meta data for this page
  •  

Arto Sankala

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikennetekniikan yleiskäsitykseni on piiritasolla. Tiedän millaisia laitteita tarvitaan ja kuinka ne toimivat, jotta digitaalinen signaali saadaan radioaalloiksi ilmaan tai valoksi valokuituun. Ymmärrän myös vastaanottimien tekniikasta. Erilaiset ohjelmalliset toteutukset tai rakenteet (protokollat) ja signaalien sisältö on epäselvää ja siihenhän tämä kurssi keskittyy.

Ennakkokäsitykseksi sopivia termejä, joita mieleeni tuli ovat langallinen ja langaton tiedonsiirto. Internet palvelut, digi-TV, WLAN ynnä muut käyttävät jompaa kumpaa tiedonsiirtokanavaa. Langalliseen tiedonsiirtoon kuuluu sähköiset linkit ja valokuitulinkit. Langattomaan taas sähkömagneettisen säteilyn hyödyntäminen laajalla taajuusspektrillä, jossa mm. radioaallot ovat vain yksi kaista (n. 3 Hz - 3 GHz).

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

Ensimmäisen luentopäivän painopiste oli perinteisessä kommunikointimallissa ja käsitteen protokolla ymmärtämisessä.

Kommunikointimalli kosstuu lähteestä, lähettimestä, siirtojärjestelmästä, vastaanottimesta ja kohteesta. Mutta tämähän on täysin selvää. Lisäksi käytiin läpi lähes itsestäänselvät tarkoitukset eri osille ja painotettiin faktaa, että siirtolinjalla tapahtuu aina muutoksia alkuperäiselle signaalille; vastaanotettu signaali ei ole täsmälleen sama. Tämä ei välttämättä tarkoita, että informaatiota häviäisi, vaan kyseessä voi olla yksinkertaisesti signaalin vaimeneminen. Joskus kuitenkin voi informaatiota hävitä tai jokin bitti kääntyy ykkösestä nollaksi. Tällaisten virheiden huomaamisesksi ja korjaamiseksi on kehitetty keinoja kuten pariteettibitti (hyvin yksinkertainen menetelmä).

Protokollat ovat tiedonsiirrossa ja kommunikoinnissa olennaisessa osassa. Niiden avulla laitteet keskustelevat keskenään tai käyttäjän kanssa. Luennolla esitettiin tarkemmin TCP/IP -protokollan toiminta ja todettiin sen tarjoavan luotettavan päästä-päähän tiedonsiirron järjestelmien välillä.

Luentopäivä 2:

Toisena luentopäivänä keskityttiin ensimmäisellä puoliskolla standardeihin ja tiedonsiirtolinkkeihin. Toisella puoliskolla käytiin läpi kerrosmallin kahta alimpaa osiota eli siirtotiehen liittyviä fyysisiä kerroksia.

Tiedonsiirtolinkeissä käsiteltiin sähköisiä linkkejä (pari-, koaksiaaliset ym kaapelit), optiset kuitulinkit ja ilmatiet. Keskeisenä osana oli ensin ymmärtää, kuinka kanttiaalto koostuu perustaajuisesta sinistä ja sen parittomien harmonisten taajuuksien summasta. Tätä kautta päästiin käsitteeseen kaistanleveys. Kaistanleveys määrittää osaltaan tiedonsiirtonopeuden, mutta siihen vaikuttaa myös bittien määrä. Kaistanleveydelle asettaa rajoitteita käytettävän siirtotien lisäksi myös ennalta määrätyt (standartoidut) taajuuskaistat. Luennolla esitettiin lyhyesti satelliittijärjestelmien periaatteita, lähinnä etäisyyksien ja satelliittien määrän kannalta.

Signaalin siirtoa varten data koodataan jollain koodauksella. Periaatteena on, että koodatun signaalin kannattaa vaihtaa tilaansa mahdollisimman usein. Näin siirtoon tarvittava taajuuskaista saadaan pienemmäksi, koska tarvitaan vähemmän harmonisia signaalin esittämiseen siirtotiellä. Koodauksen jälkeinen toimenpide fyysisessä kerrosmallin alimmissa kerroksissa on signaalin modulointi. Esimerkkeinä moduloinnista oli m taajuus- ja vaihemodulointi, joissa kantoaaltoa moduloidaan datan bittikuvion mukaan. Jotta signaali ylipäätään voidaan laittaa tiedonsiirtokanavaan, on se ensin muutettava analogisesta digitaaliseksi AD-muuntimella. Tästä käytiin yhtä jos toista läpi luennolla, mutta tuttuahan tämä minulle on jo ennestään.

Lisäksi käytiin läpi virheenkorjausmenetelmiä, joista oli jopa esimerkkilaskukin. Siitä ei paljon päähän jäänyt, muutakuin että jos sen tahtoisi opetella, niin eipä tuo vaikeata olisi. Vuonvalvonnasta käytiin muutamia esimerkkejä, pointtina oli kuitenkin ymmärtää miksi vuonvalvontaa tarvitaan. Jos lähettävä elin tuuppaa dataa siirtotielle enemmän kuin vastaanottaja voi prosessoida, jää osa data huomioimatta. Tarvitaan siis vuonvalvontaa tämän estämiseksi. Liukuvan ikkunan menetelmä on vuonhallinnassa kätevä systeemi.

Luentopäivä 3:

Kun samaa siirtotietä käyttää useampi laite, tarvitaan multipleksausta eli kanavointia. Kanavoinnin menetelmät olivat ensimmäisenä käsittelyssä luennolla. Erilaisia multipleksausmenetelmiä ovat aika-, taajuus, aallonpituus- ja koodimultipleksaus.

Aikakanavointi (TDMA Time Division Multiple Access) perustuu signaalien viipalointiin. Esimerkisksi kahden kanavan tapauksessa signaaleista lähetetään pieni osa vuorotellen.

Taajuuskanavointi (FDMA Frequency Division Multiple Access) tarkoittaa käytännössä samaa kuin aallonpituuskanavointi (WDMA Wavelength Division Multiple Access). Optisissa linkeissä on kuvaavampaa käyttää termiä aallonpituuskanavointi, kun taas muualla käytetään yleisesti taajuuskanavointia. Taajuuskanavoinnissa monta eri kanavaa voidaan lähettää yhtäaikaisesti samalla siirtotiellä. Eri kanavat ovat eri taajuuskaistalla, jolloin ne voidaan erottaa toisistaan vastaanottopäässä kaistanpäästösuodattimella.

Luennolla käytiin myös solmukytkentäisten verkkojen koostumusta läpi. Tällaiset verkot voidaan jakaa kahteen osaan: Piirikytkentäiset verkot ja pakettikytkentäiset verkot.

Piirikytkentäisissä verkoissa perusajatuksena on reaaliaikainen kaksisuuntainen tiedonsiirto ja siinä käytetään monesti aikakanavointia, jossa varataan kanava tiedonsiirtoa varten. Esimerkkinä piirikytkentäisestä verkosta ovat puhelin- ja GSM-verkot.

Pakettikytkentäiset verkot perustuvat datan pilkkomiseen pieniin paketteihin. Toisin kuin piirikytkentäisissä verkoissa, paketin lähetyksessä ei erikseen varata tiettyä kaistaa, vaan paketti voidaan eri solmupisteissä varastoida ja laittaa lähetysjonoon odottamaan vuoroaan siirtolinjalle pääsyä varten. Pakettikytkentäisistä verkoista erilaisia paketinlähetyskeinoja ovat mm. tietosähke ja virtuaalipiiri. Tietosähkeessä datapaketit lähetetään ja päätös reitistä tehdään erikseen jokaisessa solmupisteessä ja erikseen jokaiselle paketille. Virtuaalipiirissä ensin tiedustellaan valmis reitti ja 'avataan kanava', jonka jälkeen datapaketit lähetetään tätä reittiä pitkin.

Molemmissa verkkotyypeissä on erittäin tärkeää, että verkon solmupiteiden laitteet (nodet) osaavat reitittää signaalin oikeaan paikkaan. Tätä varten on olemassa useita reititysalgoritmeja. Reititys perustuu yleensä helpoimman reitin löytämiseen, joka ei aina tarkoita lyhintä reittiä.

Verkon ruuhkautuminen aiheutuu, kun datapakettejen määrä verkossa lähestyy maksimimäärää. Ruuhkautuminen aiheuttaa nodeissa tulo- ja lähtöbuffereiden täyttymisen, jolloin tiedonsiirto merkittävästi hidastuu. Tämän estämiseksi tarvitaan ruuhkanesto-ohjausta. Tällaiseen ohjaukseen liittyviä termejä: backpressure, choke packet, implicit congestion, explicit congestion.

Kotitehtävä 1

Kotitehtävä 2

Optinen tiedonsiirtolinkki:

Optinen tiedonsiirtolinkki koostuu lähettimestä, kuidusta (tai ilmatiestä) ja vastaanottimesta. Tiedonsiirtotie optisessa linkissä voi olla joko kuitu tai ilma. Ilmaa käytetään esimerkiksi kaukosäätimien infrapunavaloissa. Normaalisti kun tiedonsiirrolla on suuria nopeus ja/tai datan tarkkuusvaatimuksia, käytetään kuitua.

Optinen lähetin koostuu datan inputista, moduloinnin suorittavasta elementistä, valolähteestä ja siihen liittyvästä elektroniikasta (mm. teholähteestä). Valona käytetään useimmiten infrapunaa näkyvän valon sijasta. Valo tuotetaan LEDillä tai laser diodilla. Modulointitapana käytetään yleensä tiheysmodulaatiota. Lähettimen fyysiseen rakenteeseen kuuluu myös liitin valokuidulle.

Kuidun rakenne voi vaihdella huomattavasti eri sovelluksissa. Pääasiassa kuitu kuitenkin koostuu valoa kuljettavasta kuidusta ja sen ympärillä olevista suojakerroksista. Suojakerroksien tehtävänä on ensisijaisesti suojata johtoa, mutta lisäksi suojamateriaalit on valittava siten, että dispersio ei aiheuta signaalin liiallista vaimenemista. Poikkileikkauskuva eräästä optisesta kuidusta on esitetty kuvassa alla (kuvan lähde: http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_optics).

Kuvan optisessa kaapelissa on useita kuituja, joiden ympärillä on usea kerros suojamateriaalia. Suojamateriaalina käytetään lasia ja hartsia. Kuitujen välissä on optisesti mustaa materiaalia, joka estää kuidusta karanneen valon pääsyn toisiin kuituihin. Valoa kuljettava keskiö koostuu kahdesta materiaalista; sisemmän materiaalin taitekerroin on ulompaa kerrosta pienempi. Tämä tarkoittaa että sisemmässä osassa valo liikkuu hitaammin. Tämä on toimiva ratkaisu, sillä valon pysyminen sille tarkoitetulla materiaalilla perustuu kokonaisheijastukseen. Kokonaisheijastus tapahtuu kun valo saappuu optisesti hitaammasta materiaalista optisesti nopeamman materiaalin rajapintaan kulman ollessa riittävän suuri pinnan normaaliin nähden.

Vastaanotin on lähettimen kanssa samankaltainen. Vastaanottimessa on liitin johtimelle, signaalin tunnistuselementti (monesti valoherkkä transistori), suodatusta ja vahvistusta sekä demodulaation suorittava elementti.

Kotitehtävä 3

Bluetooth linkeissä käytettävät protokollat;

Bluetooth-yhteyksissä voidaan käyttää monia eri protokollia. Osa näistä on kuitenkin laitteelle pakollisia, toiset sovelluskohtaisesti valittavissa. Lista bluetooth-protokollista:

- LMP (Link Management Protocol)

- L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol)

- SDP (Service Discovery Protocol)

- HCI (Host/Controller Interface)

- RFCOMM (Serial Port Emulation)

- BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol)

- AVCTP (Audio/Video Control Transport Protocol)

- AVDTP (Audio/Video Distribution Transport Protocol)

- ym.

Näistä protokollista kolme ylintä ovat sovelluksesta riippumatta pakollisia. HCI ja RFCOMM ovat protokollia, jotka eivät ole pakollisia, mutta lötyvät käytännössä melkein kaikista Bluetooth-laitteista.

LMP on protokolla, jota käytetään kahden laitteen välisen radiolinkin hallitsemiseen. SDP:n avulla laitteet tunnistavat toistensa palvelut. Esimerkkinä puhelimen ja kuulokkeen yhdistys: SDP:n avulla puhelin tunniistaa, mitä audioprotokollia kuuloke osaa käyttää. Puhelin ei lähetä stereomusiikkia ellei vastaanottava laite osaa sitä lukea.

Lähde ylläoleviin asioihin: http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

L2CAP toimii protokollien multipleksauksessa ja toimii ylemmällä tasolla kuin LMP ja SDP. Bluetooth-linkin datansiirto koostuu ao. kuvan arkkitehtuurista (kuvan lähde: http://bluetooth.com/English/Technology/Works/Pages/Data_Transport_Architecture.aspx).

Kuvassa fyysiselle tasolle kuuluu siirtotielle modulointi ja fyysiset lähettimet. Loogiselle tasolle kuuluu loogisten linkkien ylläpitoon tarkoitetut protokollat kuten LMP ja SDP. Protokolla L2CAP on kuvassa ylimmällä tasolla ja se vaikuttaa kaikkiin muihin protokolliin ja käytännössä hallinnoi yhteyksiä. Tästä syystä sitä käsitellään kotitehtävässä muita protokollia tarkemmin.

L2CAP tarkemmin:

L2CAP-tasolla tapahtuu ylemmän tason protokollien ja sovellusten datan multipleksaus/demultipleksaus. L2CAP:n tehtävänä on jakaa loogisen linkin resurssit kahden laitteen ja eri sovellusten välillä. L2CAP-kanavan päätepisteet (= eri laitteiden L2CAP tasot) tunnistetaan kanavatunnisteella (CID, Channel Identifier). L2CAP kartoittaa kanavatunnisteen loogiselle linkille, jotta tieto data saadaan perille linkin yli oikealle laitteelle ja oikealle sovellukselle. L2CAP tukee sekä yheteysorientoituneita (connection oriented) että ryhmäorientoituneita (group oriented) kanavia. Yhteysorientoituneet kanavat L2CAP kartoittaa ACL-U -linkkiin (User Asynchronous/Isochronous Logical Link). Ryhmäorientoituneet kanavat se kartoittaa joko ASB-U -linkkiin (Active Slave Broadcast) tai iteroituna lähetyksenä ACL-linkkiin.

Kanavien luominen, purkaminen ja hallinta on L2CAP:n yksi tehtävä. Toinen tehtävä tehtävä on kanavia käyttävien palveludatayksiköiden (SDU, Service Data Unit) multipleksaus loogisille linkeille. Multipleksauksessa L2CAP suorittaa yksinkertaista aikataulutusta ja eri SDU:iden valitsemista niiden suhteellisen tärkeyden mukaan. Lisäksi L2CAP suorittaa vuon valvontaa.

Lähde yllä olevaan: http://bluetooth.com/English/Technology/Works/Pages/Data_Transport_Architecture.aspx

L2CAP on siis ylemmän tason protokolla, joka huolehtii kaiken Bluetooth-linkin välityksellä kulkevan datan ja muun kommunikoinnin onnistumisesta. Sen tehtäviä voisi verrata nettiyhteyksistä tuttuun TCP/IP-protokollaan.

Kotitehtävä 4

Signalointi ja modulointi GSM-järjestelmissä

GSM-laitteet käyttävät langattomassa kommunikoinnissa neljää radiotaajuuskaistaa; 850, 900, 1800 ja 1900 MHz. Laitteiden lähettämä data kanavoidaan käyttäen TDMA:n, CDMAn:n ja FDMA:n yhdistelmää.

Taajuuskaistat on jaettu kahteen osaan, uplinkiin ja downlinkkiin. Tämä on GSM:ssä käytetyn FDMA:n ensimmäinen taso. Esimerkiksi 900 MHz:n kaista on jaettu seuraavasti: 890 - 915 MHz käytetään tiedonsiirtoon puhelimelta tukiasemalle ja 935 - 960 MHz tukiasemalta puhelimelle. FDMA:n toinen taso on uplinkin ja downlinkin jako 124:ään 200 kHz kanavaan.

Nämä 124 taajuuskanavaa hyödynnetään tehokkaasti käyttäen TDMA:ta. Jokainen 200 kHz taajuuskaista on jaettu aikatasossa 4,615 ms pitkiin datakehyksiin. Datakehys jakautuu edelleen kahdeksaan 577 μs pitkään datapurskeeseen (data burst). Kun puhutaan GSM-kanavan varaamisesta puhelun muodostukseen, tarkoittaa tämä, että yhdeltä 200 kHz:n kaistalta varataan yksi 577 μs pitkä aikakaistale 4,615 ms välein.

GSM-laitteessa puhe näytteistetään 8 kHz taajuudella 13 bitin tavuiksi. Tämä tarkoittaa, että tiedonsiirtoon tarvitaan 104 kbit/s. Näytteistyksen jälkeen data kompressoidaan käyttäen RPE-LPC -koodausta (Regular Pulse Excited Linear Predictive Speech Codec), jolla tarvittava siirtonopeus pienenee arvoon 13 kbit/s. Virheenkorjaukseen käytettävät korjaussummat sekä suojausbitit lisäävät tiedonsiirtotarpeen kuitenkin arvoon 271 kbit/s. Näin ollen yhdessä 577 μs TDMA-aikavälissä voidaan lähettää 156,25 bittiä dataa.

Data moduloidaan käyttäen GMSK-modulointia (Gaussian Minimum-Shift Keying), joka eroaa perus MSK-modulaatiosta siten, että data muokataan Gaussian-suodattimella ennen taajuusmodulointia. Tämä pienentää signaalin tehoa sivukaistoilla ja siten parantaa häiriönsietokykyä ja estää kanavien ylikuulumista.

Kotitehtävä 5

Käyttöskenaario kodin tietoverkoista.

Kodin tietoverkko voi koostua seuraavista kokonaisuuksista: LAN (Local Area Network), Internet, puhelinverkko ja kaapeli- tai antennitelevisioverkko. Jotkut laitteista voivat käyttää useita näistä verkoista. Lisäksi jotkut verkot voivat käyttää samaa siirtotietä kodin ulkopuolelle. Esimerkiksi internetliityntä voi olla joko puhelinverkon tai kaapelitelevisioverkon kautta.

Kodin sisäinen tietoliikenne voi jakautua esimerkiksi siten, että tietokoneet (ja miksei kännykätkin) voivat käyttää langallista tai langatonta lähiverkkoyhteyttä toistensa kanssa kommunikointiin ja liittyä sen välityksellä Internetiin. Puhelinverkkoa käytetään nykyään hyvin vähän nimenomaan puheluihin, sillä lankapuhelimet ovat poistuneet lähes kaikkialta. Puhelinverkkoa käytetäänkin nykyään pääasiallisesti Internetin käyttöön, mutta joissain kodeissa voi myös olla faksi, joka käyttää perinteistä puhelinverkkoa.

Televisiot voidaan kytkeä antenniverkkoon tai kaapeliverkkoon (kumpi nyt sattuu olemaan saatavilla). Televisioverkon kautta voidaan myös nykyään saada televisioiden ja oheislaitteiden ohjelmistopäivityksiä. Lisäksi Internetyhteys on mahdollinen.

Kodin tiedonsiirtoon voidaan myös käyttää sähköverkkoa. Internet yhteys voidaan jakaa useiden laitteiden välillä salasanalla salattuna pistorasiaan laitettavalla aparaatilla. Tiedonsiirtonopeus ei sähköverkon häiriömäärän takia ole kovinkaan nopea, mutta idea on toimiva ja kaupallistettu.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1
    • Lähiopetus 7 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 0 h
    • Kotitehtävien tekoa 1 h
  • Luentoviikko 2
    • Lähiopetus 7 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 1 h
    • Kotitehtävien tekoa 2 h
  • Luentoviikko 3
    • Lähiopetus 7 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 0,5 h
    • Kotitehtävien tekoa 10 h

Palaute

Oikein hyvä. Valokuitu oli miellyttävä poikkeus normikotitehtävistä.

Pääsivulle