarea intervalului DIFS, în restul timpului r mânând neschimbat,

odat cu trecerea contorului asociat timpului de repliere în starea zero, începe transmisia cadrului în cauz ,

recep ia cu succes, la destina ie, a cadrului este semnalatemi torului prin trimiterea c tre acesta a unui mesaj de confirmare ACKdup expirarea intervalului SIFS (Short InterFrame Space) din momentul încheierii recep iei. Dac mesajul ACK nu este recep ionat de surs într-un timp specificat (timeout), atunci cadrul respectiv este reprogramat pentru o nou transmisiune conform regulilor de mai sus.

Mecanismul cu patru strângeri de mân , al c rui principiu este înf i at sugestiv în figura 3.6.20, implic parcurgerea unei faze preliminare transmiterii

3 2 1 0DIFS

DATA ACK 4 2 1 0DIFS

3DATA tSursa 1

81 780DIFS

2 1 0DIFS

3DATA t

Sursa 2 6 5 4

DATA ACK

SIFS

coliziune tDestina ie

Figura 3.6.19: CSMA/CA primar


cadrului DATA, în care sursa i destina ia schimb mesajele RTS (Request ToSend) i CTS (Clear To Send) în scopul rezerv rii canalului prin în tiin area implicit a celorlalte sta ii din re ea. Fiind expuse coliziunii, transmiterea mesajul RTS se face apelând la mecanismul primar, confirmarea recep iei cu succes fiind, în acest caz, mesajul CTS. Din aceste dou mesaje, cel pu in unul poate fi recep ionat de oricare din sta iile din preajma sursei i/sau destina iei, care, în consecin î i amân decrementarea timpului i replierea dup un timp înscris în vectorul NAV (Network Allocation Vector).

Tema 3.6.18 Prezenta i sub form de organigram mecanismul CSMA/CA în variantele: cu dou i cu patru strângeri de mân .

* * * Indicatorii de interes, privind performan a mecanismului CSMA/CA

primar, sunt: media întârzierii unui cadru, E T , din momentul în care acesta este înaintat transmi torului i pân când este recep ionat de sta ia destina ieîn condi ii corespunz toare, traficul servit (throughput), S , numit i productivitate, exprimat în raport de timpi, ca procent al timpului corespunz tor unei transmisiuni valide, din timpul total dintre dou transmisiuni valide.

Pentru stabilirea unor formule de calcul al acestor indicatori, în cazul unei re ele ad-hoc cu leg tur direct între noduri (Single Hop Ad-Hoc Network)se au în vederea urm toarele m rimi, dintre care, cele temporale sunt normate la timpul de transmisie, , pachetele fiind considerate de aceea i lungime:

M num rul de sta ii, durata (normat ) a unui segment temporal (a timpului de propagare între

cele mai îndep rtate sta ii), , durata (normat ) de transmitere a unui cadru/pachet, pT , egal cu 1,

acoperind, prin urmare, un num r de 1 segmente, durata DIFS, acoperind un num r de segmente,

DATACTS tSurs

tAlte sta ii

ACK

SIFS

tDestina ie

RTS

RTS CTS

SIFS

DATA

SIFS

ACKDIFS

NAV (CTS)NAV (RTS)

DIFSACK

Figura 3.6.20: CSMA/CA cu RTS/CTS


durata SIFS acoperind un num r de segmente, f durata ACK, acoperind un num r de f segmente, T perioada unei transmisiuni valide (de când începe transmiterea pachetului i pân când expir DIFS-ul ce urmeaz ACK-ului),

fT 1 ,C perioada unei coliziuni, 21C ,g probabilitatea ca într-un segment temporal s apar un nou pachet de transmis într-o sta ie ce nu este angajat în procesul de transfer al unui pachet,

i probabilitatea ca un nod repliat s înceap transmisia într-un segmentul temporal, t , când sunt iNt noduri repliate, Mi ,1 ,

cp probabilitatea coliziunii când i noduri sunt în disput ,

P matricea transmisiei, CT QFJQSP , în care matricele S, F, Q i J sunt date de expresiile:

1

1

0 pentru

(1 ) (1 )pentru

1 (1 ) (1 )

( )(1 ) (1 )pentru 1

1 (1 ) (1 )0 pentru 1

M i ii i

i M ii

ik M i ii

i M ii

k i

i gk i

gs

g M i gk i

gk i

(3.6.37)

ikggik

iMik

q ikiMik pentru)1(

pentru0 (3.6.38)

restin0

1pentru1 ikj ik (3.6.39)

1

1

0 pentru

(1 ) 1 (1 ) (1 )pentru

1 (1 ) (1 )

( )(1 ) 1 (1 )pentru 1

1 (1 ) (1 )

(1 )pentru 1

1 (1 ) (1 )

M i i ii i ii M i

iM i i

iik

i M ii

M i k i

i M ii

k i

g ik i

g

g M i gf k ig

M ig g

k ik i

g

(3.6.40)


F r a intra în detalii matematice, privind modul în care au fost ob inute, sunt enumerate în continuare principalele formule de lucru, preluate din [chen]:

Traficul oferit:gMG (3.6.41)

Probabilitatea coliziunii când iNt noduri sunt repliate, cu dourela ii:

iii

Wpc

13212

min [49] (3.6.42)

1)1(1 iicp (3.6.43)

Media duratelor de repaus, exprimat în num r de segmente temporale, în care sunt repliate i noduri:

1)1()1(1 iMi

ii gI slot-uri (3.6.44) Probabilitatea transmiterii cu succes pe durata unui ciclu cu i noduri repliate:

ii

iM

ii

iMi

ii

iM

s ggiggiMiP

)1()1(1)1()1()1()1()()(

111(3.6.45)

Traficul servit:

M

iSSii

M

ipSi

CiPTiPI

TiPS

0

0

)(1)(1

)( (3.6.46)

unde i sunt probabilit ile sta ionare ale procesului tN ,ob inute din sistemul de ecua ii P

Num rul mediu de sta ii repliate:

M

iSSii

M

i ii

CiPTiPI

iiAN

0

0

)(1)(1

1)(

(3.6.47)

cu: iMii g )1()1( (3.6.48)

M

ij ij

T CQFQSjiA

0 0)( (3.6.49)

Întârzierea medie (normat la acela i timp de transmisie, ), evaluatconform rela iei lui Little:

SND (3.6.50)


Tema 3.6.19 Justifica i expresia de calcul a perioadei unei coliziuni, C.

* * * Tema 3.6.20 Determina i traficul servit i întârzierea medie în cazul unei re ele ad-hoc cu 3 sta ii, pozi ionate în vârfurile unui triunghi echilateral de latur 3 km, având o capacitate de 1 Mbit/sec i cadre transmise de câte 5000 bi i, dac rata de generare a pachetelor pe nivelul 3 este de 10 pachete/sec.

3.6.3 Accesul controlat Coliziunea într-un mediu unic de comunicare poate fi evitat , cel pu in

principial, dac transmiterea informa iei (a pachetelor) este condi ionat de dobândirea unui permis în acest sens. Din punct de vedere fizic, permisul este un pachet special (numit token) care circul prin re ea controlând, prin transferul s u de la un nod la altul, ordinea în care acestea pot transmite. Re elele care utilizeaz acest gen de control al accesului au, în general, configura ia de tip bus sau inel purtând denumirea de token ring i token bus.Pentru evitarea unei manipul ri defectuoase a permisului între sta ii, aceste re ele trebuie înzestrate, conform standardelor organismului interna ional IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers), cu o sta ie de monitorizare care s încorporeze func iile de administrator ale re elei. Datorit unicit ii acestei sta ii, este necesar ca re eaua s dispun , în plus, de o alternativ de acces la mediu care s asigure comunicarea între terminale i în caz de defectare a sta iei monitor sau întrerupere a liniei de leg tur corespunz toare la aceasta. În general mediul de comunicare este ocupat cu un singur pachet. Atunci când, îns , durata de propagare este mult superioar timpului de transmisiune ( 1a ) se pot utiliza, în vederea cre terii traficului servit, protocoale ce iau în considerare posibilitatea transmisiunilor suprapuse în timp (nu în spa iu !) a mai multor pachete (protocoale multipachet). Func ie de protocoalele luate în considerare i de indicatorii de performan urm ri i, analiza unor re ele de tipul token ring se bazeaz pe rela iile oferite de diverse modele probabilistice. Materialul de fa prezint în continuare câteva dintre aceste modele prin intermediul c rora se pot evalua principalii indicatori de performan care caracterizeaz astfel de sisteme.

3.6.3.1 Traficul servit Modelul propus în [43] ia în considerare urm toarele ipoteze: - re eaua este compus din n sta ii, interconectate prin tronsoane de aceea i

lungime, i folose te un protocolul de tip pachet unic, - traficul generat de sta ii este suficient de mare pentru a considera c

primirea permisului este înso it de transmiterea unui pachet i nu de transferul s u la urm toarea sta ie,

- pachetele sunt de lungime constant ,- lungimea permisului este nesemnificativ fa de lungimea pachetului

informa ional.


În aceste condi ii, formula de calcul al traficului servit este:

etransmiterdecicluunuiduratapachetunuiaetransmiterdedurataS (3.6.51)

i se particularizeaz în func ie de momentul în care începe transferarea permisului (a c rui lungime o consider m neglijabil ) i de rela ia care exist între durata de transmitere a unui pachet, , i întârzierea de propagare în inel, .

Astfel, dac lungimea întregului inel, a , este subunitar ( ) ipermisul este transmis imediat ce sta ia emi toare a terminat de transmis pachetul (figura 3.6.21), atunci durata ciclului de transmisie este dat de timpul de transmisie la care se adaug timpul necesar propag rii ultimului bit al pachetului corespunz tor (de fapt, al ultimului bit din permisul pe care l-am considerat, îns , neglijabil) pân la urm torul nod care, dup ce î i încheie misiunea de releu ini iaz , la rândul s u, transmiterea unui pachet personal. Deci:

11

Sn a n

(3.6.52)

Atunci când permisul este transmis dup încheierea recep ion riicomplete a propriului pachet generat de sta ia surs , a r mânând subunitar ,ciclul este alc tuit din 4 componente: timpul total de transmisie, timpul de propagare în întreg inelul a ultimului simbol, timpul de transmisie al permisului (neglijabil) i timpul de propagare al ultimului bit din permis, deci:

11

Sn a a n

(3.6.53)

a) momentul t0+ (pu in dupînceperea transmisiei unui pachet)

E R

i j

E R

i j

c) momentul t0+ + (pu in dupterminarea transmisiei pachetului)

b) momentul t0+ – (pu in înainte de a începe recep ia pachetului)

E R

i j

d) momentul t0+ + – (pu in înainte de a se încheia recep ia pachetului)

Legend : - începutul transmisiei pachetului - sfâr itul transmisiei

- t0 = momentul ini ierii transmisiei - E = emi torul sta iei - R = receptorul sta iei

i j

E R

Figura 3.6.21: Propagarea pachetului în re ea la diverse momente


Celelalte dou situa ii se trateaz în mod asem n tor ob inându-se rela iace urmeaz , pentru cazul 1a i transmisia permisului în continuarea pachetului în condi iile recep ion rii începutului acestuia:

1Sn a a n

(3.6.54)

iar pentru cazul 1a i transmisia permisului dup încheierea recep iei propriului pachet se ajunge la o rela ie identic cu (3.6.53). Pe baza acestor rela ii s-au trasat curbele din figura 3.6.22 care eviden iaz un rezultat previzibil i anume acela c re elele în inel, la care permisul este eliberat imediat dup încheierea transmiterii propriului pachet, asigur o utilizare superioar a mediului fa de cazul eliber rii permisului dupîncheierea recep iei.

Acest avantaj este înso it îns de dezavantajul imposibilit ii detect rii unei transmisiuni eronate pe care nodul emi tor o poate sesiza doar în cazul utiliz rii celei de-a doua metode. Din acest motiv, prima variant se utilizeaz în aplica iile în care perturba iile sunt neglijabile, urm rindu-se în principal corectitudinea protocolului i integritatea re elei (pachetul tranziteaz toatre eaua), iar cea de-a doua se folose te atunci când frecven a erorilor impune re inerea permisului pân când pachetul transmis sau retransmis este corect recep ionat de nodul emitent. În condi ii de trafic intens, astfel de re ele func ioneaz asem n torschemelor cu multiplexare în timp, pachetele transmise înl n uindu-se continuu în mediul de comunicare. Cu toate acestea, exist diferen e notabile care vor fi eviden iate în continuare analizând i al i indicatori de performan decât traficul servit. Înainte, îns , de a trece la analiza unor modele dezvoltate care se ocupi de ace ti indicatori este util s compar m modul în care se diferen iaz cele

dou tehnici de acces la un mediu unic de comunicare (pe baz de permise iCSMA/CD) din punct de vedere al traficului servit. Aceast compara ie este ilustrat în figurile 3.6.23 i 3.6.24, prima reprezentând varia ia traficului servit func ie de lungimea mediului (a), iar a doua

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,01 0,1 1 10 100

Permis eliberat la încheierea recep iei

propriului pachet

Permis eliberat la încheierea transmiterii propriului pachet

a

S

Figura 3.6.22: Traficul servit func ie de lungimea mediului în cazul re elelor token ring (modelul 1: trafic intens; a < 1)


varia ia traficului servit cu num rul de sta ii conectate la mediul de comunicare. Curbele din figura 3.6.23 corespund la dou situa ii care se diferen iaz prin num rul de sta ii deservite ( 10n i 2n ), protocolul CSMA/CD fiind caracterizat printr-o valoare a parametrului cp care s -i asigure un trafic servit

maxim. În privin a curbelor din figura 3.6.24, acestea sunt trasate pentru douvalori ale parametrului lungimea mediului: 1,0a i 1a .

Concluzia care se poate desprinde, analizând curbele din cele dou figuri, este c , din punct de vedere al traficului servit, re elele token ring sunt superioare re elelor CSMA/CD. Aceast concluzie este dedus în condi iile unui trafic intens fapt pentru care valabilitatea ei, în restul situa iilor, r mâne a fi verificat în continuare.

3.6.3.2 Întârzierea medie (a unui pachet prin re ea) Modelul propus în [41] ia în considerare urm toarele ipoteze:

- re eaua este compus din n sta ii uniform distribuite de-a lungul mediului de comunica ii,

- fiecare sta ie prime te de la terminalele deservite pachete de lungime constant ,

- sosirile pachetelor dinspre terminale urmeaz procese Poisson de aceea i rat medie pentru fiecare sta ie,

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,001 0,01 0,1 1 10 100

a

S I 10n

II

III

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,001 0,01 0,1 1 10 100

a

S

II I

III

2n

Figura 3.6.23: Varia ia traficului servit func ie de lungimea canalului I - re ea token ring cu eliberarea permisului la încheierea transmisiei propriului pachet; II - re ea token ring cu eliberarea permisului la încheierea recep iei propriului pachet;

III - re ea cu protocol CSMA/CD

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1 7 13 19 25

S 1,0a Token ring1a

1,0a

1an

CSMA/CD

Figura 3.6.24: Traficul servit în func ie de num rul de sta ii, n


- pachetele sunt distribuite echiprobabil în re ea (nodurile destina ie sunt echiprobabile),

- protocolul utilizat permite sta iilor s transmit un singur pachet în condi iile de inerii permisului corespunz tor,

- transferarea permisului urm toarei sta ii începe odat cu recep ionarea propriului pachet transmis în mediul de comunicare,

- durata de propagare de-a lungul întregii re ele este mai mic decât durata de transmitere a unui pachet ( ).

b) Începerea recep ion rii propriului pachet

a) Începerea transmiterii pachetuluis s'

#1 #2 #3

s s'

c) Încheierea transmisiunii pachetului

s

d) Începerea transmiterii permisului

s s'

e) Transferarea permisului

s s'

LEGEND :Început de flux

Sfâr it de flux

#n

Sta ia destina ie

Flux binar corespunz tor: - pachetului - permisului

s'

Figura 3.6.25: Înl n uirea fluxurilor în cazul re elelor token ring cu transfer de permis, ini iat la sfâr itul transmiterii pachetului


Pe baza acestor ipoteze s-a alc tuit figura 3.6.25 ce reprezint schema de principiu a re elei analizate precum i principalele etape întâlnite pe parcursul func ion rii sale. Se observ , astfel, cum pachetul generat de sta ia #2, de in toare a permisului, începe s se propage în mediul de comunicare (a),ajunge s fie recep ionat de sta ia de destina ie i apoi de sta ia surs i se sfâr e te în faza (c), ultimul s u bit fiind urmat îndeaproape de transferarea permisului (d i e). Conform descrierii de mai sus i inând cont c fiecare sta ie este înzestrat cu o memorie tampon de înmagazinare a pachetelor recep ionate dinspre terminale înseamn c întârzierea medie prin re ea este dat de rela ia:

E E ET W P (3.6.55)

unde variabilele aleatorii T , W , i P reprezint întârzierea unui pachet prin re ea, timpul de a teptare al unui pachet în memoria tampon pân s înceaptransmisia sa, timpul de transmisie i durata propag rii prin re ea pân la sta iadestina ie. Media timpului de a teptare în memoria tampon a unui pachet nou sosit în sistem depinde la rândul s u de mai multe variabile, expresia sa de calcul fiind de forma:

E E E Er qW TRT N TRT (3.6.56)

În cadrul acestei expresii, m rimile TRT , rTRT i qN sunt variabile aleatorii care reprezint , pe rând: timpul necesar unei rotiri complete a permisului TRT (Token Rotation Time) din momentul eliber rii i pân în momentul reprimirii sale de c tre aceea i sta ie; timpul r mas (rezidual) din momentul intr rii unui client (pachet) i pân în momentul în care sta ia respectiv prime te permisul; num rul de pachete memorate în tamponul unei sta ii în momentul sosirii unui nou pachet. Aplicând formula (rela ia) lui Little, media ultimei variabile aleatorii, enumerat anterior este dat de:

E EqN W (3.6.57)

În ceea ce prive te variabila aleatorie TRT , media sa este: E TRT S n r (3.6.58)

depinzând, în general de: - num rul mediu de sta ii active, care transmit pachete pe durata , adic

de traficul servit S ,- durata r de transmitere a permisului sta iei vecine, - timpul de propagare, , de-a lungul întregii re ele care, în aceast

expresie, poate fi neglijat . Deoarece re eaua analizat se presupune c func ioneaz în regim sta ionar din punct de vedere statistic, între m rimile E TRT i S se mai poate stabili o rela ie derivat din faptul c într-un interval dat, num rul mediu de clien ice p r sesc re eaua trebuie s egaleze num rul celor ce intr în aceasta.


Considerând intervalul de timp de valoare E TRT înseamn c :ES n TRT (3.6.59)

deoarece membrul stâng al egalit ii reprezint num rul mediu de clien i ce p r sesc re eaua fiind "elibera i" de sta iile active, iar membrul drept reprezintnum rul mediu corespunz tor de clien i ce intr în re ea prin oricare din sta iileacesteia (de aici i rata total de intrare, n ). Cu ajutorul acestei rela ii, (3.6.59) se face substitu ia de rigoare în rela ia(3.6.58) ob inându-se, în final:

E1

n rTRTn

(3.6.60)

Ca exemplificare a modului în care variaz media timpului de rotire complet a permisului, s-a considerat o re ea (LAN) cu capacitatea de 10 Mbit/sec, în care pachetele i permisul au lungimile de 1000 bi i, respectiv 20 bi i, i s-au trasat curbele din figura 3.6.26. Cele dou curbe con inute în aceastfigur prezint câte o asimptot vertical care corespunde situa iei în care traficul primit de sta ii spre a fi transferat egaleaz capacitatea re elei.

Tema 3.6.21 Determina i pozi iile exacte ale celor dou asimptote verticale, corespunz toare situa iilor ilustrate figura 3.6.26.

* * * O alt m rime con inut în rela ia (3.6.56), pentru care trebuie sdetermin m o formul de calcul, este timpul rezidual r mas pân la primirea permisului din momentul sosirii unui client (pachet). Luând în considerare ipoteza conform c reia nodurile destina ie sunt echiprobabile înseamn c :

EE

2rTRT

TRT (3.6.61)

rela ie care, al turi de cele deduse anterior, permite scrierea urm toarei rela ii de determinare a mediei timpului de a teptare în memoria tampon:

10

(pachete/sec

TRTE100N

50N

8

6

4

2

0

50 100 150 200

(sec)

Figura 3.6.26: Media timpului de rotire complet a permisului func ie de rata sosirilor (servirilor), raportat la un nod al unei re ele token ring


E1E2 1 E

TRTW

TRT (3.6.62)

Cu ajutorul acestei rela ii i inând cont c media duratei de propagare are valoarea 2 (din ipoteza destina iilor echiprobabile) putem exprima, în final, întârzierea medie prin re ea astfel:

1E2 1 ( ) 2

n rTn r

(3.6.63)

Considerând o re ea compus din 100 de sta ii, figura 3.6.27 reprezintcaracteristicile întârzierii medii func ie de traficul servit, pentru trei valori ale vitezei de transmisie: 4, 10 i 16 Mbit/sec. Pachetele vehiculate au aceea idimensiune, lungimea lor fiind de 1000 de bi i. Prima familie de curbe con inute în sec iunea (a) a figurii 3.6.27 pune în eviden un rezultat a teptat i anume c la acela i trafic servit întârzierea medie este invers propor ional cu cre terea vitezei de transmisie în re ea (ceea ce este în avantajul utilizatorului). Acest avantaj este îns , conform sec iunii (b) a aceleia i figuri 3.6.27, ob inut cu pre ul unei mai slabe utiliz ri a mediului de comunicare (ceea ce este în dezavantajul furnizorului). Cauza acestor tendin e contrare, urmare a varia iei vitezei de transmisie o constituie întârzierea de propagare (care controleaz lungimea efectiv a canalului) a c rei pondere în procesul de transfer al unui pachet devine tot mai semnificativ odat cu cre terea vitezei de transmisie (desigur, în condi iile p str rii distan elor între sta ii).

Tema 3.6.22 Verifica i corectitudinea rela iilor care ofer utilizarea mediului atunci când

1a i se utilizeaz unul din cele dou criterii de transferare a permisului. * * *

Tema 3.6.23Fie o re ea Token Ring în care permisul este transferat imediat dup

0,2 0,4 0,6 0,8 1E

Trafic servit

E[T] msec

4 Mbi i/sec

10 Mbi i/sec

16 Mbi i/sec

(b)

0

5

10

15

20

0

5

10

15

20

5 10 15

10 16Mbi i/sec

E[T] msec (a)

pach/sec1020 4

Trafic servit (pachete de câte 1000bi I)

4

Figura 3.6.27: Întârzierea medie într-o re ea token ring func ie de traficul servit exprimat în: (a) pachete pe secund i (b) unit i Erlang


transmiterea pachetului. Re eaua are o lungime de 1000 m i deserve te 10 sta ii egal dep rtate care transmit cu viteza de 4 Mbit/sec. Presupunând c pachetele sunt de lungime constant i c sta iile sunt ocupate permanent, calcula i traficul servit în pachete/sec dac :- pachetele sunt de 2000 de octe i iar permisul are lungimea zero; - pachetele sunt de 2000 de octe i iar permisul este de 20 de octe i;- pachetele sunt de 50 de octe i iar permisul are lungimea zero; - pachetele sunt de 50 de octe i iar permisul este de 20 de octe i.

Viteza de propagare se consider a fi de 8102 m/sec.

3.6.4 Accesul cu multiplexare în cod Eforturile întreprinse în domeniul re elelor celulare, vizând dep irea performan elor oferite de sistemele SDMA/FDMA/TDMA au luat în considerare, ca modalitate de transmisiune în zona de acces, modula ia cu spectru împr tiat, rezultatul final fiind sistemele CDMA (Code Divizion Multiple Access).Folosind acest gen de transmisiune, toate semnalele simultane, propagate prin unde radio, de la o sta ie de baz la sta iile mobile arondate sau viceversa, au fiecare un spectru care se desf oar pe întreaga band alocat sistemului în cauz , unicul criteriu de diferen iere fiind codul folosit în faza de modulare.

3.6.4.1 Modula ia cu spectru împr tiat Cre terea protec iei la zgomot, în cazul transmisiunilor digitale, const în cre terea raportul dintre energia pe bit i densitatea de putere a zgomotului,

ob NE , c ile urmate putând fi: m rirea puterii la emisie, introducerea unor bi i redundan i.

Astfel, în prima variant , considerând o modula ie binar cu schimb de faz BPSK (Binary Phase Shift Keying), un zgomot alb aditiv tip Gauss (AWGN), de medie 0 i devia ie standard , i un raport semnal-zgomot 0ZS dB,cre terea puterii la emisie cu 7 dB (adic de 5 ori!) conduce la o sc dere a ratei bi ilor erona i (BER) de la 16% la 1,3%. Într-adev r, de exemplu, pentru un

dB0ZS)(zZf

0 z [volt]

dB7ZS

z [volt]

)(zZf

02 2

Figura 3.6.28: Cre terea protec iei la zgomot prin cre terea puterii semnalului


impuls pozitiv, la amplitudinea sa, de valoare (pentru a respecta condi ia0ZS ), se poate ad uga, ca în figura 3.6.28, o tensiune de zgomot a c rei

densitate de probabilitate corespunde liniei continue, decizia eronat luându-se atunci când amplitudinea zgomotului este sub valoarea pentru 0ZS dB i

sub 5 pentru 7ZS dB.

Tema 3.6.24 Justifica i valorile precizate anterior pentru m rimea BER.

* * * În ceea ce prive te a doua cale, aceea i reducere a BER se poate ob inedac redundan a const în repetarea de acela i num r de ori, la emisie, a fiec rui impuls corespunz tor, în cazul modula iei considerate, fiec rui bit, cu de câte ori a fost crescut puterea în varianta precedent , r mânând ca, la destina ie, semnalele recep ionate, corespunz toare respectivele simboluri, s fie însumate. Discu ia anterioar a considerat c viteza de semnalizare este aceea i în ambele cazuri, cu alte cuvinte sursa de informa ie este de 5 ori mai "lent " atunci când pentru fiecare simbol (bit) se trimite repetat impulsul corespunz tor. Prin urmare, dac ne raport m la acela i gen de surs , repetarea se traduce în cre terea propor ional a vitezei de semnalizare, ceea ce conduce, implicit, i la o cre tere, împr tiere, pe m sur a spectrului. În aceste condi ii, banda de lucru corespunz toare noului spectru se g se te în acela i raport (5, în exemplul considerat) cu banda de lucru a spectrului originar, ceea ce face ca raportul dintre energia pe bit i puterea zgomotului ob NE s nu se modifice, deoarece f r repetare avem b oE N , iar cu repetare: 5 5b oE N . Raportul dintre banda de împr tiere, cB , i banda util a semnalului (sau debitul binar, bR , de aceea i valoare în cazul respect rii condi iei Nyquist) poartdenumirea de câ tigul împr tierii (spreading gain), iar num rul de impulsuri asociate unui simbol se nume te câ tigul prelucr rii (processing gain)secven ei originare. Fiecare impuls se nume te chip (a chie), rata de transmitere a chip-urilor (chip transmisson rate/chipping rate), fiind în cazul standardului cdmaOne de 1.228.800 chip/s, pentru un debit binar de 19.200 bit/sec.

Tema 3.6.25 Cât este câ tigul de prelucrare, exprimat în dB, în cazul standardului cdmaOne?

* * * Conform celor precizate mai sus, modula ia cu spectru împr tiat nu aduce îmbun t iri în ceea ce prive te m rimea BER, comparativ cu o modula ief r spectru împr tiat echivalent , obiectivele sale fiind cre terea rezisten ei la o interferen de band îngust i posibilitatea "camufl rii" semnalului sub aparen aunui zgomot, adic uniformizarea spectrului s u, înso it de o secretizare a


comunica iei. Cele dou cerin e ale "camufl rii" dep esc, îns , posibilit ile repet rii, motiv pentru care se recurge la un alt gen de opera ie care, conform figurii 3.6.29, const în înmul irea semnalului )(ta , în banda de baz , cu o secven special , )(tp , numit cod de aleatorizare, de generare pseudozgomot, rezultatul final fiind o succesiune de chip-uri, )(tc .

Adoptând modula ia cu spectru împr tiat, accesul multiplu în cod, folosit în aplica ii comerciale sau domestice, const , la modul principial, în alocarea unui cod pseudozgomot, distinct, pentru fiecare conexiune simultan . În acest fel, de itoate leg turile utilizeaz aceea i band , informa ia transferat printr-una din ele se poate reface la destina ie întrucât, din punctul s u de vedere, celelalte leg turi reprezint zgomot. Desigur, cu cât num rul leg turilor simultane cre te, zgomotul devine tot mai puternic, motiv pentru care, în vederea men inerii unei calit iacceptabile a transmisiunii, se iau o serie de m suri, precum limitarea num ruluide leg turi simultane i reglarea puterii la emisie.

3.6.4.2 Coduri pseudozgomot Codurile pseudozgomot (de aleatorizare) au rolul, pe de o parte, de a înzestra semnalul emis de transmi tor cu propriet i spectrale asem n toare zgomotului alb (de unde atributul de pseudo), iar pe de alt parte, de a permite ca, la recep ie, s se poat extrage, din spectrul comun mai multor transmisiuni simultane, semnalul destinat receptorului în cauz . Astfel, luând în considerare doar dou transmisiuni simultane, rezultatul fiind, prin extrapolare, valabil i în cazul general, adopt m urm toarele nota ii:

a : unul din bi ii transmi i pe una din leg turi, cu:

1/Ta = debitul binar; 1/Tp = debitul chip-urilor; n = câ tigul împr tierii

+1

-1

0

n x TpTp

t

p(t)

+1

-1

0 t

c(t)

+1

-1

0 t

Taa(t)

Secvenbinar

Codpseudozgomot

Succesiunecorespunz toare

de chip-uri

Figura 3.6.29: Principiul modula iei cu spectru împr tiat


- 1, , np p : secven a/codul pseudozgomot corespunz toare cu

1kp , cu nk ,1 , i

- )()(1 ,, a

na cc : secven a de chip-uri rezultat din opera ia k

ak pac )( ,

b : bitul corespunz tor în timp bitului a , dar apar inând celeilalte leg turi, pentru care: - nqq ,,1 : secven a/codul pseudozgomot corespunz toare cu

1kq , cu nk ,1 , i

- )()(1 ,, b

nb cc : secven a de chip-uri rezultat din opera ia k

bk qbc )( .

Mecanismul de recuperare a secven ei originare, adic , de exemplu, a bitului a , const în înmul irea secven ei recep ionate, de chip-uri, cu codul asociat leg turii, adic npp ,,1 i împ r irea la n . Deci, la recep ie:

n

k

n

k

n

kkk

kkk

n

k

n

kkkk

bk

akk

n

qpbaqp

nbp

na

bqappn

ccpn

a

1 1

12

1 1

)()(rec

11

)(11

(3.6.64)

În ultima form a rela iei (3.6.64) se reg se te i bitul b , dar, dacsecven ele de cod sunt slab corelate, adic :

nqpn

kkk

1 (3.6.65)

atunci contribu ia celui de al doilea termen este nesemnificativ . Condi ia (3.6.65) este îndeplinit în cazul în care, pe post de coduri pseudozgomot, se utilizeaz secven e pseudoaleatorii sau coduri ortogonale,ambele solu ii urmând s fie descrise în continuare.

3.6.4.2.1 Secven e binare pseudoaleatorii Secven ele binare pseudoaleatorii sunt acele succesiuni de bi i care prezint însu iri statistice apropiate de cele ale secven elor aleatorii pure, fiind îns , spre deosebire de acestea, generate prin intermediul unui mecanism determinist. Însu irile avute în vedere, traduse în cazul pseudoaleatoriu sunt:

echilibrul bi ilor, în cadrul unei secven e num rul de elemente "0" difer cu cel mult unu de num rul elementelor de "1", men inerea valorii de la un bit la altul urmeaz o distribu ie geometric în sensul c , din num rul total de apari ii succesive (run) de aceea i valoare ("0" sau "1") 21 au o lungime (run

length) de 1 bit, 41 de 2 bi i, 81 de 3 bi i, …, n21 de n bi i,corela ia a dou secven e diferite este apropiat de (în cazul ideal, egal cu) zero.

În ceea ce prive te caracterul determinist al mecanismului de generare,


acesta este obligatoriu pentru ca recuperarea semnalului originar s fie posibil .Într-adev r, numai în aceast situa ie cele dou secven e pseudozgomot, de la emisie i de la recep ie, sunt identice (vezi rela ia 3.6.64) Secven ele binare pseudoaleatorii se genereaz uzual, în manierhardware, cu ajutorul registrelor de deplasare cu reac ie liniar (buclele de reac ie con in doar sumatoare modulo 2). Figura 3.6.30 prezint un exemplu de generator de cod pseudozgomot. În general, o secven generat de un registru cu r celule (memorii cu dou st ri) are o lungime care poate fi cel mult egal cu o lungime maxim de

12r bi i, lungimea reprezentând num rul de bi i dup care secven a este reluat . Valorile precizate pe intr rile de SET ale celulelor reprezint originea (seed) secven ei, adic "punctul" de unde începe s fie reprodus secven a în cauz .

Tema 3.6.26 Preciza i dac generatorul din figura 3.6.30 produce secven epseudoaleatorii, i anume dac însu irile precizate anterior sunt verificate. Pentru calcularea corela iei se va folosi rela ia: nnn ds )(COR , în care n este lungimea secven ei, sn este num rul de pozi ii în care cele dou secven econsiderate au bi i similari, iar dn este num rul de pozi ii în care cele dousecven e considerate au bi i diferi i.

* * * Tema 3.6.27 Realiza i schema unui generator de secven pseudoaleatorie cu 4 celule a c rei func ie logic este 41 nnn aaa i preciza i care este succesiunea de bi i la ie irea acestuia, dac valorile cu care sunt fixate ie irile celulelor, la momentul ini ial, sunt 1011.

3.6.4.2.2 Coduri ortogonale Codurile ortogonale sunt codurile ale c ror cuvinte respect rela ia:

kiL

kiccCC

L

jjkjiki

pentru

pentru0,,

1,, (3.6.66)

an an-1 an-2 an-3 an-4

0001

CKSET SET SET

Func ia logic : an = an-3 + an-4

Seed

SET

Figura 3.6.30: Exemplu de generator de secven binar pseudoaleatorie


unde ki CC , sunt dou cuvinte distincte, de lungime L , iar jic , i jkc , sunt simbolurile de pe pozi ia j din cadrul cuvântului iC i respectiv kC . În consecin , dac , în locul secven elor pseudoaleatorii kp i kq , din rela ia (3.6.66), se consider dou cuvinte distincte ale unui cod ortogonal, atunci înseamn c , în acest caz, la recep ia unde se "a teapt " bitul a, bitul b va fi anulat într-o manier cert i nu statistic .

Codurile Hadamard-Walsh constituie un exemplu de coduri ortogonale. Ele se ob in plecând de la matricea de referin :

11

112H

i aplicând rela ia de recuren :

2 1 2 12

2 1 2 1

n n

n

n n

H HH

H HTema 3.6.28 Determina i cuvintele apar inând unui cod Hadamard-Walsh astfel încât num rul maxim de semnale acceptate spre a fi transmise simultan folosind tehnica CDMA s fie 8.

3.6.4.3 Capacitatea i controlul puterii Capacitatea unei re ele radio de acces, cu un singur punct (server) de leg tur la re eaua de transport, [34], este dat de num rul maxim de conexiuni ce se pot desf ura simultan, în condi iile garant rii unei anumite calit i a transmisiunii. Indicatorii echivalen i, avu i în vedere, sunt BER sau raportul 0IEb în banda de baz , unde bE [ sW ] este energia pe bit, iar

0I [W/Hz] este densitatea spectral de putere a interferen ei plus zgomot. Dintre ace ti indicatori, cel din urm este direct legat de m rimea m surabil SIR, adicraportul dintre semnalul util i interferen (Signal to Interferece Ratio), prin rela ia:

0

0

b b b

c c b

E R E ISIR

I B B R (3.6.67)

în care bR este rata secven ei binare originare, iar cB este banda de împr tiere. În cazul aplic rii tehnicii CDMA, raportul SIR, care prive te un anumit utilizator, u , este dat de expresia:

( )

( )

uR

vRv u

PSIRP n

(3.6.68)

în care )(uRP i )(v

RP sunt puterile recep ionate pe leg tura înapoi (backward link), ale semnalelor emise de utilizatorii u i v , iar n este puterea zgomotului.


Presupunând c toate puterile recep ionate au aceea i valoare RP(adic accesul este înso it de un control al puterii de emisie al sta iilor mobile), rela ia anterioar devine:

( 1)R

R

PSIR

P n (3.6.69)

unde este num rul de utilizatori care sunt activi simultan. Plecând de la rela ia (3.6.69) se ajunge la urm toarea formul :

11SIR

nPR (3.6.70)

cu reprezentarea grafic din figura 3.6.31(a). Se poate observa, din aceastreprezentare, c indiferent cât de mult ar cre te puterea semnalului recep ionat,

RP , capacitatea unui sistem CDMA este limitat la valoarea 11 SIR .

În sens invers, pe leg tura înainte (forward link), puterea la recep ie, RP ,este legat de puterea la emisie, destinat utilizatorului u , prin rela ia:

uu

Tu

R LPP )()( (3.6.71)

în care uL este pierderea pe calea radio asociat . Prin urmare, puterea la emisie pe leg tura înainte, adic de la sta ia de baz la sta ia mobil , este dat de rela ia:

uu

Ru

T LPP )()( (3.6.72)

În ceea ce prive te puterea total de emisie de pe leg tura înainte(forward link), de la sta ia de baz c tre toate sta iile mobile, rela ia sa de calcul se determin plecând de la rela ia (3.6.68), rescris inând cont de rela ia(3.6.71), adic :

uuv

vv

Tuu

T nLPLPSIR

)()(1 (3.6.73)

de unde, prin împ r ire la uL i însumare dup to i utilizatorii se ajunge la expresia:

RP

11SIR

(a) leg tura înapoi (backward link)

)all(TP

11SIR

(b) leg tura înainte (forward link)

Figura 3.6.31: Cerin e privind puterea recep ionat ,respectiv puterea total de transmisie în cazul CDMA


u u

u

v

vT

u

uT L

nPPSIR

)()( )1(1 (3.6.74)

în care:

( )

u

uu

nN

L este zgomotul total, ce corespunde tuturor utilizatorilor, ca i

cum acesta ar fi difuzat de îns i antena de emisie, iar ( ) ( )

( )

u allT T

uP P este puterea total de emisie a sta iei centrale.

Prin urmare, avem o rela ie asem n toare, adic :

11)(

SIR

NP allT (3.6.75)

cu excep ia faptului c zgomotul total, N , nu mai este constant ci propor ional cu num rul de utilizatori, curba corespunz toare din figura 3.6.31(b) având în origine, în locul asimptotei orizontale, o asimptotic oblic . Analiza privind leg tura înapoi a considerat c , în cazul rela iei (3.6.69), toate puterile recep ionate sunt egale. Acest lucru este adev rat dac în cadrul sistemelor CDMA se aplic un control al puterii la emisie al sta iilor mobile. În caz contrar, dac puterea la emisie este aceea i, se manifest efectul de aproape-îndep rtat (near-far effect), semnalele provenite de la sta ii îndep rtate fiind cu mult mai slabe decât cele din proximitatea sta iei de baz , putându-se ajunge de exemplu i pân la diferen e de 80 dB în cazul în care un emi tor este de 100 de ori mai apropiat decât cel lalt, ceea ce face imposibil transmisiunea.

Controlul puterii pe leg tura înapoi are menirea de a compensa pierderile pe calea radio care sunt propor ionale cu puterea a 4-a a distan ei r ,dintre emi tor i receptor. Într-adev r, considerând:

puterea la emisie:0

0

2( ) ( )2

( )df Bu u

TT TBP G S f f (3.6.76)

cu: TG câ tigul antenei la emisie,

0f frecven a central a benzii de lucru, B ,

)()( fS uT densitatea spectral de putere a semnalului, considerat f r a

pierde din generalitate, de valoare constant în banda de lucru. puterea la recep ie:

)(),(4 2

)()( fAfrC

rP

P e

uTu

R (3.6.77)

cu:fr

kfrC 2),( este caracteristica mediului,

2

2

4)(

fGcfA R

e este apertura efectiv a antenei de recep ie,


c viteza luminii,

RG câ tigul antenei la recep ie.Prin urmare, f când substitu iile i calculele de rigoare se ajunge la expresia:

2( )

2 223

00

1

41

2

u T RR

k c G GP

r Bff

(3.6.78)

care precizeaz respectiva dependen , legea considerat de controlul puterii pe leg tura înapoi fiind, în consecin :

4(max))(

RrPP u

Tu

T (3.6.79)

unde: )(uTP este puterea de emisie în sta ia mobil , u ,

ur este distan a dintre sta ia mobil u i sta ia de baz ,R este distan a maxim acoperit de sta ia de baz ,

(max)TP este puterea maxim a semnalului generat de o sta ie mobil .

Alegând aceast ultim rela ie, (3.6.79), rezultatul raportului SIR este acela i pentru to i utilizatorii, fiind cel precizat de rela ia (3.6.69), la a c reiob inere s-a presupus existen a unui astfel de mecanism de control al puterii.

Tema 3.6.29 Determina i num rul maxim de utilizatori activi, care î i pot desf ura sesiunile de comunicare în mod corespunz tor, folosind drept acces un sistem CDMA cu un singur server i cu control al puterii, dac : - 0IEb acceptabil este de 7 dB, - banda de lucru este 25,1B MHz, - semnalele în banda de baz au fiecare un debit de 8 kbit/sec, - puterea maxim de emisie a sta iilor mobile este de10 mW, - cel mai îndep rtat utilizator se afl la o distan de 2 km de sta ia central .

3.6.4.4 Probabilitatea întreruperii Din cele prezentate în sec iunea anterioar se desprinde concluzia cindiferent cât de mult, dac ar fi posibil, am cre te puterea de emisie, capacitatea unui sistem CDMA nu poate dep i o anumit valoare, i aceasta decât în condi iile reducerii raportului SIR, cea ce, sub anumite limite, face ca respectivul sistem CDMA s func ioneze necorespunz tor, anume "cu întreruperi". Prin urmare, în vederea evit rii stricte a acestei situa ii, sau m car a men inerii în limite acceptabile de apari ie, de exemplu cu o probabilitate de pân la 210 ,numit probabilitatea întreruperii, sistemul trebuie s dispun de un mecanism de control al admiterii unei conexiuni AC (Admission Control), care, în func ie de modul în care este satisf cut o anumit condi ie, s decid dac o noucerere de conexiune poate sau nu s fie acceptat . Una din ipotezele fundamentale de lucru considerate în stabilirea


respectivei condi ii este dac se ine cont, implicit sau explicit, de o valoare maxim a puterii de emisie. În ambele cazuri exist diverse modele matematice, dintre care câteva urmeaz a fi prezentate în continuare.

3.6.4.4.1 Modele dependente implicit de puterea la emisie În primul caz, cel al evit rii stricte, rela ia avut în vedere de c tre mecanismul de control al admiterii unei conexiuni respect , conform figurii 3.6.31, rela ia:

111

min0min IERB

SIR b

bc (3.6.80)

În al doilea caz, cel în care apari ia întreruperilor este men inut în limite acceptabile, mecanismul se bazeaz pe propriet ile statistice ale surselor de trafic, care nu genereaz continuu informa ie. Propriet ile statistice ale surselor de trafic deriv în urma adopt rii unui anumit model abstract, de surs , cel mai uzual, atât pentru semnalul de voce cât i cel de date, fiind modelul de surs On-OFF. Acest model (figura 3.6.32) reprezint un proces aleatoriu, )(tX ,cu 2 st ri: ON, care corespunde st rii active a sursei, când ea genereaz trafic cu un debit constant, bR , i OFF, corespunz toare st rii de repaus, când debitul sursei este nul. În starea ON procesul st pe o durat medie 1 , iar în starea OFF pe o durat medie 1 . Drept exemplificare, Tabelul 3.6.1 con ine valorile numerice ale parametrilor de trafic ce sunt caracteristice câtorva surse de trafic ON/OFF.

Tabelul 3.6.1: Parametri de trafic pentru surse ON/OFF

Tipul traficului [sec-1] [sec-1] Rb [Mbit/sec] Voce (semnal telefonic) 1 / 0,352 1 / 0,650 0,064 Imagine (f r schimb ri bru te) 3,9/(1 + 5,045[20]) 3,9 – s 0,75 + 3,9 [20] Date (transfer de fi iere) 1 / 0,1 1 / 1 2

Plecând de la acest modelul de sursa de trafic, evitarea "nestrict " a întreruperii se poate realiz folosind una din metodele prezentate în continuare:

metoda limit rii interferen ei medii, AILM (Average InterferenceLimited Method), care ia în considerare, conform denumirii, doar valoarea medie a traficului. În consecin , criteriul de acceptare a unei conexiuni este:

1min0IERB

b

bc , cu OFFON

ON

EEE

TTT (3.6.81)

OFF ON

Figura 3.6.32: Modelul de surs ON-OFF


unde m rimea reprezint factorul de activitate, adic probabilitatea de apari ie a st rii ON i este evaluat prin intermediul valorilor medii ale duratelor de activitate, OFFE 1T , i de repaus, ONE 1T .

Tema 3.6.30 Considerând un câ tig al împr tierii de 20 dB i un raport 0IEb de minim 10 dB, determina i, aplicând formula Erlang-B, care este probabilitatea ca o cerere de conexiune s fie respins , dac cererile sosesc, în medie, câte una pe secund i, în caz de acceptare, ele se men in pe o durat medie de 2 min.

* * * metoda limit rii statistice a interferen ei SILM (Statistical

Interference Limited Methode), este ceva mai complex , având în vedere procesul )(tX , corespunz tor sumei surselor ON-OFF, )(tXi , admise de sistem. Criteriul de acceptare în acest caz este ca rela ia (3.6.80) s nu se respecte cu o probabilitatea egal cu cel mult o valoare impus , limP , acceptatde utilizatori:

limmax)( PtXP (3.6.82) Termenul din stânga inegalit ii (3.6.82), notat outP , reprezint

probabilitatea întreruperii transmisiunii (outage probability). Aceastprobabilitate se calculeaz plecând de la anumite ipoteze. Astfel, presupunând c duratele ON i OFF urmeaz distribu ii exponen iale de medie 1 , irespectiv 1 , înseamn c procesul )(tX corespunde modelului Engset în care num rul unit ilor de servire este egal cu cel al utilizatorilor. Prin urmare, probabilitatea ca din cei n utilizatori admi i în sistemul CDMA, doar j s fie activi este dat de rela ia:

(1 )

j

j nn

pj

cu (3.6.83)

care se poate scrie i în forma:

11 1

j n j

jn

pj

(3.6.84)

ceea ce reprezint legea de distribu ie binomial corespunz toare unei sume de n variabile aleatorii, distribuite dup o lege Bernoulli de parametru

(1 ) ( ) , adic cei n utilizatori în servire cu factorul lor de activitate aferent. Atunci când n este suficient de mare ( 20n ) distribu ia binomial se poate aproxima folosind distribu ia Poisson, cu o formul de calcul ceva mai simpl :

( ) exp( )!

j

jnp n

j (3.6.85)

Având în vedere aceast ultim rela ie, formula c utat de evaluare a probabilit ii de întrerupere a transmisiunii este:


max

out max0

( )1 Pr ( ) 1 e!

jn

j

nP X tj

(3.6.86)

Tema 3.6.31tiind c un sistem CDMA cu o singur sta ie de baz se caracterizeaz

printr-un câ tig al împr tierii de 30 dB i un raport 0IEb de 7 dB, s se determine: - num rul maxim de utilizatori admi i în sistem astfel încât probabilitatea de întrerupere a transmisiunii s fie de cel mult 1%, - probabilitatea respingerii unei cereri de conexiune în cazul în care cererile sosesc cu o rat de 2 cereri/sec, iar o conexiune dureaz , în medie, 3 minute.

3.6.4.4.2 Model dependent explicit de puterea la emisie În cazul consider rii explicite a puterii maxime la emisie este necesarluarea în calcul atât a distan ei, x , dintre sta ia mobil de referin i sta ia de baz , de care depinde atenuarea pe cale, cât i de num rul, k , de sta ii mobile active, de care depinde interferen a, probabilitatea întreruperii putând fi exprimatsub forma:

max ( ) E ( )( , )

VAR ( ) VAR

T Rout

R

p x p kp x k Q

p k z (3.6.87)

unde: - maxTp puterea maxim de transmisie a sta iei mobile, - ( )x atenuarea pe cale, - ( )Rp k puterea recep ionat a semnalului emis de sta ia mobil , - z fadingul lent, cu distribu ie normal , - )(Q func ia "coad " (queue) a distribu iei Gauss de medie 0 ivarian 1 (vezi Anexa D). Prin urmare, probabilitatea întreruperii func ie doar de num rul de sta iimobile active, indiferent de localizarea lor este (aplicând formula probabilit iitotale):

0

( ) ( , ) ( )dcout out Rp k p x k f x x (3.6.88)

cu: )(xfcR densitatea de probabilitate a razei corespunz toare a ariei de

acoperire (coverage area) a celor k utilizatori. Considerând num rul de sta ii active, aK , repartizate aleatoriu într-o ariea , variabil aleatorie de tip Poisson:

( )Pr e!

ka

aaK kk

(3.6.89)

unde reprezint intensitatea spa ial a traficului, adic num rul de cereri pe km2, rezult c aria minim , A , care con ine un num r de k sta ii active (vezi


figura 3.6.33) este o variabil aleatorie de tip Erlang-k, cu densitatea de probabilitate:

1( )( ) e( 1)!

ka

Aaf a

k (3.6.90)

Prin urmare, în ceea ce prive te raza de acoperire a celor k utilizatori, densitatea sa de probabilitate are expresia:

2 122 ( )( ) exp( )

( 1)!c

k

Rx xf x xk

(3.6.91)

Figura 3.6.34 prezint curba de varia ie a densit ii de probabilitate a razei de acoperire pentru un num r constant, 20, de utilizatori i pentru 3 valori ale intensit ii spa iale a traficului. Conform acestor curbe, raza de acoperire este mult mai precis precizat în cazul intensit ilor ridicate de trafic (ce corespund în fapt zonelor dens populate) fa de cazul intensit ilor sc zute. În acest moment, calculele din rela ia (3.6.88) pot fi efectuate, m rimea kstabilindu-se din condi ia limoutP p .

a BTS

x

Cea mai îndep rtatsta ie mobil deservit

Sta ii ale c ror apeluri sunt respinse

1

k

Figura 3.6.33: Celul CDMA ce deserve te k utilizatori

Raza celulei [km]

Den

sita

tea

de p

roba

bilit

ate

a ra

zei c

elul

ei

0

2

4

6

8

12

14

16

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

10 Intensitatea traficului

[apeluri/km2]

10

50

100

Figura 3.6.34: Densitatea de probabilitate a razei de acoperire pentru diverse intensit i spa iale de trafic


Din expunerea de mai sus reiese c , în cazul CDMA, capacitatea are o natur dinamic (soft capacity) care depinde de caracteristicile de trafic. Astfel, conform figurii 3.6.35, panta de cre tere a probabilit ii de întrerupere este redus pân când este atins un punct de la care cre terea devine abrupt(exponen ial ). Acest punct este tot mai aproape de origine cu cât intensitatea spa ial a traficului cre te, la limit ( ) curba reprezentând func iatreapt , )(tu . Mai mult, din aceea i figur rezult c , în condi iile impunerii unei probabilit i de întrerupere fix , varia iile de trafic influen eaz dimensiunea ariei de acoperire, fenomenul în cauz purtând denumirea de respira ia celulei (cell breathing).

Un alt rezultat important este prezentat în figura 3.6.36, acesta fiind util în planificarea unei re ele CDMA. Este vorba de distan a maxim la care se poate g si o sta ie mobil fa de sta ia de baz în condi iile men inerii unei anumite probabilit i de întrerupere i la o anumit valoarea intensit ii spa iale a traficului. De remarcat c la valori mari ale intensit ii spa iale a traficului distan a maxim

Raza celulei [km]

Probabilitatea de întrerupere

Intensitatea traficului [apeluri/km2]

0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

0,05

0,10

0,15

0,20

1050100

Figura 3.6.35: Influen a intensit ii spa iale a traficului asupra ariei de acoperire i a probabilit ii de întrerupere

Distan a pân la BTS [km]

0,2

Prob. întrerupere maxim

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0,0010,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

1,6 1,8

0

0,01 0,1

Intensitatea traficului [apeluri/km2]

Figura 3.6.36: Planificarea re elei CDMA pe baza traficului


scade la câteva sute de metri i este tot mai pu in dependent de pragul impus probabilit ii de întrerupere.

Tema 3.6.32tiind c intensitatea spa ial a traficului este de 210 apeluri/km ,

determina i probabilitatea ca raza de acoperire a exact 2 sta ii mobile active s fie de 0,8 km .

Anexa D:

Distribu ia gaussian(normal )

Principalele caracteristici ale distribu iei gaussian sunt urm toarele: Spa iul realiz rilor: ,XS .

Parametrii: media, 2 varian a.

Func ia densitate de probabilitate: 0,2

exp2

1)( 2

2xxfX .

Func ia de distribu ie:x

xt

x xttxxxFX.not2

2

2d

2exp

21d

2exp

21)( .

unde )(x este func ia de distribu ie a unei variabile aleatorie gaussiene de parametri 0 i 1. În practic , se obi nuie te a se lucra cu func ia )(xQ("coada" distribu iei) definit astfel:

2 21( ) 1 ( ) e d2

t

x

Q x x t .

Valorile acestei func ii se ob in prin integrare numeric . Urmare a simetriei pare a lui )(xfX (vezi figura D-1), rezult :

)()( xxQ i )(1)( xxQ

Pentru x0 se poate utiliza aproxima ia (cu 1/a i 2b ) [Borj79]:

21

2 2e21)( xbxaxaxQ (D.1)

Media: XE .


Varian a: 2VAR X .

Func ia caracteristic :2 2

( ) exp2X j

Aplica ii: - modeleaz distribu ia de amplitudine a zgomotului termic; - modeleaz func ionarea multiplexoarelor statistice; - aproximeaz distribu ia binomial etc.

Tabelul D-1 ofer valorile lui x pentru care kxQ 10)( , iar tabelul D-2 prezint câteva valori ale func iei )(xQ ob inute prin ambele metode.

Tabelul D-1: Valorile argumentului x al func iei kxQ 10)( pentru câteva valori ale exponentului k

k x = Q-1 (10-k) k x = Q-1 (10-k)1 1.2815 6 4.7535 2 2.3263 7 5.1993 3 3.0902 8 5.6120 4 3.7190 9 5.9978 5 4.2649 10 6.3613

0.05

)(tfX

t0

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

- 4 - 3 - 2 - 1 0 1 x 2 3 4

68%95%

99,7%

)(x)(1)( xxQ

Figura D.1: Func ia densitate de probabilitate a unei variabile aleatorie Gauss, N(0,1)

Anexe 3

Tabelul D-2: Compara ie între Q(x) i aproximarea dat de rela ia (D.1)

x Q(x) Aproximarea x Q(x) Aproximarea 0.0 5.00 10 1 5.00 10 1 2.7 3.47 310 3.46 3100.1 4.60 10 1 4.58 10 1 2.8 2.56 310 2.55 3100.2 4.21 10 1 4.17 10 1 2.9 1.87 310 1.86 3100.3 3.82 10 1 3.78 10 1 3.0 1.35 310 1.35 3100.4 3.45 10 1 3.41 10 1 3.1 9.68 410 9.66 4100.5 3.09 10 1 3.05 10 1 3.2 6.87 410 6.86 4100.6 2.74 10 1 2.71 10 1 3.3 4.83 410 4.83 4100.7 2.42 10 1 2.39 10 1 3.4 3.37 410 3.36 4100.8 2.12 10 1 2.09 10 1 3.5 2.33 410 2.32 4100.9 1.84 10 1 1.82 10 1 3.6 1.59 410 1.59 4101.0 1.59 10 1 1.57 10 1 3.7 1.08 410 1.08 4101.1 1.36 10 1 1.34 10 1 3.8 7.24 510 7.23 5101.2 1.15 10 1 1.14 10 1 3.9 4.81 510 4.81 5101.3 9.68 210 9.60 210 4.0 3.17 510 3.16 5101.4 8.08 210 8.01 210 4.5 3.40 610 3.40 6101.5 6.68 210 6.63 210 5.0 2.87 710 2.87 7101.6 5.48 210 5.44 210 5.5 1.90 810 1.90 8101.7 4.46 210 4.43 210 6.0 9.87 1010 9.86 10101.8 3.59 210 3.57 210 6.5 4.02 1110 4.02 11101.9 2.87 210 2.86 210 7.0 1.28 1210 1.28 12102.0 2.28 210 2.26 210 7.5 3.19 1410 3.19 14102.1 1.79 210 1.78 210 8.0 6.22 1610 6.22 16102.2 1.39 210 1.39 210 8.5 9.48 1810 9.48 18102.3 1.07 210 1.07 210 9.0 1.13 1910 1.13 19102.4 8.20 310 8.17 310 9.5 1.05 2110 1.05 21102.5 6.21 310 6.19 310 10.0 7.62 2410 7.62 24102.6 4.66 310 4.65 310

Documents

Sisteme de Comunicatii