Telekommunikationssysteme - RWTH Aachen · Cross Connect Node Add/Drop Multiplex (ADM) Digitale Vermittlungsstellen • teilvermaschtes Netz • hierarchielose Vernetzung ohne spezielle

Institut für Informatik, Ludwig-Maximilians-Universität, MünchenLehrstuhl für Informatik 4, RWTH Aachen

Telekommunikationssysteme1

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-PopienInstitut für Informatik Ludwig-Maximilians-Universität, München

Prof. Dr. Otto SpaniolLehrstuhl für Informatik 4RWTH Aachen

TelekommunikationssystemeWS 1999 / 2000

• Frank Imhoff• Axel Küpper• Jens Meggers

M MNTEAM

Mitarbeiter:(in Aachen)

• Markus Garschhammer• Annette Kostelezky

Mitarbeiter:(in München)



Vermittlungssysteme



Ehemalige hierarchischeNetzstruktur in Deutschland

Orts- oder Endvermittlungsstelle (OVst / EVst)

Zentralvermittlungsstelle (ZVst)

• ursprünglich 8 zentrale Vermittlungsstellen• 1. Stelle der Ortskennzahl

Knotenvermittlungsstelle (KVst)

• sternförmig an Hauptvermittlungsstelle angeschlossen• 3. Stelle der Ortskennzahl

Hauptvermittlungsstelle (HVst)

• sternförmig an zentrale Vermittlungsstelle angeschlossen• 2. Stelle der Ortskennzahl

• sternförmig an regionale Vermittlungsstelle angeschlossen• 4. Stelle der Ortskennzahl

2

21 24 29

211 219 291 299241 249

24992492

z.B. Düsseldorf

Aachen



Hauptvermittlungsstellen

Nürnberg

MünchenStuttgart

Frankfurt

Düsseldorf

Hamburg

BerlinHannover



Kennzahlenweg

• mögliche Wege von A nach B werden vor Inbetriebnahme festgelegt• kurzer Verbindungsaufbau zwischen Vermittlungsstellen• unabhängig von Auslastung der Verbindung• keine alternativen Wege• kein Lastausgleich• Probleme bei Ausfall einzelner Verbindungswege

Ortsvermittlung

Regional- oder Knotenvermittlung

Hauptvermittlung

Zentralvermittlung

2447

2

6597

02447 / 4711 06597 / 555

24

244

65

659

6Düsseldorf

Aachen

Kall

Dahlem

Frankfurt

Trier

Gerolstein

EschEntfernung

3km

350km



Routing überQuerverbindungen

2447

2

6597

02447 / 4711 06597 / 555

24

244

65

659

6Düsseldorf

Aachen

Kall

Dahlem

Frankfurt

Trier

Gerolstein

Eschkürzeste Entfernung

größte Entfernung

3km

350km

• abhängig von Auslastung der Verbindung

• hierarchische Überprüfung von Alternativrouten• kein Lastausgleich

• Verzögerung zwischen Wahlvorgang und Verbindungsaufbau

geringe Auslastung

hohe Auslastung

Ortsvermittlung


Hauptvermittlung

Zentralvermittlung



Adaptives Routing

• Routing in Abhängigkeit vom aktuellen Netzzustand (freie Übertragungskapazitäten, Störungen, etc)

• Informationen zum Netzzustand und Management-Informationen werden ausgetauscht (signalling)

• Leitungsvermittlung → kein re-routing während eines Gesprächs

2447

2

6597

02447 / 4711 06597 / 555

geringe Auslastung

hohe Auslastung

24

244

65

659

6Düsseldorf

Aachen

Kall

Dahlem

Frankfurt

Trier

Gerolstein

Eschkürzeste Entfernung

größte Entfernung

3km

350km

Ortsvermittlung


Hauptvermittlung

Zentralvermittlung



Vermittlung



Direkte Steuerung beimechanischen Vermittlungen

TSTS

ASTeilnehmer A Teilnehmer BI.GW II.GW LW

Steuerung Steuerung Steuerung Steuerung

13 3 4

5

1.) Anreizerkennung durch die Teilnehmerschaltung (TS), Start des Anrufsuchers zur Sache derTS und Durchschaltung zum I.GW.

2.) Wählton aus dem I.GW an den rufenden Teilnehmer A.

3.) 1. Wahlziffer steuert den I.GW. Alle weiteren Gruppenwahlstufen werden in gleicher Weisemit den folgenden Ziffern gesteuert.

4.) Wahlziffern „n-1“ und „n“ zur direkten Steuerung des Leitungswählers (LW) - in direkter,erzwungener Wahl.

5.) Anschaltung des Rufstroms zum gerufenen Teilnehmer B durch den LW.



Leitungswähler

zwei Ziffern

LW

Steuerungdes LW

11

10

1. Dekade

21

20

2. Dekade

10. Dekade00

01

• Wertet die beiden letzten Ziffern der Nummernschalterwahl aus.

⇒ 100 Ausgänge.

• Führt die Einstellung in zwei aufeinander folgenden Vorgängen durch (Heb-Drehwähler).



Vermittlung für 100 Teilnehmer

1

2

3

10

100

1

2

3

10

1

2

3

100

Anrufsucher (AS)

Kurzform:

AS LW

1

2

3

10 10

100 100

max. 10 Verbindungen

Leitungswähler (LW)



Vermittlung für1.000 Teilnehmer

100 10 10 100

100 10 10 100

100 10 10 100

100-199

200-299

000-099

RufendeTeilnehmer

GerufeneTeilnehmer

Kurzform:

1.000 100 100 1.000

AS LW

AS GW LW

GW

100



Vermittlung für10.000 Teilnehmer

100 100

100100

100 100

RufendeTeilnehmer

GerufeneTeilnehmer

Kurzform:10.000 100 100 10.000

AS II.GW

AS I. GW LW

I.GW

100

1

10

1

10

10

1000Tln

100

LW

II. GW



Vollvermittlungsstelle

Teilnehmer A Teilnehmer BAS

II.GWI.GW 23LW6523

56

abgehende Fernleitung

Ortsgruppenwähler

6ankommendeFernleitung

0

8

Private Durchwahl-telefonanlage

68-XXX

Knotenvermittlung



Große Ortsnetze

Teilnehmer-Anschlußleitung

Fernnetz Fernvermittlungsstelle

Ortsnetz

Ortsvermittlungsstelle(analoges Netz)

Ortsverbindungsleitung

Konzentrator



Große Ortsnetze

Berlin

138 Anschlußbereiche880 km² Fläche

29200 km Kupferkabel1460 km Glasfaserkabel



DigitaleFernvermittlungstechnik

Tln-Anschluß

digitaleVerbindungsleitungen

digitalerKonzentrator

Koppelnetz-steuereinheit

FernüberwachteTeilnehmervermittlungsstelle

(TVSt)

Durchgangs-VSt

TVSt

Digitaler Konzentrator

Koppelnetze



Zukünftige Netzstruktur

ÜberregionaleVermittlung

RegionaleVermittlungs-stellen

Zugangsnetze

Cross Connect Node

Add/Drop Multiplex (ADM)

Digitale Vermittlungsstellen

• teilvermaschtes Netz

• hierarchielose Vernetzungohne spezielle Topologie

• Flexible Bandbreiten-nutzung

• hohe Skalierbarkeit

• hohe Zuverlässigkeit

SDH Local Loop



Vermittlungstechnik



Klassifizierung vonVerbindungsnetzen

Problem:

Zwei Teilnehmer müssen über ein gegebenes Netz verbunden werden,• während eine Vielzahl von Verbindungen bereits besteht und• ohne daß bestehende Verbindungen unterbrochen werden müssen.

Lösung:

Programmierbare Permutationsnetzwerke

Klassifizierung:

1) Steuerung von Außen (durch einen Routing-Algorithmus) oder selbstroutendentsprechend der anliegenden Inputs

2) blockierende, rearrangierbare oder dynamische Verbindungsnetze



Verbindungsnetze

Ein Verbindungsnetz (N,V) heißt nicht-blockierend, falls für je zwei Aufgabenv, v´ mit v´ ⊆ v ∈ V gilt: Ist eine Realisierung von v´ gegeben, so läßt sich diesefortsetzen zu einer Realisierung von v

Definition 1:

Nicht-blockierende Netze werden auch als „dynamisch“ bezeichnet

Beispiel:

1

n

1

k

linear:(n x n)-Crossbar

expandierend:(n x k)-Crossbar mit n < k

konzentrierend:(n x k)-Crossbar mit n > k

23

23



Schaltungsaufwand fürVerbindungsnetze

Beweisbar:

Mit wachsender Anzahl von Verbindungen in einem dynamischen Netzwerksteigt die Anzahl der erforderlichen Schalter wenigsten logarithmisch mit derAnzahl der gewünschten Verbindungen.

Bisher sind jedoch nur schlechtere Lösungengefunden worden!

Aufwand:

Ein linearer Crossbar muß N Eingänge auf N Ausgänge schalten können.⇒ es sind N2 Schaltelemente erforderlich

In der Telekommunikation sind Verbindungen mit sich selbst nicht sinnvoll⇒ es sind N(N-1) Schaltelemente erforderlich

Verbindungen sind in der Regel bidirektional, so daß nur bidirektionaleSchaltelemente zum Einsatz kommen.⇒ es sind N(N-1) / 2 Schaltelemente erforderlich

O (log N)

O (N2)



Blockierende Netze

Ein Verbindungsnetz (N,V) heißt blockierend, falls es mindestens ein v´ gibt, sodaß sich keine Fortsetzung zu einer Realisierung von v finden läßt.

Definition 2:

⇒ ggf. müssen bestehende Verbindungen aufgelöst oder rearrangiert werden

Die Menge aller universellen Netze wird auch als „rearrangierbar“ bezeichnet

⇒ blockierende Netze sind als Telekommunikationsnetze nicht geeignet

Näherung: „Selten-blockierende“ Netze

Zu jedem ε > 0 existiert ein Netz mit n Eingängen und einer Schalterzahl in derGrößenordnung n · ld n, so daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß einhinzukommender Anrufer nicht verbunden werden kann, höchstens ε beträgt.



Omega Netze

Beispiel:

Das sogenannte Omega-Netzwerk besteht ausschließlich aus „Exchange-Modulen“

• Das gesamte Netz verfüge über M = 2m Inputs und Outputs 0,1, ..., M-1.

• Die Inputs werden paarweise an 2m-1 Exchange-Module angeschlossen.

• Die Outputs der Exchange-Module werden im Perfect-Shuffle-Verfahren mitden Inputs der nächsten Stufe von Exchange-Modulen verbunden.

Eingänge EingängeAusgänge Ausgänge

Perfect-Shuffle:

Bitweiser zyklischer linksshift der Adressen (z.B. 110 → 101 oder 001 → 010)



Omega-Netze

Omega-Netz (für n = 2m = 23 Inputs)

000

001

010

011

100

101

110

111

0

1

2

3

4

5

6

7

1. Stufe 2. Stufe m-te Stufe

Aufwand:

2m-1 · m Exchange-Module < n ld n (im Beispiel: 12 < 24)



Routing in Omega-Netzen


000001010011100101110111

000001010011100101110111

Schreibweise: s1s2s3d1d2d3

Perfect Shuffeln

Beispiel:

010 011 100 011 100 11 001 11

„Sliding Window“ der Größe m

letztes Fensterelement ersetzen

001 1 010 1 011

011 000 110 000 110 00 101 00 100 0 001 0 000

⇒ Routing ist eindeutig

⇒ Alle Permutationen sind routbar (jedoch nicht gleichzeitig!)



Konflikte in Omega-Netzen


000001010011100101110111

Beispiel: 000001010011100101110111

Satz von Lawrie:

⇒ Omega-Netze sind nichtdynamisch

001 → 001000 → 010

Das Routing zweier Permutationen erfolgt nur dann konfliktfrei, wenn aus derKongruenz zweier Endteilfolgen der Startadresse die Inkongruenz derzugehörigen Startteilfolgen der Zieladresse folgt.

Beispiel:000 010 010 011001 001 011 000

⇒ Für zwei Adresspaare dürfen keineidentischen Sliding Windows existieren



Redundante Omega-Netze

N = 2n und B = 2b und B N 0

4

8

12

16

20

24

28

logBN identische Stufen mit(BxB)-Schaltelementen

jede Stufe besteht aus N/BSchaltelementen

Stufen sind über B·N/B-Schuffle-Verknüpfungen verbunden

Beispiel:N = 32 = 25 Ein- / Ausgänge

B = 4 = 22 Eingänge je Schaltelement

logBN = log432 = 5/2

N/B = 8 (BxB)-Schaltelemente

logBN = 3 Stufen



Redundanz

Redundanz:

Achtung:b darf kein Teiler von n sein!

Beispiel:

Anzahl redundanter Pfade in einem Netz R = 2r = B( n/b - n/b)

R = 4( 5/2 - 5/2) = 40,5 = 2 redundante Pfade

Beweisidee:Um einen kompletten Pfad zu beschreiben,benötigt man im Omega-Netzwerk

logBN ·b Bits

Anzahl der Stufen Varianten proSchaltelement



Dynamische Permutationsnetze

Clos-Netz (1953)



Clos-Netz

Konstruktion:•Dreistufig

•Eingangsseitig rCrossbars mit je nEingängen und mAusgängen

•m (r x r)-Crossbarsin der mittlerenStufe

•Ausgangsseitespiegelbildlich zurEingangsseite mit r(m x n)-Crossbars

nn

n x m

n x m

n x m

r x r

r x r

m x n

m x n

m x n

N =

r •

n E

ing

äng

e



n x m

n x m

n x m

Clos-Netze als dynamischePermutationsnetze

Blockier-Eigenschaften:•sind abhängig von der Anzahl N = n·r der Ein- und Ausgänge und•der Höhe m der mittleren Ebene

Aufwand:insgesamt O(N ·√N)

r x r

r x r

m x n

m x n

m x n

Clos-Netzesind dynamisch,blockieren alsoniemals fürm ≥ 2n - 1 undm,n,r ≥ 2

m Crossbars



Dynmisches Clos-Netz alsVermittlungsstelle

m x n

m x n

m x n

r x r

n

r konzentrierende

Crossbars

r x r

mlineare

Crossbars

n x mn

r expandierende

Crossbars

1. Schritt1. Schritt 2. Schritt 3. Schritt

r Schalter mit je n·m Schaltknoten⇒ r · n ·m Schaltknoten

2. Schrittm Schalter mit r2 Schaltknoten

3. SchrittWie Schritt 1

N =

r •

n E

ing

äng

e

Gesamt2 · r · m ·n + m · r2 Schaltknoten

Beispiel mit N = 1.000 Eingängenm = 99; n = 50; r = 20

237.600 Schaltknotenanstelle 499.500 in einem1.000 x 1.000 Crossbar

n x m

n x m



Realistische Vermittlungsnetze

n x m

n x m

n x m

r x r

n

r konzentrierende

Crossbars

r x r

mlineare

Crossbars

m x n

m x n

m x n

n

r expandierende

Crossbars

1. Schritt1. Schritt 2. Schritt 3. Schritt

r Schalter mit je n · m Schaltknoten⇒ m · n · r Schaltknoten

2. Schrittm Schalter mit r² Schaltknoten

3. SchrittWie Schritt 1

N =

r •

n E

ing

äng

e

Gesamt2 · r · m · n + m · r² Schaltknoten

Beispiel mit N = 1.000 Eingängenm = 20; n = 50; r = 20

48.000 Schaltknotenanstelle 499.500 in einem1.000 x 1.000 Crossbar



Zugangsnetze

Verbindung zwischen Endvermittlungstellenund Endgeräten



Problem der “letzten Meile”

“letzte Meile” ( 1 - 2 km)

Hauptstrecken(Glasfaser, Richtfunk)

mehr als 70% der Kosten einerkompletten Abdeckung

return-on-investment nur sehr schwererreichbar, u.a. wegen

• hoher Nutzerfluktuation• sehr unterschiedlicher Nutzeranforderungen• sinkender Einführungszeiten für neue Dienste• sinkender Nutzungszeiten für Dienste• sinkender Grundgebühren

Ortsvermittlungs-stelle

Kabelverteiler

150 - 2000 (Ø 400) Paare 6 - 600 (Ø 36) Paare

Hauptkabel1-8 (Ø 1.7) km

Verteilungskabel20-1000 (Ø 300) m

Anschlußleitungen5-50 m, 2-8 Paare

Kabelmuffen

“dirty mile”



~230V

Zugriffstechnologien

LC

LC

LC

SDH

V5.2 (Konzentrator)

V5.1 (Multiplex)

a/b Interface / ISDN

1 Kupferpaar

2 Paare / 2 Fasern

2 Paare / 2 Fasern

2 Paare / 2 Fasern

Wireless Local Loop (WLL)

Bis zu 50m

30 Teilnehmer

>30 Teiln.

Line Circuit

Vermittlungsstelle

1 Kupferpaar

1 Kupferpaar

V5.2



Glasfaser im Ortsbereich

Kabelverteiler

Fiber to the curb (FTTC)• billig• nutzt existierende Struktur• geringe Bandbreite

Fiber to the home (FTTH)• höchste Kosten• Neuverkabelung notwendig• höchste Bandbreite

Vermittlungs-stelle

Kabelverteiler(optischer Verteiler)

Fiber to the building (FTTB)

ONU

ONU

ONU

OpticalNetwork

Unit(ONU) Glasfaser

bis zu 15km

Glasfaser

~230V

Kupfer20 - 2000m

• rentabel nur für großeBüro oder sehr großeWohnanlagen



Alternative Anbindungen

Nutzung von Funktechnik

• spart nur 50m Erdarbeiten

• limitierte Bandbreite

• Interferenzen • Wasserrohre• Gasleitungen• Kanalisation

Kabelverlegung durch

um Erdarbeiten zu vermeiden

• z.B. Verkehrsampelleitungen

• Breitbandkabel (TV)

• Stromkabel

Nutzung existierenderKabelinfrastruktur

bis zu 50m



Modu-lator

Modu-lator

Kommunikation überStromleitungen

Modu-lator

230V / 400V~

10-20kV~

230V-Stromkabel

Transformatoren-Station

Sicherung

FrequencyLockingDevices

Modulation

Stromleitungen

•Parallel angeschlossene Abonnenten•große Aderndurchmesser (10 bis 200 mm²)

•nur 2 bis 4 Adern für bis zu 200 Abonnenten•Störungen durch elektrische Effekte (Strom-schwankungen, Spannungsspitzen)

•Nachbarschaft hoher Stromstärken (<1000A)und Spannungen (230V - 110kV)

bis zu 2000m



Kommunikation überStromleitungen

Feldtests:

Probleme:

• Bursthafter Verkehr• limitierte Bandbreite (derzeit ~1,3 Mbit/s pro Bus)• Busverbindungen der Abonnenten• Existierende Regulierungen

(Nutzung des 1-30MHz-Bereichs ist bei der Energieversorgung bisher nicht zulässig)

Vorteile:

• Heimautomation (Vernetzung von Haushaltsgeräten über die “Steckdose”)• zentralisierte Fernsteuerung des elektrischen Verbrauchs (Vermeidung von Spitzenlast) • Entfernte Verbrauchsablesung (⇒ Wettbewerb von Energieanbietern)

• Leichlingen bei Düsseldorf (RWE)• Siemens • DÜNE-System (Datenübertragung über Niederspannungs-Energienetze)

(BEWAG (Berlin) ist kürzlich ausgeschieden)• Nortel Dasa (GB, Sweden) zusammen mit der EnBW (Energieversorgung Baden-Würtemberg)

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