PODSTAWY TELEKOMUNIKACJI
Temat: Systemy telekomunikacyjne – wiadomości ogólne.
Cel wykładu: Zapoznać słuchaczy z wiadomościami ogólnymi na temat systemów telekomunikacyjnych.
Zagadnienia:
· System telekomunikacyjny – uwagi ogólne;
· Sieci analogowe i cyfrowe;
· Publiczna sieć telefoniczna;
· Zwielokrotnienie w systemie z podziałem czasowym – plesjochroniczna hierarchia cyfrowa;
Opracował:
dr inż. Bronisław Marcinkowski
Poprzez system należy rozumieć zbiór elementów decyzyjno – kierowniczych i elementów wykonawczych powiązanych ze sobą w zamkniętą całość organizacyjną oraz zasad ich funkcjonowania.
Według jednej z wielu uznawanych definicji, system jest wycinkiem świata, otoczonym ustaloną granicą (barierą, interfejsem), przez którą przenikają dające się interpretować sygnały.
Te sygnały są jedynym aspektem systemu istotnym dla „świata zewnętrznego", a więc także dla użytkowników systemu. Zakładamy, że system czemuś służy, a więc dostarcza usług. Celem istnienia systemu telekomunikacyjnego jest realizacja usług telekomunikacyjnych.
Abonent najczęściej postrzega granice systemu telekomunikacyjnego jako położone w przekroju dostępu abonenckiego, między aparatem końcowym a centralą sieci publicznej. Również sieć ISDN, traktowana jako wyróżnialny typ systemu, jest definiowana przez określenie sygnałów użytkowych i służbowych występujących w tym przekroju. Z tej perspektywy wewnętrzna struktura systemu telekomunikacyjnego jest rzeczą wtórną.
Struktura wewnętrzna systemu jest natomiast istotna dla projektanta-konstruktora. Systemy telekomunikacyjne i ich podsystemy (systemy teletransmisyjne, sygnalizacyjne, synchronizacyjne, dostępowe) są konstruowane jako systemy rozproszone, czyli złożone z autonomicznych komponentów[1], porozumiewających się w celu wypełnienia „misji" przypisanej systemowi. Reguły komunikowania się tych komponentów, czyli protokoły komunikacyjne, pełnią rolę szczególną: zapewniają spójność systemu jako całości.
Spotyka się dwie interpretacje pojęcia sieć – system telekomunikacyjny:
· szersze, w którym granica systemu telekomunikacyjnego została zakreślona między użytkownikiem a urządzeniem końcowym - terminalem,
· węższe, w którym granica systemu pokrywa się z prawno - administracyjną granicą obszaru odpowiedzialności Operatora i oddziela terminal od pozostałych urządzeń sieci.
Ustawa z dnia 21 lipca 2000 r. – Prawo Telekomunikacyjne stwierdza:
„Sieć telekomunikacyjna - urządzenia telekomunikacyjne i linie telekomunikacyjne, zestawione i połączone w sposób umożliwiający przekaz sygnałów pomiędzy określonymi zakończeniami sieci, za pomocą przewodów, fal radiowych bądź optycznych lub innych środków wykorzystujących energię elektromagnetyczną.”
Z reguły przyjmuje się interpretację węższą, zgodnie z którą same aparaty końcowe nie są elementami sieci ISDN. Rozróżnienie między urządzeniami sieci a urządzeniami końcowymi (dołączonymi do sieci) funkcjonuje od lat i zostało zachowane, z wielu istotnych powodów, w prawodawstwie telekomunikacyjnym. Ponadto uniwersalność i wielousługowość sieci ISDN staje się widoczna i oczywista dopiero wtedy, gdy obserwuje się postać sygnałów i zasady komunikacji na granicy systemu zdefiniowanego wąsko. Jednakże tam, gdzie będzie mowa o usługach postrzeganych przez abonenta (za pośrednictwem jego aparatu końcowego), będziemy przyjmować definicję szerszą.
Rys.1. Granice systemu
Sieć telekomunikacyjna lub po prostu sieć, pokazana na rys. 2 stanowi połączenie pewnej liczby węzłów, będących inteligentnymi procesorami (tzn. mikrokomputerami). Najważniejszą rolą tych węzłów jest kierowanie danych w sieci. Do każdego węzła dołączona jest pewna liczba stacji, związanych z urządzeniami biorącymi udział w telekomunikacji. Sieć zorganizowana jest tak, aby pracowała w systemie z podziałem zasobów, aby wymiana danych pomiędzy stacjami odbywała się w sposób efektywny i aby zapewnić wprowadzanie nowych aplikacji i usług.
Sieć telefoniczna jest przykładem sieci telekomunikacyjnej, w której komutacja kanałów stosowana jest dla tworzenia drogi telekomunikacyjnej lub połączenia między dwiema stacjami. Połączenie takie składa się z szeregu linii łączących źródło z odbiorcą. Linie mogą stanowić przedziały czasowe w systemie ze zwielokrotnianiem z podziałem czasowym lub przedziały częstotliwości w systemie ze zwielokrotnianiem z podziałem częstotliwościowym (FDM). Raz ustanowione połączenie pozostaje nienaruszone przez cały czas transmisji. Połączenie to jest stale sterowane przez scentralizowany, hierarchiczny system sterujący, mający wiedzę o organizacji całej sieci. W celu ustanowienia połączenia, w sieci tworzona jest droga, przydzielana następnie do wyłącznego użytku dwóm stacjom, które chcą się ze sobą komunikować.
Rys. 2. Sieć telekomunikacyjna
W szczególności, sygnał przywoławczy musi przejść drogę do stacji przeznaczenia i zostać potwierdzony, zanim transmisja może się rozpocząć. Od tego momentu sieć staje się przezroczysta dla obu użytkowników. Oznacza to. iż podczas istnienia połączenia, zajmowane pasmo i inne zasoby przyznane temu połączeniu są w zasadzie „własnością" obu stacji, aż. do czasu ustania połączenia. Połączenie stanowi zatem efektywne wykorzystanie zasobów tylko w stopniu, w jakim przyznane pasmo jest właściwie wykorzystywane.
Chociaż sieć telefoniczna jest używana do transmisji danych, rozmowy stanowią przeważającą większość ruchu w takiej sieci. Sposób komutacji w takiej sieci jest dobrze dostosowany do przesyłania sygnałów mowy, kiedy czas trwania rozmowy jest stosunkowo długi (przeciętnie około 2 minut), w porównaniu z czasem wymaganym dla ustanowienia połączenia (około 0,1-0,5 sekundy). Co więcej, dla większości rozmów telefonicznych, przepływ informacji odbywa się przez prawic cały czas trwania połączenia, co czyni omawiany system szczególnie dogodnym do przesyłania rozmów.
W systemie z:
· komutacją kanałów, linia telekomunikacyjna dzielona jest pomiędzy różne połączenia zachodzące z użyciem danej linii na zasadzie stałego przydziału;
· z komutacją pakietów natomiast, podział następuje na zasadzie zapotrzebowania, co ma przewagę nad komutacją kanałów, gdyż linia może być w większym stopniu wykorzystywana, gdy tylko łącze jest użytkowane.
Jak wiadomo, zgodnie z obowiązującym obecnie paradygmatem[2], duże sieci telekomunikacyjne są konstruowane jako systemy rozproszone, złożone z następujących głównych komponentów:
· węzły komutacyjne (centrale), zaopatrzone w sterowanie i urządzenia służące do przenoszenia sygnałów użytkowych ze wskazanego wejścia do wybranego wyjścia („pole komutacyjne"[3]),
· łącza międzycentralowe rozmowne[4], służące do przesyłania sygnału użytkowego między „polami komutacyjnymi" poszczególnych central,
· łącza międzycentralowe sygnalizacyjne, umożliwiające wymianę informacji między systemami sterowania central, dzięki czemu poszczególne, autonomiczne węzły komutacyjne zostają połączone w spójny system, zdolny do globalnego przetwarzania zgłoszeń,
· łącza abonenckie, służące do przesyłania sygnałów użytkowych (rozmownych) i służbowych (sygnalizacja abonencka) między użytkownikiem-abonentem a ustalonym, zwykle geograficznie najbliższym, węzłem komutacyjnym,
· struktura powiązań między wymienionymi elementami (struktura nie jest wprawdzie komponentem w rozumieniu „części składowej", ale jednak jest istotnym aspektem konstrukcji sieci).
Usługa telekomunikacyjna jest definiowana jako „to, co operator oferuje swym abonentom w celu zaspokojenia konkretnej potrzeby komunikacyjnej". Trzeba jednak pamiętać, że rolę Operatora sieci, wcześniej kojarzonego z monopolistyczną, państwową Administracją Łączności, może przejąć cala grupa podmiotów, jak:
- dostawca treści przekazu (Content Provider),
- dostawca środków transportu informacji (Nctwork Provider),
- dostawca konkretnych usług (Servce Provider).
Ponadto jest oczywiste, że oferować można jedynie to, czym oferujący włada. Tymczasem, jak się okaże, nie wszystkie funkcje związane z realizacją usług w sieci ISDN znajdują się w domenie Operatora.
Należy odróżniać usługę telekomunikacyjną od jej aplikacji (application). Aplikacja usługi to specyficzne zastosowanie tej usługi w celu zaspokojenia konkretnej potrzeby, niekoniecznie komunikacyjnej. W ramach aplikacji wykonuje się szereg zadań, z których część ma charakter komunikacyjny i może być realizowana w wyniku użycia konkretnej usługi. Naturalną aplikacją usługi telefonicznej jest rozmowa (konwersacja) głosowa między korespondentami - ludźmi. W przypadku bardziej złożonych usług i aplikacji, różnice między nimi stają się wyraźniejsze. Dla przykładu: telemedycyna, telepraca, telezakupy, teleedukacja to aplikacje, a nie usługi telekomunikacyjne.
Pod względem cech postrzeganych przez abonenta (i niezależnie od technologii budowy sieci), wyróżnia się następujące rodzaje usług telekomunikacyjnych:
· usługi interaktywne (interactve):
- usługi konwersacyjne (conversational) - istota: dwukierunkowa wymiana informacji w czasie rzeczywistym, przykład: telefonia, wideotelefonia;
- przekazywanie wiadomości (messaging, różne odmiany poczty elektronicznej) - istota: dwukierunkowa wymiana informacji z zastosowaniem funkcji store-and-forward[5], przykład: poczta elektroniczna;
- wyszukiwanie informacji (retrieval, dostęp do baz danych) - istota: przesyłanie do użytkownika, na żądanie, informacji wcześniej zgromadzonych, przykład: wideoteks VoD (Video on Demand);
· usługi dystrybucyjne (rozsiewcze) - istota: jednokierunkowe rozprowadzanie informacji do wielu użytkowników (w odróżnieniu od usług typu retrieval, tu użytkownik nie ma wpływu na szybkość i czas przesyłania danych ani na ich treść):
- usługi z możliwością indywidualnego sterowania prezentacją (np. telegazeta),
- bez indywidualnego sterowania prezentacją (np. telewizja programowa).
Różnice cech wymienionych rodzajów usług są poważne i wywierają istotny wpływ na wewnętrzną konstrukcję sieci telekomunikacyjnej, co historycznie doprowadziło do rozdzielenia sieci realizujących usługi interaktywne i dystrybucyjne. W niniejszym opracowaniu zajmujemy się usługami interaktywnymi, dlatego rozważamy jedynie takie funkcje i struktury sieci telekomunikacyjnej, które są właściwe dla tej szerokiej grupy usług.
Przy opisywaniu zjawisk związanych z realizacją usług interaktywnych stosuje się następujące pojęcia podstawowe:
· komunikacja (communication) pojęcie związane z zastosowaniem usługi (z wykonaniem aplikacji);
· zgłoszenie (cali, także: rozmowa) „Logiczne skojarzenie między dwoma lub większą liczbą punktów końcowych, pozwalające na skorzystanie z usługi telekomunikacyjnej".
W tym rozumieniu zgłoszenie reprezentuje cały ciąg czynności (akcji, zdarzeń). Jednym z takich zdarzeń jest wywołanie, czyli żądanie realizacji usługi;
· połączenie (network connection)
„Skojarzenie między zasobami sieci, dzięki któremu powstaje zdolność do przesyłania informacji między punktami końcowymi sieci". Taka zdolność jest także nazywana łączem rozmownym (użytkowym).
Dla ścisłości, należałoby mieć na uwadze rozróżnienie między trybem połączeniowym a trybem bezpołączeniowym (connectionless) transferu informacji przez sieć. W trybie połączeniowym zapewnia się przekazywanie, poza samą informacją rozmowną, także „informacji o tej informacji" (formalnie - narastającej informacji o integralności transferu[6]). Takie rozróżnienie jest dla naszych celów nieistotne.
W celu skomunikowania się z korespondentem, użytkownik generuje zgłoszenie, przesyłając do sieci wywołanie — żądanie realizacji usługi. Podczas obsługi tego zgłoszenia sieć zestawia, w drodze komutacji[7], jedno lub więcej połączeń.
Należy zwrócić szczególna uwagę na liczbę połączeń, za pomocą których sieć obsługuje konkretne zgłoszenie. Przypisywanie jednego połączenia do jednego zgłoszenia, charakterystyczne dla sieci telekomunikacyjnych wcześniejszych generacji, stanowi przypadek szczególny. Wielość możliwych wariantów zilustrowano na rys. 3. Wybór konkretnego wariantu zależy m.in. od tego, czy istnieje możliwość zestawienia połączenia o dowolnych cechach, czy też cechy te są w określony sposób kwantowane. Ponadto, na rysunku uwzględniono „krotność" usługi (liczbę równoczesnych użytkowników usługi) oraz ewentualną asymetrię komunikacji: są to jedne z cech, za pomocą których charakteryzuje się usługę. W każdym razie, potencjalna wielość połączeń sprawia, że wśród zadań związanych ze sterowaniem w sieci należy rozróżniać sterowanie obsługą zgłoszenia i sterowanie zestawianiem połączenia.
Rys.3. Połączenia w obsłudze zgłoszenia
Dawna telekomunikacja miała charakter analogowy. Oznacza to, iż do przekazywania informacji używane były sygnały zmieniające się w sposób ciągły. Jakość dźwięku mowy uzyskiwana w sieciach analogowych zależała od szerokości przenoszonego widma mowy. Za należyty kompromis między kosztem i jakością uważana była szerokość pasma wynosząca nieco powyżej 3 kHz. Zakres od 300 Hz do 3,4 kHz (o maksimum dla częstotliwości l kHz) stanowił podstawę analogowych sieci telefonicznych. Gdy sieć telefoniczna z analogowej stała się cyfrowa, typowe sygnały głosowe były przekształcane na strumienie bitów o szybkości 64 kb/s. Ilustruje to rys. 4.
Rys.4. Od sygnału analogowego do cyfrowego
Komunikacja między komputerami, opierająca się na dyskretnych sygnałach cyfrowych, może korzystać z połączeń analogowych, lecz jest ograniczona przez dostępną szerokość pasma. Wprowadzone ostatnio sieci całkowicie cyfrowe nadają się w idealny sposób dla potrzeb sieci komputerowych, a pojemność tych sieci bardzo wzrosła (np. od 64 kb/s do więcej niż 10 Mb/s w połowie lat 90.) i mogą transmitować mowę, dane, tekst i obrazy.
We wczesnych latach siedemdziesiątych zaczęły pojawiać się cyfrowe systemy teletransmisyjne oparte na metodzie zwanej modulacją kodowo-impulsową PCM. PCM dokonuje przekształcenia sygnału analogowego, np. głosu ludzkiego w ciąg binarny. Przy użyciu tej metody można przedstawić standartowy sygnał telefoniczny o paśmie 4 kHz za pomocą cyfrowego ciągu znaków o przepływności 64 kbit/s. Na rysunku 2.1 zaprezentowano zasadę PCM.
„Publiczna sieć telefoniczna - sieć publiczna stosującą techniki komutacji, wymagającą wykorzystania zasobów numeracji, zapewniającą między innymi:
a) usługę telefoniczną,
b) transmisję faksów,
transmisję danych w paśmie fonicznym za pomocą modemów, - pomiędzy zakończeniami sieci o stałej lokalizacji, zwaną dalej stacjonarną publiczną siecią telefoniczną, albo pomiędzy zakończeniami sieci o zmiennej lokalizacji, zwaną dalej ruchomą publiczną siecią telefoniczną.
Znana większości z nas sieć telefoniczna rozwijała się przez wiele lat. Składa się ona w zasadzie z pewnej lic...
mloda-ania