Úvod do telekomunikačních sítí Petr Jareš, Jiří Vodrážka
Autoři: Petr Jareš, Jiří Vodrážka Název díla: Úvod do telekomunikačních sítí Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE S telekomunikační technickou a technologiemi Internetu se dnes setkáváme na každém kroku. Od svého vzniku vykonala telekomunikační technika obrovský pokrok. Vývoj se navíc v posledních letech významně zrychluje a proniká i oblastí, kde se to před pár lety zdálo nemyslitelné. Dnes a denně tak telekomunikační technika ovlivňuje naše životy.
CÍLE Cílem modulu je uvést do problematiky telekomunikačních sítí. Modul názorným způsobem tyto sítě rozděluje, popisuje jejich základní vlastnosti a ukazuje, s jakými technologiemi se lze setkat při výuce v laboratořích FEL, ČVUT v Praze. Odpovídajícím způsobem jsou také rozebírány základní principy zpracování a přenosu uživatelské informace v jednotlivých typech sítí a způsoby vzájemné spolupráce mezi sítěmi. Modul tedy umožňuje přehledným způsobem získat základní vědomosti o světě moderní telekomunikační techniky a motivuje k dalšímu studiu.
LITERATURA [1]
VODRÁŽKA, J.; PRAVDA, I.: Principy telekomunikačních systémů. ČVUT Praha, 2006. 137 stran. ISBN 80-01-03366-X.
[2]
JANSEN, H.; RÖTTER, H. a kolektiv: Informační a telekomunikační technika. Vydavatelství Europa – Sobotáles cz. Praha, 2004. 383 stran. ISBN 80-86706-08-7.
[3]
SVOBODA, J. a kolektiv: Telekomunikační technika (III.díl) – Telekomunikační služby a sítě. Odborné nakladatelství Hüthig&Beneš Praha, 1999. 136 stran. ISBN 80-9019367-6.
Obsah 1 Telekomunikační sítě ........................................................................................................... 6 1.1
Telekomunikační síť a telekomunikační zařízení....................................................... 6
1.2
Telekomunikační sítě dnes ......................................................................................... 7
1.3
Síť Internet.................................................................................................................. 8
1.4
Členění telekomunikačních sítí ................................................................................ 10
1.5
Páteřní telekomunikační síť ...................................................................................... 12
1.6
Technologie v páteřních sítích ................................................................................. 14
1.7
Přístupová telekomunikační síť ................................................................................ 17
1.8
Technologie v přístupových sítích ........................................................................... 18
1.9
Lokální síť ................................................................................................................ 21
1.10
Shrnutí telekomunikačních sítí ................................................................................. 23
1.11
Konvergence telekomunikačních sítí ....................................................................... 24
1.12
Vrstvové modely komunikace .................................................................................. 25
2 Technologie pro telekomunikační sítě .............................................................................. 27 2.1
Klasická telefonie ..................................................................................................... 27
2.2
Digitalizace hovorového signálu .............................................................................. 28
2.3
Transportní hierarchie SDH/OTH pro páteřní sítě ................................................... 29
2.4
Technologie DWDM pro páteřní sítě ....................................................................... 31
2.5
Digitální účastnické přípojky v přístupové síti......................................................... 33
2.6
Realizace přístupové sítě optickými vlákny ............................................................. 35
2.7
Technologie pro bezdrátové lokální a přístupové sítě .............................................. 37
2.8
Technologie Wi-Fi ................................................................................................... 39
2.9
Technologie WiMAX ............................................................................................... 41
2.10
Buňkové radiové sítě GSM a UMTS ....................................................................... 42
2.11
Závěr ......................................................................................................................... 44
3 Závěrečný test ..................................................................................................................... 45 3.1
Závěrečný test........................................................................................................... 45
1 Telekomunikační sítě 1.1 Telekomunikační síť a telekomunikační zařízení Snaha člověka dorozumívat se (komunikovat) na větší vzdálenosti, než na jakou mu dovolují jeho smysly, vedla postupně ke vzniku různorodých zařízení a přístrojů. Taková to komunikace na dálku se označuje termínem telekomunikace, který spojuje slovo komunikace a řecké slovo tele (vzdálený). Zařízení, které nám umožňuje vzdálené dorozumívání, označujeme jako telekomunikační zařízení. Vzájemným propojením telekomunikačních zařízení vzniká telekomunikační síť. Telekomunikace je tedy nauka o přenosu zpráv a spadá pod obecnou disciplínu nazývanou sdělovací technika, či též komunikační technika pod vlivem anglického termínu. Tvoří neoddělitelnou součást oboru ICT (Information and Communication Technology). Telekomunikační síť je soubor vzájemně propojených telekomunikačních zařízení, který umožňuje přenos informace mezi koncovými body. Telekomunikační síť je tvořena spojnicemi (přenosovými cestami) a uzly (síťovými prvky).
Telekomunikační zařízení je soubor zařízení sloužící ke zpracování a využití telekomunikačního signálu, který je nositelem informace v různých formách.
Telekomunikační sítí je například mobilní síť operátora a telekomunikačním zařízením je mobilní terminál. Telekomunikační sítě jsou budovány za účelem poskytování služeb, jako je telefonie (voice), televize, přístup k síti Internet. Místo pojmu telekomunikační sítě se dnes používá termín sítě elektronických komunikací a hovoříme o poskytování služeb sítí elektronických komunikací. Podmínky provozování sítí a služeb upravuje Zákon o elektronických komunikacích. Dodržováním pravidel a regulaci v tomto segmentu zajišťuje státem zřízený Český telekomunikační úřad (ČTÚ). Technické principy a konkrétní technologie v sítích musí být mezinárodně standardizovány, aby byla zajištěna spolupráce zařízení různých výrobců a sítí různých operátorů. Jednou ze standardizačních institucí je Mezinárodní telekomunikační unie pro telekomunikační sektor ITU-T (International Telecommunication Union).
1.2 Telekomunikační sítě dnes Rozvoj v oblasti výpočetní techniky ovlivňuje i vývoj v oblasti telekomunikačních sítí. V dnešní době tak existují telekomunikační sítě, které neslouží pro potřeby člověka a jeho dorozumívání se především prostřednictvím telefonní služby, ale využívají se pro přenos počítačových dat. Oblast klasické telefonie a oblast počítačových datových sítí se tak vzájemně významným způsobem prolnuly. V dnešní době ztrácí význam dělení telekomunikačních sítí podle typu přenášených informací (telefonní hovor pro člověka, datové zprávy pro počítače). Logickým důsledkem rozvoje je vytvoření univerzální telekomunikační sítě, která je schopna přenášet informace a data pro různé služby. Dnes už není rozhodující, jestli chceme přenášet lidský hovor, počítačová data nebo textové zprávy. Moderní telekomunikační sítě využívají pro všechny služby víceméně shodné přenosové prostředky. Co však je třeba stále rozlišovat, jsou podmínky nutné pro přenos informací a dat. Jiné podmínky je třeba vytvořit pro přenos krátké textové zprávy, jiné pro přenos videa s vysokým rozlišením. Z pohledu uživatele je jedno, zda hodlá komunikovat z Prahy do Plzně, nebo z Brna do Severní Ameriky. Požaduje stejnou službu bez ohledu na vzdálenost. Je na telekomunikačních operátorech (provozovatelích telekomunikačních sítí), aby zajistili odpovídající technické prostředky. Z technického pohledu je nutné rozlišovat, jestli je úkolem například vzájemné propojení osobních počítačů v kanceláři firmy, nebo jestli má telekomunikační síť za úkol přenášet informace a data přes Atlantický oceán. První transatlantický kabel byl položen už v roce 1858 mezi Irskem a kanadským ostrovem Newfoundland. Jako první zprávy se přenesly vzájemné pozdravy mezi královnou Viktorií a americkým prezidentem Jamesem Buchananem. Přenesení každého znaku Morseovi abecedy však trvalo v průměru 2 minuty a 5 sekund a proto se odpověď prezidenta Buchanana o 320 znacích přenášela 17 hodin a 40 minut.
7
1.3 Síť Internet Určitě nejznámější sítí pro výměnu informací je Internet. Nejedná se však o typickou telekomunikační síť. Internet je totiž tvořen vzájemně propojenými telekomunikačními sítěmi jednotlivých operátorů. Internet je tak vlastně síť tvořená jednotlivými telekomunikačními sítěmi. Součástí Internetu nejsou jen telekomunikační sítě, ale i informační zdroje v podobě serverů, výpočetních center, datových uložišť. Rozsáhlá výpočetní a datová centra svázaná se sítěmi a službami Internetu se dnes módně označují termínem z angličtiny „cloud“.
Uspořádání první datové sítě ARPANET.
Počátky sítě Internet se datují dnem 29. října 1969. V tento den byla v USA zprovozněna síť nesoucí název ARPANET. ARPA byla agentura ministerstva obrany USA pro výzkum pokročilých vojenských technologií. ARPANET tvořily čtyři uzly, počítače v různých univerzitách USA, a smyslem projektu bylo ověřit možnosti decentralizace řízení a principy vzájemné komunikace pro případnou jadernou válku tak, aby nebylo možné jediným jaderným úderem vyřadit z provozu velení armády. Jednotlivé uzly byly: •
University of California, Los Angeles (UCLA)
•
University of California, Santa Barbara (UCSB)
•
Stanford Research Institute (SRI) 8
•
University of Utah
Telekomunikační sítě operátorů mohou pokrývat pouze malou lokální oblast, ale také mohou pokrývat i území několika států. A přestože se i dost často při obsluze účastníků na určitém geografickém území překrývají, jsou vždy od sebe odděleny (otázka bezpečnosti provozu nebo konkurence). Aby účastníci připojení do různých sítí mohli spolu komunikovat, jsou telekomunikační sítě jednotlivých operátorů vzájemně propojeny v takzvaných propojovacích bodech.
Síť Internet je tvořena vzájemným propojením velkého množství sítí operátorů.
Konkrétně pro Internet se tyto body označují jako IXPs (Internet Exchange Points). Po celém světě jich je přibližně 156. V České Republice máme celkem 3 propojovací body, z nichž nejznámější je zájmové sdružení právnických osob NIX.CZ, z.s.p.o. (http://nix.cz).
9
1.4 Členění telekomunikačních sítí Celosvětová síť Internet se tedy skládá z ohromného množství vzájemně propojených sítí různých operátorů. Pokud se začneme podrobněji zajímat o strukturu kterékoliv sítě, zjistíme, že je možné tuto síť rozdělit do třech základních úrovní, které mají hierarchické uspořádaní. Telekomunikační sítě dělíme na: •
Páteřní sítě
•
Přístupové sítě
•
Lokální sítě
V hierarchickém upořádání je na nejvyšší úrovni síť páteřní. Je možné zkonstatovat, že síť této úrovně má každý operátor jen jednu. Ta se však může dělit do více podsítí (subsítí) např. podle regionů v rámci jednoho státu. O stupeň níž se v hierarchii nalézají sítě přístupové. Počet těchto sítí odpovídá většinou počtu lokalit, ve kterých operátor poskytuje svoje služby. Nejníže v hierarchii se nalézají lokální sítě jednotlivých účastníků. Dělení telekomunikační sítě do hierarchických úrovní koresponduje s úkoly, které má síť v každé úrovni plnit. Tomu pak odpovídá například i typická přenosová technologie, přenosové médium, přenosové rychlosti, topologie (uspořádání) sítě, apod.
Struktura telekomunikační sítě.
Černé body v obrázku označují telekomunikační uzly páteřní sítě ve významných městech v podobě směrovačů (routerů) datového provozu a obsahující často i informační zdroje (servery) a další prostředky pro poskytování služeb.
10
Klasické telefonní sítě jak pevné tak mobilní mají v místě uzlů telefonní ústředny a jako lokální síť si můžeme v tomto případě představit pobočkovou firemní síť. Mobilní i pevná telefonní síť má v zásadě shodnou část páteřní. Významně se však liší v části přístupové. Aby se požadovaná informace dostala na místo určení, je nutné ji vybavit adresou. V telefonní síti je adresní informací telefonní číslo, které volíme. V síti Internet je to číselně vyjádřená tzv. IP adresa, nebo textově zapsaná adresa serveru, k němuž hodláme přistupovat např. www.comtel.cz.
11
1.5 Páteřní telekomunikační síť Jak jsme si již řekli, páteřní síť představuje hierarchicky nejvyšší úroveň sítě. Jejím úkolem je vysokorychlostně propojit všechny lokality s přístupovými sítěmi operátora. V páteřní síti se také realizují propojovací body se sítěmi jiných operátorů. Páteřní sítě se také označují obecnou zkratkou WAN (Wide Area Network). Pro páteřní sítě jsou typické následující charakteristiky: •
přenosové rychlosti jsou v řádech jednotek Gbit/s až stovek Gbit/s,
•
překlenované vzdálenosti jsou od desítek kilometrů výše,
•
typická topologie sítě je topologie kruhu nebo mříže,
•
typickým přenosovým mediem je optické vlákno,
•
typická technologie je Ethernet s podporou MPLS (MultiProtocol Label Switching), SDH/OTH (Synchronous Digital Hierarchy/Optical Transport Hierarchy ), využívání hustého vlnového dělení DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) případně hrubého vlnového dělení CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing).
•
v síti se vyskytují desítky až stovky síťových uzlů.
S tím, že nerozumíte uvedeným zkratkám a pojmům si teď nedělejte starosti. Během dalšího studia je pochopíte a naučíte se orientovat v celé řadě termínů důležitých pro vaši profesní dráhu. Přenosové systémy pro páteřní sítě jsou koncipovány takovým způsobem, aby byly schopny zajistit přenos velkého množství dat z různých zdrojů s různou garancí kvality služby. V případě velkých městských aglomerací, které jsou specifické vysokou hustotou obyvatelstva, je možné se setkat se zkratkou MAN (Metropolitan Area Network). Takto se označuje síť s charakteristikami WAN ovšem v působnosti rozsáhlejší městské aglomerace. Na obrázku je ukázána reálná topologie páteřní sítě společnosti CESNET, z. s. p. o. (zdroj http://www.cesnet.cz/), která je akademickou sítí ČR propojující, výzkumné instituce univerzity a řadu dalších škol.
12
Topologie páteřní sítě CESNET2.
Kvalita služby je měřítko, jak hodnotit spokojenost účastníka se službou za kterou platí, a kterou mu operátor poskytuje. Hodnocení služby je poměrně komplikovaný proces. Pro hodnocení se využívají různá kritéria. Počínaje například zcela objektivními technickými kritérii, jako je dosažená přenosová rychlost nebo zpoždění dat při přenosu, konče zcela subjektivními kritérii, jako je přehlednost vyúčtování nebo spokojenost se zákaznickou podporou.
13
1.6 Technologie v páteřních sítích V rámci výuky studijního programu KME je možné se reálně setkat s přenosovými systémy, které jsou určeny pro páteřní telekomunikační sítě velkých internetových operátorů. Konkrétně se jedná o prvky Synchronní digitální hierarchie a přenosové systémy založené na principech hustého vlnového dělení DWDM. Hierarchie SDH je komplexní technologie pro přenos účastnických dat různých služeb. V hierarchii je definován exaktní způsob pro zpracování účastnických dat, je definována služební komunikace mezi jednotlivými síťovými prvky, jsou definovány způsoby ochrany a procedury obnovy síťových spojení. Hierarchie SDH je využívána především pro svou schopnost zajistit požadovanou kvalitu služby, propracovaný způsob správy a konfigurace síťových prvků, a pro své další vlastnosti jako je například definovaný způsob rozvodu synchronizačního signálu od referenčních atomových hodin ke všem síťovým prvkům, apod. Modelová síť a reálný síťový prvek jsou zobrazeny na následujících obrázcích.
Laboratorní síť SDH pro demonstraci funkcionality přenosu dat v páteřní síti.
14
Centrální síťový prvek SDH Lucent AMU v Laboratoři přenosové techniky.
DWDM je univerzální systém pro vícenásobné využití optických vláken, který je založen na principu paralelních přenosů na více vlnových délkách. V rámci laboratorních cvičení odborných předmětů je možné se s tímto přenosovým zařízením setkat a provádět například měření parametrů AWG (Arrayed Waveguide Grating) článků, které jsou základním prvkem moderních DWDM systému, nebo analyzovat spektrum optického signálu v jednotlivých DWDM kanálech i výsledného multiplexovaného optického signálu apod. Dvojice zařízení na obrázku je schopna transportovat uživatelská data rychlosti 8x 1Gbit/s na vzdálenosti v řádech desítek kilometrů.
Výukové pracoviště DWDM v Laboratoři přenosové techniky.
15
Články Arrayed Waveguide Grating (AWG) se používají u DWDM systémů pro sloučení optických příspěvkových signálů z vláken zapojených do vstupních portů (funkce multiplexoru) nebo pro vydělení jednotlivých optických signálu z celého přenášeného spektra (funkce demultiplexoru).
16
1.7 Přístupová telekomunikační síť Přístupová síť má jako hlavní úkol zajistit připojení do páteřní sítě koncovým stanicím účastníků a uživatelů. Se sítí této úrovně AN (Access Network) se tedy běžně setkáváme v našich domovech. Pro přístupovou síť je charakteristické, že: •
přenosové rychlosti jsou v řádech stovek kbit/s až jednotek či desítek Mbit/s,
•
překlenované vzdálenosti jsou řádově kilometry,
•
obvyklou topologií sítě je topologie rozvětveného stromu,
•
typickým přenosovým mediem je metalické vedení, volný prostor (vzduch), výjimečně i optické vlákno,
•
typická technologie je FTTx (Fibre to the x), xDSL (Digital Subscriber Line), sítě kabelové televize CATV, standardizované bezdrátové systémy (např. WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access) a proprietární bezdrátové systémy, buňkové systémy pro mobilní komunikaci.
Různorodost přenosových systémů pro přístupové sítě je podstatně větší než pro sítě páteřní. Odpovídá to nutnosti zajistit přenos dat pro velké množství účastníků na geograficky velkém území s různými podmínkami, ve kterých je nutné realizovat datové přenosy. O zvoleném přenosovém systému rozhodují samozřejmě také požadavky účastníka. Pokud chceme mít online přístup na burzu cenných papírů se spolehlivostí 99,9%, protože se živíme jako burzovní makléř, sotva si zvolíme pro přenos dat bezdrátovou přenosovou technologii v nelicencovaném kmitočtovém pásmu. Naopak, pokud chceme mít přístup do sítě Internet ze své chatičky hluboko v šumavské CHKO, s největší pravděpodobností si zvolíme mobilní připojení GSM či UMTS, pokud nejsme v dosahu nějakého místního operátora. Spolehlivost přenosových systémů a síťových prvků je zvykem udávat v procentech. Pro provoz méně náročných služeb, jako je WEB, e-mail apod., je možno v profesionálním prostředí požadovat činitel pohotovosti 3 devítky, tj. 99,9%, což znamená, že musíme zajistit střední dobu mezi poruchami cca 1 rok (za předpokladu střední doby pro obnovení provozu 10 hodin). Za zvýšený požadavek na spolehlivost lze považovat činitel pohotovosti 4 devítky, tj. 99,99%, což znamená, že musíme zajistit střední dobu mezi jednotlivými poruchami zařízení či sítě řádově v jednotkách let, až přes 10 let, podle maximální doby prostoje, kterou jsme schopni garantovat. Vysokou spolehlivost na 6 devítek, tj. 99,9999% (též označováno jako 99,999+%) je možno prakticky zajistit výhradně zálohováním síťových prvků a cest v síti. Výše uvedené činitele pohotovosti lze vyjádřit i jinak. Například činitel pohotovosti 99,9% lze vyjádřit jako poruchu zařízení v maximální délce 8 hodin 45 minut 36 sekund v průběhu 1 roku. Ekvivalentně lze pak vyjádřit i zbylé činitele pohotovosti. Pro běžné služby pro domácnosti obvykle postačí činitel pohotovosti 99%.
17
1.8 Technologie v přístupových sítích Obdobně, jako u technologií pro páteřní sítě, je možné se v odborných předmětech studijního programu KME setkat a seznámit i s technologiemi pro přístupové sítě. Lze tak získat představu o relevantních parametrech výkonnosti přenosu digitálních účastnických přípojek (ADSL/ADSL2+/VDSL2) a umět je srovnat marketingovými nabídkami „až 8 Mbit/s až 16 Mbit/s až 25 Mbit/s“. Lze také získat znalosti o systémech, které chrání telekomunikační sítě před přetížením tak, že omezují účastnický datový provoz, když rozeznávají data jednotlivých služeb a například s jistotou zahazují pakety služeb výměny dat P2P zatímco si nevšímají dat protokolu HTTP, apod. K demonstraci principů digitálních účastnických přípojek je možné si v laboratorních cvičeních modelovat topologii reálné přístupové sítě, která je založena na symetrických metalických párech, z instalovaného metalického kabelu.
Ústřednová strana přípojky ADSL2+ v Laboratoři přenosové techniky.
Bez problémů si lze ve cvičeních vzájemně porovnat kvalitu datového přenosu televize ve vysokém rozlišení, pokud je datový tok přenášen metalickou přípojkou ADSL2+ nebo optickou cestou v pasivní optické síti (EPON).
18
Koncové zařízení na straně účastníka optické sítě EPON v Laboratoři přenosové techniky.
Koncové zařízení na straně operátora sítě EPON v Laboratoři přenosové techniky.
Zajímá-li nás technologie kabelových televizí CATV, pak není problémem si realizovat propojení mezi kabelovým modemem a zařízením na straně operátora CMTS (Cable Modem Termination System). Pokud preferujeme buňkové mobilní sítě, můžeme si vyzkoušet výkonnost datových přenosů s využitím technologie CDMA nebo UMTS s HSPA+. Změřené hodnoty si můžeme porovnat s hodnotami, které naměříme pro systémy Wi-Fi (dle standardů IEEE 802.11a/b/g/n), pro technologii WiMAX (v souladu se standardem IEEE 802.16e). IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) je organizace elektrotechniků a informatiků, která se stará o rozvoj a standardy i v oblasti komunikačních sítí.
19
Technologie přístupového bodu WiMAX IEEE 802.16d v Laboratoři přenosové systémů.
Světová rarita. Technologie Wi-Fi, tedy technologie pracující v souladu s doporučením IEEE 802.11a/b/c/g/n, jsou původně koncipovány jako technologie pro bezdrátové lokální sítě WLAN (Wireless LAN). Pouze v České Republice se technologie Wi-Fi používá hromadně jako technologie pro přístupové sítě, jako alternativa k metalickým a optickým sítím nebo technologiím jako WiMAX.
20
1.9 Lokální síť Pod pojmem lokální síť rozumíme příslušnou síťovou infrastrukturu v místě koncového účastníka či firmy. Jejím prostřednictvím se k přístupové telekomunikační síti připojují jednotlivé terminály, počítače a další prvky. V oblasti klasických telefonních sítí bylo úkolem lokální sítě propojit jednotlivé telefonní přípojky s pobočkovou telefonní ústřednou, která byla propojena s místní telefonní ústřednou operátora. Rozvoj výpočetní techniky významným způsobem ovlivnil vývoj lokálních sítí, neboť bylo nutné, aby spolu komunikovaly počítače. Z řady řešení zvítězila technologie Ethernet. Ethernet definuje základní principy pro zpracování a přenos účastnických dat, způsob zajištění adresace v lokální síti, způsob řízení provozu, apod. Ethernet je nezávislý na konkrétní technologii, která je použita na fyzické vrstvě. Od počátku se pro datové přenosy využívaly výhradně metalická vedení (koaxiální páry). V dnešní době se za standardní přenosové prostředí v lokálních sítích uvažuje metalická strukturovaná kabeláž kategorie 5e a vyšší. Postupně se také uplatnily bezdrátové přenosové systémy založené především na standardu IEEE 802.11 (známé jako Wi-Fi). Pro lokální síť je charakteristické: •
přenosové rychlosti jsou v řádech stovek Mbit/s až 1 Gbit/s,
•
překlenované vzdálenosti jsou řádově desítky metrů,
•
obvyklou topologií sítě je topologie hvězdy případně rozvětvené hvězdy,
•
typickým přenosovým mediem je metalické vedení, nebo skleněné optické vlákno,
•
typická technologie je Ethernet nebo bezdrátové technologie (typicky Wi-Fi)
Technologie Ethernet pak díky své univerzálnosti, flexibilitě začala pronikat i do vyšších hierarchických úrovní telekomunikačních sítí a dnes se s ní setkáme prakticky všude.
První principiální schéma technologie Ethernet.
21
Technologie Ethernet je vynálezem firmy Xerox ze sedmdesátých let 20. století. Cílem bylo od prvopočátku vyvinout technologii pro vzájemnou komunikaci počítačů. První verze Ethernetu dosahovala přenosové rychlosti 2,94 Mbit/s a jako přenosové medium využívala koaxiální kabel. Později se k firmě Xerox přidaly firmy Intel a DEC, společně pak předložili technologii k posouzení a dalšímu vývoji organizaci IEEE, konkrétně její pracovní skupině IEEE 802.3. První standard Ethernet byl publikován v roce 1985.
22
1.10 Shrnutí telekomunikačních sítí Telekomunikace či telekomunikační technologie úspěšně pronikají i do oblastí, u kterých se to před několika málo lety vůbec nepředpokládalo. Příkladem může být oblast distribuce elektrické energie, kde se hovoří o tzv. inteligentních sítích SmartGrids. Už i v České Republice, konkrétně v lokalitě Vrchlabí, jsou instalovány takzvané chytré elektroměry a další prvky sítě SmartGrids. Chytrý elektroměr komunikuje s centrem řízení energetické sítě, které v každém okamžiku vyhodnocuje spotřebu elektrické energie, řídí toky v energetické síti a zdroje elektrické energie. Jiným známým příkladem jsou tzv. multiutilitní odečty spotřeby vody nebo spotřebovaného tepla. S telekomunikačními sítěmi a zařízeními, se každý z nás setkává každý den. Umožňují nám komunikovat s okolním světem, ať už stojíme na Sněžce, nebo jedeme v Pendolinu. Znát jejich principy a mít přehled o jejich možnostech je pro technika a inženýra v dnešní překotné době nezbytné. Telekomunikace však nejsou pouze o zařízeních a systémech. Oblast telekomunikací také postihuje i takzvané vyšší vrstvy komunikace až po konkrétní aplikace. Zahrnuje řízení vlastní sítě, způsoby vzájemné výměny zpráv mezi prvky sítě, způsoby zabezpečení datových přenosů proti chybám při přenosu nebo proti neoprávněnému odposlechu a mnoho dalšího.
23
1.11 Konvergence telekomunikačních sítí Pojem konvergence sítí je v dnešní době v oblasti telekomunikačních sítí velmi často používán. Principem není nic jiného než vytvoření univerzální sítě, která bude schopna přenášet data různých služeb. Z historického vývoje totiž postupně vznikaly jednotlivé sítě tak, jak vznikaly nové služby. Příkladem je třeba prvotní telegrafní, později dálnopisná síť, telefonní síť, později pak veřejná datová síť, apod. Způsob, jakým konvergovat, sjednocovat, slučovat telekomunikační sítě, může být dvojí. Zaprvé je možné vytvořit univerzální přenosový systém, který bude schopen transportovat různé formáty dat. Různými formáty rozumíme například datové rámce typu Ethernet, datové rámce Frame relay, telefonní hovory s využitím pulsně kódové modulace, apod. Zadruhé je samozřejmě možné mít jeden přenosový systém schopný přenášet pouze jeden formát dat. Pak je ale nutné zajistit, aby tento formát dat používaly všechny služby. Příkladem první cesty konvergence je již zmíněná hierarchie SDH. Nevýhodou této cesty je nutnost existence složitých postupů pro zpracování různých formátů. Z toho plyne určitá neefektivnost a nepružnost. Druhá cesta konvergence přišla postupně s rozvojem výpočetní techniky a s nástupem protokolů rodiny TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) a technologie Ethernet. V dnešní době se jako praktičtější ukazuje právě tato varianta. Důvodem je vysoká flexibilita uvedené koncepce TCP/IP + Ethernet a příznivé ekonomické faktory. Pro úspěšnou konvergenci telekomunikačních sítí je tedy nutné zajistit vzájemnou kompatibilitu v komunikaci mezi jednotlivými síťovými prvky.
Výuková sestava síťových prvků Ethernet, IP od firmy Cisco v laboratoři B3-714.
24
1.12 Vrstvové modely komunikace Každá komunikační síť respektive síťové prvky v síti musí mít definovaný systém pravidel, pomocí nichž se řídí výměna informace. Soubor pravidel a přesně definované formáty předávaných dat, to vše dohromady se skrývá za pojmem architektura sítě. V teorii sítí se setkáváme ještě s pojmem topologie sítě. Někdy se mylně oba tyto pojmy zaměňují. Pojem topologie sítě definuje způsob propojení uzlů sítě navzájem. Dnešní architektury telekomunikačních datových sítí jsou většinou založeny na použití obecných modelů komunikace. K popisu architektury sítí se dnes nejčastěji používají tzv. vrstvové modely, které mají jeden základní společný rys – za pomoci dělení určitých typických operaci do jednotlivých vrstev je realizována univerzální architektura, u které je možné odpovídající vrstvu modelu nahradit vrstvou jinou bez nutnosti zasahovat do struktury a funkcí ostatních vrstev modelu. Každá vrstva vykonává skupinu jasně definovaných funkcí potřebných pro komunikaci. Pro svou činnost využívá služeb své sousední nižší vrstvy. Své služby pak poskytuje sousední vyšší vrstvě.
Princip vrstvového modelu komunikace.
Konkrétně se jedná o obecný sedmivrstvý referenční model RM OSI (Reference Model Open System Interconnection). Druhým známým modelem vrstvové komunikace, především v počítačových sítích, je čtyř vrstvý model TCP/IP.
25
Znázornění komunikace dvou síťových prvků pomocí vrstvového modelu komunikace.
Data, která si potřebují vyměnit aplikace v koncových systémech, se dělí do fragmentů a segmentů. Sítí se pak přenášejí prostřednictvím paketů a jejich směrování v mezilehlých systémech na 3. vrstvě. Pakety zapouzdřené v rámcích se pak přenášejí bit po bitu fyzickým přenosovým prostředím, např. pomocí UTP kabelu. Pravidla pro komunikaci předepisují standardizované komunikační protokoly.
26
2 Technologie pro telekomunikační sítě 2.1 Klasická telefonie Telekomunikace se začaly rozvíjet s příchodem telegrafů a telefonů již na konci 19. století. Převratný vynález, zkonstruování tranzistoru a následně integrovaných obvodů v druhé polovině 20. století, se významným způsobem uplatnil i v telekomunikacích. Lidský hlas bylo možné digitalizovat a přenášet v digitální podobě. V páteřních sítích tak bylo možné začít s procesem konvergence a sjednotit telefonní a datové sítě. Hovorové signály se v páteřních sítích přenášejí pouze v digitální podobě. V přístupové síti je situace složitější a v současné době existuje několik možností, jak přenášet hovorový signál. Vždy záleží na potřebách i možnostech koncového účastníka, a na technologii v přístupové síti. V přístupové síti lze: •
hovorový signál přenášet klasicky v jeho analogové formě v kmitočtovém pásmu 300 Hz až 3400 Hz (tzv. telefonní kanál).
•
hovorový signál digitalizovat už v koncovém zařízení a přenášet je v digitální podobě. Tento způsob přenos se uplatňuje ve všech moderních sítích jako je síť ISDN, radiová síť GSM/UMTS a uplatňuje se také při přenosu lidského hlasu s využitím protokolu IP (VoIP).
Šířka telefonního kanálu 300 Hz až 3400 Hz se stanovila experimentálně. V počátcích telekomunikací, kdy přenosové cesty nesplňovaly vždy přesně potřebné parametry (například útlum a skupinové zpoždění), bylo nutné určit kmitočtový rozsah (šířka pásma), který postačuje pro realizaci hovoru. Lidské sluchové ústrojí je sice schopno zpracovávat kmitočtový rozsah 16 Hz až 20000 Hz, ale pro vzájemné dorozumívání takový rozsah není nutný. Spodní hranice telefonního kanálu, hodnota 300 Hz, se určila měřením energie hovorového signálu. Horní hranice se stanovila experimentálně tak, že se uskutečňovaly telefonní hovory s různým horním kmitočtem přenášeného hovoru a sledovala se srozumitelnost hovoru. Experimentálně se zjistilo, že při horním kmitočtu 3400 Hz je dosaženo právě 90% slabikové srozumitelnosti hovoru. Tato hranice srozumitelnosti postačuje, protože zbytek 10% si je lidský mozek schopen doplnit z významu věty při hovoru.
27
2.2 Digitalizace hovorového signálu Pro digitalizaci hovorového signálu se využívá několik postupů, které souvisejí se zvolenou technologií přenosu. Metody digitalizace se dají rozdělit na dvě základní skupiny: Kódování tvaru vlny. Při tomto způsobu kódování se vždy odebírá vzorek lidského hlasu, obvykle každých 125 mikrosekund (vzorkovací frekvence 8 kHz pro lidský hlas přenášený telefonním kanálem). Tento vzorek se upraví (kvantuje) v amplitudě ke konkrétní úrovni a následně se převede na osmi bitové digitální slovo, které této úrovni odpovídá. Právě popsaný postup je principem modulace označované jako Pulsně kódová modulace (PCM). Výsledkem při zpracování lidského hlasu tímto postupem je kontinuální datový tok 64 kbit/s. Na parametrech kodéru záleží výsledná velikost bitového toku a tím i kvalita hovoru. Pro potřeby přenosu lidského hlasu s využitím protokolu IP (služba VoIP) se využívá celá řada kodeků, které produkují bitový datový tok ve velikosti odpovídající možnostem přenosové technologie. Kódování parametrů zdroje. Při tomto způsobu digitalizace se modeluje kompletní lidské řečové ústrojí. Vytváří se tedy model hlasivek, model hlasového traktu a model vyzařování zvuku. Uvedené modely lze popsat pomocí analytických vztahů s určitými parametry, které se pak přenášejí telekomunikačními sítěmi. Analytické vztahy jsou známi oběma stranám komunikace. Přenášením pouze parametrů tak dochází k výraznému snížení objemu přenášených dat. Nevýhodou tohoto způsobu zpracování lidského hlasu je příliš „syntetický“ nepřirozený hlas. Hybridní metody kódování. Tento způsob digitalizace využívá kódování parametrů zdroje. Vylepšuje ale způsob generování hlasového signálu na přijímací straně tak, aby vygenerovaný řečový signál nebyl příliš „syntetický“. Tento typ digitalizace se používá především v mobilních buňkových sítích GSM/UMTS. Jedná se o kodek Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB). Tento kodek je univerzální, s možnostmi kódovat řečový signál do bitového toku o rychlostech od 6,6 kbit/s do 23,85 kbit/s podle aktuální potřeby. Řečový signál se také přenáší v rozšířeném pásmu 50 Hz až 7000 Hz tak, aby byly zachovány tzv. základní tóny (formanty) řečového signálu.
28
2.3 Transportní hierarchie SDH/OTH pro páteřní sítě Synchronní digitální hierarchie SDH je definována jako hierarchický soubor digitálních transportních struktur s využitím časového dělení TDM (Time Division Multiplex). Základní signály synchronní digitální hierarchie se nazývají synchronní transportní moduly STM-N, kde N vyjadřuje hierarchický stupeň. Základní hierarchické stupně SDH
Označení SDH
STM- STM0 1
Přenosová rychlost [Mbit/s]
51,84
STM4
SM-16
STM64
STM256
155,52 622,08 2488,32 9953,28 39813,12
Charakteristiky SDH: •
navazuje na americký standard SONET,
•
je celosvětově standardizovaná ITU-T (International Telecommunication Union),
•
přenos dat se uskutečňuje především pomocí optických vláken,
•
je navržena s ohledem na příspěvkové signály PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) i s ohledem na budoucí rozvoj technologií – dnes IP,
•
obsahuje nástroje na monitorování kvality a zajištění spolehlivého přenosu s metodou ochrany – zálohování provozu,
•
obsahuje podporu pro centralizovaný management sítě a distribuci taktovacího signálu.
Využití SDH: •
především páteřní a případně i vysokorychlostní přístupové optické sítě,
•
vysokokapacitní radioreléové spoje,
•
je určeno pro telefonní i datový provoz,
•
možnost vytváření pevných okruhů s vysokou spolehlivostí PDH signály E1, E3,
•
tvoří linková rozhraní pro páteřní IP směrovače,
•
hodnoty přenosových rychlostí od 52 Mbit/s do 40 Gbit/s,
•
pro Ethernet 10 Gbit/s byla převzata struktura STM.
29
Síťový prvek SDH Lucent AMS1 v Laboratoři přenosové techniky.
30
2.4 Technologie DWDM pro páteřní sítě Technologie hustého vlnového dělení DWDM, je technologie pro optické sítě. Principem je vícenásobné využití optického vlákna paralelním přenosem dat na více vlnových délkách (ve více kanálech). Pro skládání výsledného optického signálu z jednotlivých příspěvkových signálů, nebo pro opačný postup, se využívají speciální prvky – AWG články. Typicky se AWG články vyrábějí v planárním provedení jako jeden čip s různým počtem kanálů (4, 8, 16, 32). Existují však i realizace pomocí kaskádního zapojení vláknových odbočnic, pomocí nichž lze dosáhnout požadovaného počtu kanálů. Vlnový rozsah AWG článků je určen počtem kanálů a jejich vzájemnou roztečí. Pro účely DWDM se využívá vlnových délek 1530-1565 nm nebo 1565-1625 nm. Vzájemná rozteč kanálů (rastr) je dána jednou z hodnot dle doporučení ITU-T G.694.1 (100, 50, 25 resp. 12,5 GHz). Pro svou činnost nevyžadují AWG články napájení a jejich parametry jsou obvykle málo závislé na změnu teploty.
Obrázek ukazuje spektrum optického signálu složeného z 8 příspěvkových signálů (DWDM s rastrem 100 GHz).
K diagnostice a monitorování telekomunikačních sítí se používá různorodá měřicí technika. Laboratoře pro výuku jsou vybaveny řadou měřicích přístrojů, jako je optický spektrální analyzátor dle obrázku tak, aby se studenti mohli seznámit s jejich použitím v praxi.
31
Technologie DWDM je určena pro fyzickou vrstvu komunikace (dle dříve uvedeného modelu RM OSI). Může tvořit společnou platformu pro různé přenosové technologie (SDH, OTH, Ethernet).
32
2.5 Digitální účastnické přípojky v přístupové síti Digitální účastnické přípojky xDSL jsou určeny pro přístupové sítě, jejichž základním prvkem je telekomunikační dvoudrátové vedení, tzv. metalický symetrický pár. Tato technologie umožňuje využít potenciál nákladně vybudovaných již existujících přístupových sítí i pro jiné služby než je klasická analogová telefonie nebo základní přípojka ISDN. Přípojka xDSL je tvořena dvojicí modemů na obou koncích telekomunikačního vedení, tedy jak v domácnosti na straně účastníka, tak na straně poskytovatele připojení. Přípojky xDSL lze dělit do několika skupin podle jejich vlastností: •
Asymetrická přípojka je určena pro potřeby domácností. Asymetrická proto, že přenosová rychlost od poskytovatele připojení k účastníkovi (směr downstream) je podstatně vyšší než směr přenosová rychlost v opačném směru (upstream). Příkladem je přípojka ADSL2+ nebo VDSL2.
•
Symetrická přípojka je určené pro potřeby malých a středních firem. Přenosové rychlosti jsou stejné v obou směrech. Příkladem je přípojka SHDSL.
Reálně dosažená rychlost přenosu je vždy závislá na konkrétních podmínkách přenosu, tedy na útlumu přenosové trasy a na charakteru a úrovni rušení. Reálně dosahované přenosové rychlosti bývají zpravidla významně nižší než teoretická laboratorní maxima.
33
Na obrázku jsou zobrazeny změřené průběhy spektrální výkonové hustoty vysílaného signálu přípojky SHDSL pro rychlosti 512 kbit/s, 1024 kbit/s a 2048 kbit/s.
Obrázek představuje náměr ze spektrálního analyzátoru v laboratoři přenosové techniky a ukazuje, jak se s narůstající přenosovou rychlostí zvyšují nároky na šířku kmitočtového pásma od necelých 100 do cca 700 kHz. V některé literatuře se můžeme setkat s nesprávným lidovým označením symetrického páru jako tzv. kroucené dvojlinky. Toto nesprávné označení proto rychle zapomeneme a budeme používat pouze správný termín.
34
2.6 Realizace přístupové sítě optickými vlákny Pokud chceme v pevné přístupové síti zajistit vyšší kvalitu služby a vyšší přenosové rychlosti, je nutné změnit přenosové medium. Metalické symetrické páry využíváme, s ohledem na naše technické dovednosti a ekonomiku provozu, skoro na maximum. Budoucnost v pevných přístupových sítích je spojena, stejně jako v sítích páteřních, s optickými vlákny. Vybudování úplně nové přístupové sítě na určitém geografickém území je finančně dost náročné, proto přichází ke slovu koncept FTTx (Fiber to the x). Náhrada metalické infrastruktury se děje v po úsecích směrem od operátora ke koncovému účastníkovi. Přístupová optická síť bude plně pasivní (PON, Passive Optical Network), jedinými aktivními prvky budou koncová zařízení operátora a účastníka. Podle místa ukončení optické sítě se bude rozlišovat typ přípojky FTTx na: •
FTTEx – Exchange (ústředna),
•
FTTCab – Cabinet (venkovní, terénní ukončení),
•
FTTN – Node (uzel, obecné ukončení),
•
FTTC – Curb (sídliště),
•
FTTB – Building (budova),
•
FTTO – Office (kancelářské, firemní prostory),
•
FTTH – Home (byt, uživatel).
V současné době existují dvě hlavní přenosové technologie pro sítě PON. První je standardizována organizací IEEE a využívá koncepce datových rámců Ethernet pro přenos uživatelské informace (EPON, Ethernet PON), druhá technologie je od ITU-T GPON (Gigabit PON). Obě technologie v současné době mají druhou generaci, která je schopna dosahovat přenosových rychlostí až 10 Gbit/s (10GEPON, XG-PON). V ČR dosud není tento typ sítí, na rozdíl od sousedního Slovenska, příliš rozvinut.
35
EPON
GPON
doporučení
IEEE 802.3ah (2004)
ITU-T G.984 (2003)
varianty přen. rychlostí
1G/1G
dosah [km]
≤ 10, ≤ 20
max. počet účastníků
až 32
36
10GEPON IEEE 802.3av (2009)
XG-PON ITU-T G.987 (2010)
1,25G/1,25G 2,5G/1,25G 2,5G/2,5G
10G/10G 10G/1G
10G/2,5G
≤ 20
≤ 10, ≤ 20
≤ 20 (persp. ≤ 40)
až 128
až 32 (zvažovány vyšší 64, 128)
až 256
2.7 Technologie pro bezdrátové lokální a přístupové sítě Pro zajištění vysokorychlostních bezdrátových datových přenosů je v současné době využíváno několik různých typů bezdrátových přenosových technologií. Přenosové technologie mohou být provozovány v tzv. nelicencovaných i licencovaných pásmech. V licencovaných pásmech je nutno získat oprávnění od regulátora (u nás ČTÚ) a hradit stanovené poplatky za využití. V ČR mezi základní bezdrátové přenosové technologie patří ty, které pracují v souladu se standardy IEEE 802.11 (označované též jako Wi-Fi) a IEEE 802.16 (označované též jako WiMAX). Mohlo by se zdát, že mezi technologiemi dle IEEE 802.16 a IEEE 802.11 existuje poměrně velká podobnost, a že se pole působnosti těchto technologií do značné míry překrývají. Podobnost však začíná a v podstatě i končí u faktu, že v obou případech se jedná o bezdrátovou technologii. Základní rozdíl mezi oběma technologiemi je patrný už z názvu obou standardu: •
WLAN (Wireless LAN) je bezdrátová lokální sít, která je určena pro realizaci datových přenosů v rámci, místnosti, jednoho patra, případně menší budovy. Typickou přenosovou technologií je IEEE 802.11.
•
WMAN (Wireless MAN) je bezdrátová síť na geograficky rozlehlém území. Typickou přenosovou technologií je IEEE 802.16.
Technologie Wi-Fi byla tedy původně koncipována jako technologie pro náhradu klasické sítě LAN s metalickými rozvody. Standard WiMAX je určen pro využití v přístupových telekomunikačních sítích. Na obrázcích je zobrazeno pokrytí 7. patra bloku B3 FEL v Dejvicích signálem Wi-Fi.
37
Demonstrace pokrytí 7. patra monobloku Dejvice signálem sítě WLAN technologie IEEE 802.11b.
Základními prvky bezdrátové sítě jsou tzv. přístupové body (Access Point). Síť Wi-Fi je realizována 3 červeně vyznačenými přístupovými body na prvním obrázku. Na druhém obrázku zleva je vyznačena cesta, která se při výuce procházela při zjišťování úrovně signálu v rámci demonstrace vlastností Wi-Fi. Barevnou škálou je indikována úroveň signálu.
38
2.8 Technologie Wi-Fi V červenci roku 1997 vznikl první standard 802.11. Původní standard se postupně vyvíjel a v současné době jsou pro poskytování vysokorychlostního přenosu dat nejčastěji používány následující standardy organizace IEEE: •
IEEE 802.11a – Jedná se o vysokorychlostní rádiovou normu z roku 1999, která pracuje v bezlicenčním kmitočtovém pásmu 5 GHz a je určena pro provoz v otevřeném prostoru. IEEE 802.11a dosahuje nejvyšší rychlosti 54 Mbit/s.
•
IEEE 802.11b – Jedná se o normu, která pracuje v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz s teoreticky dosažitelnou přenosovou rychlostí 11 Mbit/s. Užitná rychlost je nižší, protože 30 až 40 procent teoretické kapacity tvoří režie technologie. Využitelná uživatelská rychlost se udává kolem 6 Mbit/s. Dosah sítě závisí na typu použité antény, obvykle v řádech desítek až stovek metrů.
•
IEEE 802.11g – V roce 2003 byl schválený standard IEEE 802.11g, který je obdobou standardu IEEE 802.11a s tím rozdílem, že je specifikován pro kmitočet 2,4 GHz. Teoreticky dosažitelná přenosová rychlost je až 54 Mbit/s. Standard 802.11g je zpětně kompatibilní s IEEE 802.11b.
•
IEEE 802.11h – je doplněk původního standardu IEEE 802.11a o procedury dynamického výběru kanálu DCS (Dynamic Channel Selection) pro venkovní i vnitřní komunikaci a řízení vysílacího výkonu TCP (Transmitted Power Control) pro dodržování stanovených podmínek regulátorů v jednotlivých evropských zemích.
•
IEEE 802.11n – Norma upravující principy fyzické vrstvy a část nejbližší vyšší vrstvy (spojové). Využívají se principy vysílání a příjmu prostřednictvím více antén tzv. MIMO (Multiple Input Multiple Output). Teoretické limity v maximální dosažitelné přenosové rychlosti se posunuly až k 600 Mbit/s. Reálně však se zatím pohybujeme na hodnotě 300 Mbit/s. Konkrétní dosažitelná rychlost je ovlivněna mnoha faktory (podmínky přenosu, modulační schéma, šířka ochranného intervalu atd.) Přehled základních přenosových parametrů technologií dle IEEE 802.11x
Standard Kmitočet [GHz] Podporovaná přenosová rychlost [Mbit/s] Maximální užitečná přenosová rychlost [Mbit/s]
802.11b
802.11g
802.11 a/h
802.11 n
2,4
2,4
5,2 – 5,7
2,4 nebo 5
1; 2; 5,5; 11
6; 9; 12; 18; 24; 36; 48; 54
6; 9; 12; 18; 24; 36; 48; 54
od 6,5 do 600
6
22
25
300
39
40
2.9 Technologie WiMAX Technologie WiMAX je určena pro bezdrátový, širokopásmový datový přístup domácností i firem k telekomunikační síti a je od svého počátku koncipována jako plnohodnotná náhrada fixní přístupové sítě. Proto má systém sektorizace pro pokrytí dané geografické oblasti a definovanou podporu pro zajištění QoS, řízení a správu sítě, apod. Uvedené vlastnosti jsou nutné pro moderní aplikace náročné na spolehlivost a malé zpoždění (např. VoIP, přenos videa, apod.). Technologie WiMAX umožňuje přenos dat při přímé i nepřímé viditelnosti až na vzdálenost přibližně 50km (v reálných podmínkách však kolem 30 km). Maximální dosažitelná přenosová rychlost na fyzické vrstvě pro komunikaci na přímou viditelnost je 268Mbit/s. Komunikace bez přímé viditelnosti mezi vysílající a přijímající stanicí je možná až na vzdálenost přibližně 5km maximální přenosovou rychlostí 75Mbit/s (snižuje se s rostoucím počtem uživatelů). Základním standardem je IEEE 802.16 a v dnešní době je možné se setkat s následujícími variantami: •
IEEE 802.16 – (2001) – první verze standardu definovala frekvenční rozsah 10GHz až 66GHz s nutností přímé viditelnosti mezi stanicemi a podporou topologie PMP (Point to Multipoint).
•
IEEE 802.16a – (2003) zavádí rozšířené frekvenční pásmo 2 GHz 11 GHz v kombinaci s novými specifikacemi fyzické vrstvy RM OSI. Standard tak zavádí i komunikaci bez přímé viditelnosti mezi základnovou stanicí a klientem.
•
IEEE 802.16d – (2004, označován jako IEEE 802.16-2004) – tento standard shrnuje dosud vydané standardy IEEE 802.16.
•
IEEE 802.16e – (2005, označován jako Mobile WiMAX) – zahrnuje pevné i mobilní připojení v rámci bezdrátových metropolitních sítí až do rychlosti pohybu uživatelských stanic 150 km/h. Vychází z 802.16a, ale zahrnuje i podporu automatického předání spojení mezi dvěma přístupovými body, tzv. Handover.
•
IEEE 802.16m – (2011) poslední standard tzv. WiMAX-Advanced., kterým se WiMAX zařadil do kategorie 4G sítí schopných poskytnout přenosové rychlosti až 1 Gbit/s.
Roli přístupových bodů zde plní základnové stanice se sektorovými anténami, připojené k síti operátora. K nim se připojující pevné, případně pohyblivé terminály.
41
2.10 Buňkové radiové sítě GSM a UMTS Buňkové radiové sítě jsou fenoménem posledních patnácti let. Hlavním cílem při vývoji bylo zajistit mobilitu koncového terminálu v telekomunikační síti na určitém geografickém území. Buňkové radiové sítě, též zvané mobilní sítě, využívají standardní strukturu telekomunikační sítě, kdy je možné určit část páteřní a část přístupovou. Mobilní telefonní sítě z velké části nahradili funkci původních pevných telefonních sítí. Významnou měrou se rozvíjí jejich použití pro přístup k síti Internet zejména v souvislosti tzv. chytrými telefony a dalšími přenosnými zařízeními. Základní síťové uzly mobilní sítě mají podobnou funkcionalitu jako u klasické telefonní sítě (telefonní ústředny). S ohledem na požadovanou funkcionalitu se však v síti nalézají specifické síťové uzly, jako je například registr polohy vlastních uživatelů. Přístupová část je pak tvořena volným prostředím (vzduchem) a systémem základnových stanic s využíváním principů sektorizace geografického území. Postupným vývojem vzniklo několik generací buňkových radiových systémů. Jsou vzájemně nekompatibilní s významnými odlišnostmi v páteřní i přístupové části sítě. Jednotlivé generace jsou: 1. generace z let 1980 až 1995 je analogový systém. V ČR byl využíván standard NMT (Nordic Mobile Telephone) v pásmu 450 MHz. 2. generace se označuje zkratkou GSM (Global System for Mobile Communication) a používala se v létech 1992 až 2000. Tak, jak se zvyšovaly nároky uživatelů, přicházely postupně vylepšení síťové infrastruktury. Důležitým směrem vývoje je optimalizace pro datové přenosy. Generace s označením 2,5 zavádí technologie GPRS (General Packet Radio Service) a později EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) s maximálními rychlostmi 384 kbit/s. 3. generace UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) přinesla univerzální infrastrukturu mobilní telekomunikační sítě umožňující současnou podporu již existujících, ale zároveň i budoucích telekomunikačních služeb. Vývojové verze UMTS se označují jak jako Release. V ČR se v sítích mobilních operátorů prosazují technologie HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) dle Release 7. 4. generace (označovaná také jako International Mobile Telecommunications Advanced) je ve svém principu definována jen výkonnostními charakteristikami, kterými má uspokojit potřeby koncových uživatelů. Typicky se jedna o zajištění přenosové rychlosti 100 Mbit/s pro rychle se pohybujícího a 1 Gbit/s pro nepohybujícího se nebo pomalu pohybujícího se uživatele. Za technologie, které jsou schopny splnit tyto požadavky, se v současné době považují především dva standardy LTE Advance a WiMAX-Advanced.
42
Ukázka ústředny mobilní sítě (MSC) 2,5. generace instalovaná v 5. patře bloku A4 na FEL v rámci Výzkumného a vývojového centra (RDC).
43
2.11 Závěr Telekomunikační sítě jsou důležitou a nedílnou součástí moderní společnosti a každého z nás. Ale pokud jsme běžní uživatelé, jejich existenci vnímáme, až když nefungují. Budoucí odborníci na komunikační technologie se při svém studiu seznámí podrobněji s důležitými principy fungování sítí a poznají, co se skrývá za dnes již běžnými službami, jako je telefonování nebo přístup k Internetu a co vše se musí stát, abychom na obrazovce spatřili kýžený obsah webové stránky či e-mailové zprávy od svých přátel.
44
3 Závěrečný test 3.1 Závěrečný test 1. Hovorový signál se v páteřních sítích přenáší: a) pouze v digitálním tvaru b) pouze v analogovém tvaru c) občas v analogovém a občas v digitálním tvaru d) nepřenáší se vůbec správné řešení: a
2. Jaké prvky tvoří telekomunikační síť? a) spojnice b) uzly c) zdroje proudu d) zdroje napětí správné řešení: a, b
3. Síť internet: a) je tvořena vzájemně propojenými sítěmi jednotlivých operátorů b) je tvořena homogenní celosvětovou datovou sítí c) patří pouze jednomu operátorovi ACTI d) je sítí tvořenou podmořskými kabely správné řešení: a
4. Obvyklou technologií pro páteřní telekomunikační sítě je: a) SDH b) DWDM c) Wi-Fi d) UMTS správné řešení: a, b
45
5. Telekomunikační sítě lze hierarchicky dělit: a) ano, toto tvrzení je správné b) ne, toto tvrzení není správné správné řešení: a
6. Technologie SDH je určena pro: a) telefonní i datový provoz b) především páteřní a přístupové optické sítě c) propojení v lokální datové síti d) propojení na vzdálenost maximálně 10 km správné řešení: a, b
7. Páteřní telekomunikační síť: a) má operátor obvykle pouze jednu b) běžně připojuje všechny koncové účastníky c) je tvořena výhradně technologiemi Wi-Fi d) má maximální délku spoje 100 km správné řešení: a
8. Základní dělení digitálních účastnických přípojek xDSL je na: a) asymetrické b) symetrické c) rychlé d) pomalé správné řešení: a, b
9. Principem technologie DWDM je: a) paralelní využití více vlnových délek pro přenos informací b) velmi rychlým způsobem provádět časový multiplex na jedné vlnové délce c) silným vysílacím výkonem překlenout velké vzdálenosti d) zajistit bezchybný přenos informace správné řešení: a
46
10. Technologie Ethernet se uplatňuje: a) v přístupové síti b) v páteřní síti c) pouze v přístupové síti d) pouze v páteřní síti správné řešení: a, b
11. Přístupová telekomunikační síť: a) připojuje jednotlivé koncové účastníky k uzlům operátora b) využívá pouze radiové kanály pro připojení koncových účastníků c) využívá pouze symetrické metalické páry pro připojení koncových účastníků d) využívá pouze optická vlákna pro připojení koncových účastníků správné řešení: a
12. Digitální účastnické přípojky ADSL2+ běžně dosahují přenosových rychlostí 100 Mbit/s. a) ne, toto tvrzení není správné b) ano, toto tvrzení je správné správné řešení: a
13. Lokální datová síť je určena: a) pro vzájemné propojení síťových prvků v místě koncového účastníka b) pro připojení koncového účastníka k operátorovi c) využívá obvykle technologii SDH d) využívá obvykle technologii DWDM správné řešení: a
14. Spodní kmitočet nerozšířeného telefonního kanálu je: a) 300 Hz b) 700 Hz c) 3400 Hz d) 7000 Hz správné řešení: a
47
15. Horní kmitočet nerozšířeného telefonního kanálu je: a) 300 Hz b) 700 Hz c) 3400 Hz d) 7000 Hz správné řešení: c
16. Základní přenosová rychlost STM-1 v hierarchii SDH je: a) 155 Mbit/s b) 10 Mbit/s c) 25 Mbit/s d) 1000 Mbit/s správné řešení: a
17. Technologie Wi-Fi je: a) technologií pro lokální bezdrátové sítě b) plnohodnotnou technologií pro přístupové sítě správné řešení: a
18. Technologie WiMAX je dle svého konceptu určena: a) primárně pro plnohodnotné bezdrátové přístupové sítě b) použití v lokální bezdrátové síti koncového účastníka správné řešení: a
19. Referenční model RM OSI má vrstev celkem: a) sedm b) šest c) čtyři d) tři správné řešení: a
48
