Netwerken 3
00
Hoofdstuk 4

DSL, Kabel & Fiber

Hoe hogesnelheidsinternet over koper, coax, glasvezel en stopcontact werkt: multiplexing, modulatie, ADSL, kabel, FTTx.

0%
voltooid

1Basisbegrippen: synchroon, duplex, baud, scrambling

AsynchroonSynchroon
SynchronisatieStart-, stopbit(s) (1, 1,5 of 2) en eventueel pariteitsbit rond elk pakketjeGrote blokken + synchronisatiecodes (SYN-bytes, bv. 01111110), ook gestuurd bij leeg kanaal
OverheadGrootKlein
KlokOntvanger loopt 16x sneller dan de bitrate en stemt af op elk startbitOntvanger stemt klok af op de SYN-codes
VoorbeeldConsole-kabel naar Cisco router (COM-poort)Modems, WAN-lijnen
Simplex / Half duplex
  • Simplex: één richting, nooit terug (radio-uitzending)
  • Half duplex: beide richtingen maar om de beurt, zelfde frequentie (walkie-talkie)
Full duplex
  • Beide richtingen tegelijk (telefoon, kermis waar iedereen door elkaar roept)
  • Staat los van synchroon/asynchroon: duplex = gelijktijdigheid, synchroon = tijdsrelatie/klok

Baudrate (Bd) = aantal signaalwisselingen (symbolen) per seconde. Bitrate (bps) = aantal bits per seconde.

bitrate = baudrate x bits per symbool

  • 2 niveaus (-5 V = 1, +5 V = 0): 1 bit per symbool, baudrate = bitrate.
  • Meer niveaus (1 V, 2 V, 3 V, 4 V...): meer bits per symbool, bitrate stijgt, baudrate blijft gelijk. Daarom is de baudrate de vaste standaardwaarde voor modems.

Scrambling / unscrambling: een bitpatroon vervangen door een ander patroon. Bij een lange reeks enen of nullen kan de ontvanger niet meer tellen (20 of 21 enen?) en verliest hij de klok. De scrambler zet zo'n reeks om in een "onmogelijke" code, de unscrambler aan de ontvangerskant zet die terug om.

SignaalBandbreedte
Telefoon (spraak)4 kHz
CD-stereo audio44 kHz
Broadcast video4,2 MHz
HDTV90 MHz
Bandbreedte = hoogste minus laagste doorgelaten frequentie, in Hz.
+25 XP

2Multiplexing: FDM, TDM, STDM, WDM

TechniekPrincipeVoorbeeld / opmerking
FDM Frequency DivisionBandbreedte opdelen in niet-overlappende frequentiebanden, één per verbinding. Guardband ertussen tegen overlap (verlies aan capaciteit).Kabel-TV: 500 MHz coax / 6 MHz per kanaal. Radio, GSM, ADSL.
TDM Time DivisionDeelnemers gebruiken beurtelings de volledige bandbreedte, elk een vast tijdslot (bit-, byte- of blokmultiplexen).Verspilling: een stil station laat zijn slot ongebruikt. Wordt gebruikt binnen een FDM-kanaal.
STDM Statistical TDMTijdsloten worden dynamisch toegekend aan wie effectief data heeft. Ongebruikte tijd wordt niet verspild.6 terminals x 9600 bps hoeft geen 57,6 kbps lijn: 28,8 kbps volstaat (gemiddeld 50% actief).
WDM Wavelength DivisionGlasvezel: elk kanaal een eigen golflengte (kleur licht). Ook heen en terug over dezelfde vezel.CWDM: max 8 kanalen. DWDM: meer dan 8, bv. 16 x 10 Gbit/s = 160 Gbit/s.
+25 XP

3Compressie en modulatie (AM, FM, PM, QAM)

Datacompressie versnelt de transfer. Lossless = identiek na decompressie (ZIP, GIF). Lossy = perceptueel gelijkwaardig (JPG, MP3, MPEG).

MethodeWerkingVoorbeeld
Run Length EncodingReeks identieke tekens vervangen door vlag + teken + aantalPieter Janssen wordt Pieter# 6Janssen# 6
HuffmanCodelengte volgt de frequentie van het teken: vaak = korte code, zeldzaam = lange code"e" komt vaak voor: 1111 i.p.v. 01011000
Lempel-ZivZender en ontvanger bufferen de datastream en bouwen een boom/woordenboek van strings. Een al eerder geziene string wordt vervangen door een pointer naar het vorige voorkomen.Basis van ZIP/GIF. Het woordenboek wordt niet meegestuurd, beide kanten bouwen het zelf op.

Modulatie = informatie onderbrengen in een draaggolf (sinus) door die te veranderen volgens het bronsignaal. Modulator + demodulator = modem.

TypeWat verandert erBeeld
AM AmplitudeHoogte van de golfHoge golf = 1, lage golf = 0 (luid / stil)
FM FrequentieSnelheid van trillenKorte golf / lange golf (hoog / laag)
PM Phase (fase)Beginpunt van de golfGolf springt plots terug naar het laagste punt. Veel energie en hoogfrequente storing, dus low-pass filter nodig. "Surfers houden van PM."
QAMAmplitude en fase tegelijkMultilevel: meerdere bits per symbool
QAM uitgelegd met 16-QAM
Stap 1 van 5
Constellatiediagram

Elk punt in het vlak is één symbool. De afstand tot de oorsprong = amplitude. De hoek t.o.v. de X-as = fase.

Elk punt in de constellatie heeft een eigen amplitude (afstand) en fase (hoek) en dus een eigen bitreeks.
Elk punt in de constellatie heeft een eigen amplitude (afstand) en fase (hoek) en dus een eigen bitreeks.
+25 XP

4V90 en ADSL: asymmetrie, FDM, echo cancellation, DMT

V90 (ITU, 1998, verenigt X2 en K56Flex): 56 kbps downstream, 33,6 kbps upstream, over het 4 kHz spraakkanaal. V92: zelfde 56 kbps down, upstream 48 kbps, veel snellere verbindingstijd.

ADSL
NaamAsymmetric Digital Subscriber Line
MediumGewoon koperen twisted pair telefoonlijn (zonder nieuwe kabels)
Bereik3 tot 5,5 km; tot 9 Mbps down en 800 kbps up (hangt af van lengte, draaddikte, omgeving)
Waarom sneller dan telefoon?Telefoonoperator beperkt de lijn kunstmatig tot 4 kHz. Echte capaciteit tot 1 MHz: met filters/splitter benut je dat
BeperkingVerzwakking (tot 90 dB bij 1 MHz) en ruis: hoe sneller, hoe korter de afstand. Foutcorrectie (ECC) nodig
ModulatieDMT + FDM of echo cancellation
Frequentiegebied (ADSL met FDM)Gebruik
0 - 4 kHzTelefoon (POTS). Wordt er gefilterd uit door de splitter, dus telefoon werkt ook als ADSL stuk is
26 - 134 kHzUpstream
134 kHz - 1 MHzDownstream (grootste gebied)
Eerste mogelijkheid: FDM. Geen overlap tussen up en down.

Oorzaken van ruis: niet-beëindigde koperstukken (reflectie), cross-talk (onafgeschermde draden in bundels), radiogolven (vaste frequenties, constant), bliksem/apparaten (kort maar krachtig), telefoon bellen en nummer kiezen (hogere frequenties).

Echo cancellation
Stap 1 van 4
Upload- en downloadband overlappen

Up en down gebruiken dezelfde (overlappende) frequenties tegelijk.

DMT (Discrete Multi-Tone)
Stap 1 van 4
Spectrum opdelen

1 MHz wordt verdeeld over 256 subkanalen van 4 kHz (smalle dragers).

+25 XP

5ADSL2, ADSL2+, VDSL en andere DSL

StandaardDown / UpSpectrumAfstand tot DSLAMKenmerken
ADSL9 Mbps / 800 kbpstot 1,1 MHz3-5,5 kmDMT, FDM of echo cancellation. S/R enkel bij opstart
ADSL2 (G.992.3)12 Mbps / 3,5 Mbpstot 1,1 MHzafstand tot DSLAM bepaalt kwaliteitBetere modulatie
ADSL2+ (G.992.5, 2005)24 Mbps / 1 Mbpstot 2,2 MHzmax 2,5 kmDubbele snelheid, low power modus, realtime S/R monitor, CVoDSL, cross-talk beperken
VDSLtot 55 Mbps
max 1 kmSymmetrisch of asymmetrisch
VDSL2tot 200 Mbit/stot 30 MHz100 Mbit/s op 0,5 km, 50 op 1 km; vanaf 1,6 km gelijk aan ADSL2+Ook long reach: 1-4 Mbit/s op 4-5 km

DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer): staat in de telefooncentrale of een straatkast (field cabinet) en bundelt alle DSL-lijnen. De afstand gebruiker - DSLAM is de belangrijkste factor voor snelheid: dichter = sneller (ADSL2, VDSL).

Realtime signaal/ruis (S/R) monitor
Stap 1 van 4
Ontvanger meet

De ontvanger monitort voortdurend de signaal/ruisverhouding van het kanaal (niet enkel bij opstart).

Andere DSLKenmerk
HDSLHigh bit rate, symmetrisch, 2 paar telefoonkabels
SDSLSymmetrisch, zelfde principes als ADSL. Voor servers (veel upstream)
Naked DSLZonder analoge telefonie, dus geen splitter nodig, volledige lijn voor DSL
+25 XP

6Kabelmodems, CMTS, DOCSIS en HFC

Kabel-TV begon in de jaren 80 als unidirectioneel boomnetwerk (distributeur naar kijkers). Splitsen = verzwakking, dus versterkers richting klant. Nu ook PPV, VOD, SVOD, PVR, games, telefonie, bedrijfsdata en internet, dus bidirectioneel nodig.

CMTS (Cable Modem Termination System): koppelt het kabelnetwerk aan DHCP, proxy, authenticatieserver en internet-gateway. Tot 1000 gebruikers op één 6 MHz-kanaal; verkeer van gebruikers wordt gescheiden (elk pakket krijgt een stuurtijd). Gebruikt DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification): open standaard voor OSI laag 1 en 2, vooral ontworpen voor goede upstream.

DOCSISNieuw
1.0Hoge snelheid internet: 27/36 Mbps down, 5 Mbps up
1.1Voice, gaming, streaming; betere QoS (gegarandeerde bandbreedte en vertraging); beveiliging (gebruikers kunnen elkaars diensten niet inzien); 10 Mbps up
2.0Symmetrisch, betere modulatie, foutcorrectie en ruisbestendigheid; 81 Mbps down, 30 Mbps up
3.0IPv6-ondersteuning
3.110 Gbit/s down, 1 Gbit/s up, 4096-QAM, full duplex

HFC (Hybrid Fiber Coax): glasvezel tot een punt in de straat, coax voor het laatste stuk tot de huizen. Kabel-TV is dus HFC. Bij Telenet heet de overgang glasvezel naar coax een node (grijze straatkast), gemiddeld 290 gezinnen per node, vergelijkbaar met de DSLAM-kasten van Belgacom.

Glasvezel loopt tot de wijk-node, vanaf daar delen de woningen één coaxkabel.
Glasvezel loopt tot de wijk-node, vanaf daar delen de woningen één coaxkabel.
DSL (telefoonlijn)
  • Eigen twisted pair per klant naar de DSLAM
  • Snelheid hangt af van afstand
  • FDM / DMT, per lijn aanpasbaar
  • Straatkast = DSLAM
Kabel (coax, HFC)
  • Coax gedeeld per node (ca. 290 gezinnen)
  • CMTS + DOCSIS
  • 64/256-QAM down, 16-QAM up
  • Straatkast = node (glasvezel naar coax)
+25 XP

7Fiber: FTTx, dispersie, solitonen, all optical, PCS

FTTH = 100% optische vezel als toegangsnetwerk. Twee manieren: PTP (point-to-point, een vezel per gebruiker) of PON (Passive Optical Network, één vezel via een passieve power splitter gedeeld door 16-32 gebruikers). Duurste deel = graafwerk (85% van de kost); pilootproject UGent: vezel via de waterleiding.

VariantFiber tot...Rest
FTTH Homebinnenshuis
FTTB Buildinghet gebouwintern nog UTP
FTTC Curb/Cabinetde hoek van de straatkoper/coax naar huis
FTTN Nodede node (verder dan FTTC)koper/coax (HFC lijkt hierop)

Dispersie = pulsverbreding: verschillende frequenties (golflengtes) in een lichtpuls reizen met verschillende snelheid, de puls wordt breder en gaat overlappen met de volgende. Limiet vanaf ca. 10 Gbit/s per kanaal. Afhankelijk van de golflengte.

  • Golflengte kiezen met minste dispersie (rond 1300 nm)
  • Vezel zo maken dat er weinig dispersie is
  • Solitonen: golven die hun eigen dispersie compenseren (vorm blijft behouden)
VerbeteringIdee
All OpticalOptische golven worden zonder elektrische signalen (re)generated; enkel de klok blijft elektrisch. Onafhankelijk van elektrische en magnetische velden: geen storing.
PCS Probabilistic Constellation ShapingQAM heeft vaste punten (vaste amplitude en fase). PCS kiest variabele punten met minste storing en kleinste amplitude (minder energie), realtime aangepast. Nokia: tot 1 Tbit/s over Duits fibernetwerk.
WDMMeerdere golflengtes per vezel (CWDM max 8, DWDM 16+ kanalen)
+25 XP

8Powerline en circuit vs packet switching

Powerline: spraak en data over het laagspanningsnet (220 V): internet via het stopcontact met een powerline-adapter (ca. 25 euro, max 6 Mbps down). De last mile = het laatste stuk tussen tussenstation en gebruiker. Daar worden de signalen omgezet naar glasvezel. Signalen geraken niet door transformatoren, dus enkel dit laatste stuk.

Voordelen powerline
  • Lage, snelle installatie
  • Verbindingen (stopcontacten) bestaan al
  • Elk apparaat (koelkast, koffiezet...) is al verbonden met het net
Nadelen powerline
  • Concurrentie van kabel/DSL
  • Geen wereldstandaard
  • Interferentie met elektrische toestellen, hulpdiensten en leger
  • Kabels onbeschermd tegen ruis
  • Enkel last mile (geen transformator)
Circuit switched
  • Eerst een vaste verbinding opzetten (call setup), gereserveerd pad/bandbreedte
  • Constante vertraging, geen herordening
  • Verspilling bij stilte (TDM-slot blijft gereserveerd)
  • Voorbeeld: PSTN-telefoon, ISDN
Packet switched
  • Data in pakketten, elk met adres, onafhankelijk gerouteerd
  • Capaciteit gedeeld (statistisch multiplexen, vgl. STDM)
  • Efficiënt bij bursts, maar variabele vertraging, mogelijk verlies of herordening
  • Voorbeeld: IP/internet, Ethernet
+25 XP
Volgende stap

Nog niet klaar? Je kan altijd terugkomen.

Leer de begrippen