PDH
Definicja
„PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) - hierarchiczny, plezjochroniczny system zwielokrotnienia i transportu sygnałów cyfrowych oparty na modulacji kodowo -
impulsowej PCM 64 - powszechnie stosowany do tej pory w telekomunikacji. Hierarchia plezjochroniczna PDH - zwana również prawie synchroniczną - określa sposób tworzenia strumienia zbiorczego 2048 kb/s z sygnałów elementarnych o przepływności 64 kb/s oraz sposób zwielokrotnienia tych strumieni (2 Mb/s lub wyższych [tzn. także: 8, 34, 140Mb/s]), na kolejnych poziomach multipleksacji . Każdy wyższy poziom składa się z czterech sygnałów niższego poziomu, uzupełnionych o informacje kontrolne, tworzonych za pomocą przeplotu bitowego . [Rys.1]”
Właściwości (w tym wady)
„...zwielokrotnione strumienie są generowane przez różne urządzenia i różnią się nie znacznie między sobą przepływnością, technika multipleksowania uzupełnia informację w przeplocie bitowym o dodatkowe bity zwane bitami uzupełnienia (spoofing).”
„Bity te są usuwane z sygnału w procesie demultipleksacji.”
„Różne zasady zwielokrotnienia sygnałów doprowadziły do powstania wielu standardów transmisyjnych PDH, z których powszechnie stosowanymi są: japoński, amerykański i europejski. Różnią się one nie tylko przepływnością i zwielokrotnieniem na różnych poziomach, ale także organizacją przesyłanej informacji. Brak jest mechanizmów niwelujących te różnice, co utrudnia współdziałanie i podnosi koszt translacji przekazów działających w różnych standardach.
Wysokie koszty wydzielenia i wprowadzania strumieni niższego poziomu z/do wyższego stanowią kolejne ograniczenie stosowania PDH. Brak bezpośredniego dostępu do pojedynczych kanałów (64 kb/s), transmitowanych w strumieniu o dużej przepływności, wymaga praktycznie demultipleksacji wszystkich strumieni składowych oraz ich ponownego zwielokrotnienie w każdym wydzielającym węźle. Procedura taka, oprócz tego, że kosztowna, obniża niezawodność całego systemu transmisyjnego.
Inną niedogodnością systemu jest zbyt mała przepływność kanału sygnalizacyjnego , wynikająca z przyjętej struktury ramki transmitującej sygnały przez medium (30+2 szczeliny). W konsekwencji niemożliwe jest przystosowanie systemów plezjochronicznych do skutecznego i scentralizowanego zarządzania siecią, a także sprawowanie nad nią odpowiedniej kontroli. Niewielka przepływność kanału sygnalizacyjnego objawia się również ograniczeniem zdalnej rekonfiguracji sieci, prowadząc w praktyce do ręcznego krosowania [zestawiania, łączenia] torów w przełącznicach cyfrowych przy zmianie połączeń między nimi. Istotnym ograniczeniem systemów plezjochronicznych jest też brak standaryzacji styku optycznego. Utrudnia to lub wręcz uniemożliwia powszechne stosowanie torów światłowodowych pochodzących od różnych producentów, a połączenie ze sobą dwóch systemów optycznych wymaga dokonania podwójnej konwersji optyczno-elektrycznej i realizacji połączenia na poziomie sygnału elektrycznego.”
SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - synchroniczny system transportowy, umożliwiający prawie nieograniczony wzrost przepływności (znacznie powyżej 10 Gb/s), stosowany w sieciach telekomunikacyjnych z zastosowaniem światłowodów.”
SDH stanowi podstawę warstwy transportowej oraz coraz częściej pełni także funkcje przełączające implementowane w wyższych warstwach sieci telekomunikacyjnej [5].
Właściwości„Podstawową cechą SDH jest synchroniczność przekazu, oparta na stałej ramce transmisyjnej o czasie trwania 125s [Rys.2], która jest generowana współbieżnie z głównym zegarem systemu, tzw. pierwotnym zegarem odniesienia PRC (Primary Reference Clock). Ograniczona stabilność taktujących zegarów kwarcowych (stałość 10-11) oraz zmienne własności nośników optycznych mogą wprowadzać niewielkie, stałe lub zmienne nie kontrolowane przesunięcia fazowe w węźle odbiorczym (w stosunku do źródła sygnału). Kompensacja tych poślizgów dokonuje się automatycznie przez wprowadzenie metody wyrównywania fazy odbieranego sygnału za pomocą znaczników AU przyporządkowanych do kontenera wirtualnego VC [(Virtual Container)] - wskazujących nie tylko położenie ramki w przestrzeni adresowej kontenera, ale także względne przesunięcie ramki (dodatnie, zerowe lub ujemne) w stosunku do znacznika. Przyjęta struktura ramek i zastosowanie mechanizmu wskaźnika [administrowania] AU [Administrative Unit] znajdującego się w nagłówkach kolejnych kontenerów pozwalają na bezpośrednie wydzielenie lub łączenie w sygnał zbiorczy strumieni składowych na różnych poziomach zwielokrotnienia. Nie jest potrzebna w tym przypadku kosztowna demultipleksacja (lub multipleksacja) wszystkich pozostałych strumieni składowych do wydzielenia lub translacji pojedynczego strumienia danych.”
Systemy SDH i przedstawiany dalej standard SONET odzwierciedlają występujące we współczesnych sieciach zjawisko konwergencji [5] - jako pierwsze definiują jednoczesny transport pakietowy głosu, danych i multimediów. Ponadto umożliwiają realizację sieci wielousługowych powstałych w wyniku integracji sieci LAN i WAN, gdzie łączy się zalety Ethernetu z plusami SONET/SDH.
Systemy SONET/SDH stanowią także najpopularniejszą formę dostępu do Internetu dla użytkowników biznesowych [5]. Osiąga się w tym przypadku przepływność dochodzącą do 10Gb/s.
Poziomy zwielokrotnienia
„W synchronicznej hierarchii cyfrowej SDH zdefiniowano pięć poziomów zwielokrotnienia [Rys.3], przy czym tylko trzy najniższe mają certyfikat CCITT [International Consultative Committee on Telephony & Telegraphy] (ITU-T [International Telecommunication Union-Telecommunication Standarization Sector]). Jako podstawową - na najniższym poziomie - przyjęto przepływność binarną 155 Mb/s... dla modułu transportowego STM-1, umożliwiającą łatwą współpracę z siecią plezjochroniczną PDH o przepływności 140 Mb/s.”
„Przepływności wyższych poziomów są wielokrotnością poziomu podstawowego, uzupełnioną o nagłówek, i wynoszą odpowiednio: STM-4 (622Mb/s), STM-16 (2,5Gb/s), STM-32 (5Gb/s), STM-64 (10Gb/s) i STM-256 (40Gb/s).”
„Proces zwielokrotnienia przebiega dwuetapowo [Rys.4]. W pierwszym etapie następuje multipleksacja kontenerów wirtualnych VC niższego rzędu do kontenerów VC wyższego rzędu. W drugim zachodzi łączenie kontenerów wirtualnych VC z nagłówkiem sekcji SOH (Section Overhead) w celu utworzenia modułów transportowych STM (Synchronous Transport Module) [Rys.2] o wymaganej przepływności dla strumienia zbiorczego. Inaczej niż w systemach PDH - bezpośrednio zwielokrotniających z przeplotem bitowym - w technologii SDH przesyłana informacja ulega przetworzeniu (uzupełnieniu o nagłówki ramek), a następnie zwielokrotnieniu z przeplotem bajtowym sygnałów składowych. Wielkość przepływności sygnałów składowych jest w tym przypadku nieistotna, a wydzielenie strumienia o dowolnej przepływności możliwe w każdym węźle transportowym.”
Budowa synchronicznego modułu transportowego STM (Rys.2)
W tym punkcie prześledzimy budowę synchronicznego modułu transportowego - podstawowej jednostki transportowej w systemie SDH. Uczynimy to na przykładzie najmniejszego STM-1! Moduł transportowy STM składa się z dwóch podstawowych bloków:
• kontenera wirtualnego wyższego rzędu będącego częścią użytkową, zwanego także jednostką administracyjną,
• nagłówka sekcji odpowiedzialnego za identyfikację parametrów i kontrolę błędów związanych z daną sekcją,
obejmujących łącznie 270 kolumn i 9 wierszy, co daje 270*9=2430[bajtów]. Z kolei 2430*8=19440[bitów]. Ta liczba bitów jest przesyłana w czasie 125s (8kHz), tak więc 199440[bitów]*8[kHz]=155,52[Mb/s], czyli przepływności modułu podstawowego STM-1.
Kontener wirtualny wyższego rzędu składa się z dwóch części:
o wskaźnika kontenera (wskaźnika AU) - pierwsze 9 kolumn 4 wiersza identyfikujące kontener,
o przestrzeni ładunkowej (payload) obejmującej 261 kolumn, zawierającej kontenery wirtualne niższego rzędu. Każdy z nich posiada informację użytkową i nagłówek ścieżki POH (Path Overhead) odpowiedzialny za identyfikację parametrów i kontrolę błędów związanych z daną sekcją.
Nagłówek sekcji obejmując pozostałe 9 kolumn dzieli się na:
o nagłówek sekcji regeneratora RSOH (Regenerator Section Overhead),
o nagłówek sekcji multipleksera MSOH (Multiplexer Section Overhead).
Wspomniane wcześniej nagłówki ścieżki każdego kontenera wirtualnego niższego rzędu zajmują 10 kolumnę w module STM.
W powyższym opisie budowy modułu STM pojawiły się pojęcia ścieżki i sekcji (Rys.5). Ścieżka stanowi obwód typu „koniec - koniec”, to znaczy wyraża (jedno z możliwych) połączeń pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Sekcja natomiast stanowi fragment ścieżki i jest obwodem typu „punkt - punkt”, połączeniem pomiędzy węzłami pośredniczącymi.
Tendencje przyszłościowe
Problemy związane ewolucją platformy SDH zostaną przedstawione szczegółowo na dalszych zajęciach poświęconych Sieciom następnej generacji. W tym miejscu wymienia się tylko najważniejsze z nich [2], [5]:
• wspomnianą wcześniej integrację ze standardem sieci lokalnej Ethernet,
• oraz przechodzenie w kierunku sieci zbudowanych tylko z warstwy optycznej opartej na technologii (D)WDM i warstwy IP
SONET
(Synchronous Optical Network) - ...standard telekomunikacyjny ANSI [American National Standards Institute] dla optycznych sieci synchronicznych i izochronicznych działających w technice światłowodowej. Specyfikacja SONET określa parametry kabli światłowodowych, sposób generacji światła i ramek transmisyjnych, a przede wszystkim hierarchię zwielokrotnienia różnych przepływności sygnałów optycznych - spójną w skali ogólnoświatowej.”
„[SONET] został [bowiem] przyjęty, lecz nie w całości zaadoptowany przez organizację ITU. Wersja przyjęta przez ITU różni się szczegółami mającymi istotne znaczenie [i określana jest właśnie mianem SDH]. [Przykładowo] podstawowa szybkość transmisji w systemie SDH to 155,52 Mb/s przy podstawowej szybkości 51,84 Mb/s stosowanej w systemie SONET. [Rys.6]”
Standardy sygnałów cyfrowych w SONET [1]
W ramach standardu SONET funkcjonują dwa systemy transmisji. Pierwszym z nich jest:
System nośników optycznych - OC (Optical Carrier) - standard przesyłania sygnałów w postaci optycznej korzystających ze światłowodów, w którym podstawę zwielokrotniania stanowi OC-1 (51,84Mb/s). Natomiast obecnie (od roku 2002) największą wdrażaną wielokrotnością pasma 51,84Mb/s jest ok. 40Gb/s, tzn. OC-768 [Rys.6].
Większe szybkości transmisji nie są jeszcze określone w ramach rozmaitych standardów. Jednak należy zauważyć, że w sferze sprzętu sieciowego występują moduły funkcjonalne pracujące z główną przepływnością 80Gb/s, których przykładem mogą być Procesory Sieciowe firm: EzChip i Clearspeed.
System sygnałów transportu synchronicznego - STS (Synchronous Transport Signal) - standard przesyłania sygnałów w postaci elektrycznej korzystających z miedzianego okablowania. Wszystkie szybkości transmisji określone w STS odpowiadają pasmom standardu OC, przykładowo OC-192=STS-19210Gb/s. Oparcie standardu STS na miedzianym medium transmisyjnym powoduje, że wyższe wartości przepływności począwszy od 2.488Gb/s (STS-48) stwarzają poważne problemy lub wręcz uniemożliwiają przesył sygnału elektrycznego i mają znaczenie teoretyczne! Większe szybkości transmisji są możliwe do osiągnięcia w światłowodach, które charakteryzują się znacznie mniejszą tłumiennością, a przede wszystkim większym własnym pasmem przenoszenia od tego obserwowanego w kablu miedzianym.
Inne standardy sygnałów cyfrowych [1]
Istnieje wiele standardów sygnałów cyfrowych stosowanych w teletransmisji. Najbardziej znanymi z nich są przedstawione wcześniej (Rys.6):
• STM funkcjonujący w obrębie SDH,
• OC i STS określone w ramach SONET,
oraz:
• Hierarchia sygnału cyfrowego DSH (Digital Signal Hierarchy) - określony przez amerykańską organizację standaryzacyjną ANSI, w skład którego wchodzą sygnały o przepływnościach od 64kb/s (DS-0) do 274,176Mb/s (DS-4). Z czego standardy DS-2 i DS-4 mają znaczenie marginalne. Natomiast często spotykanymi w literaturze symbolami są: T-1, T-3, itd., którymi zwykło się oznaczać obwody spełniające wymagania konkretnych standardów DS stosowanych w amerykańskich systemach telefonicznych T-carrier, czyli inaczej rzecz ujmując, częstym błędem jest traktowanie T-n jako standardu;
• Hierarchia ITU sygnału cyfrowego CEPT (Conference of European Posts and Telecommunication Administartion ) - określony przez europejską organizację standaryzacyjną ITU, w skład którego wchodzą sygnały o przepływnościach od 2,048Mb/s (CEPT-1) do 565,148Mb/s (CEPT-5).
„Choć w standardach ITU wykorzystywane jest pasmo podstawowe o takiej samej co DS-0 szerokości 64kb/s, stosowane są zupełnie inne wielokrotności tego pasma. Dlatego europejska wersja linii T-1 znana jest jako E-1 i ma przepustowość 2,048Mb/s zamiast 1,544Mb/s. Połączenia między Europą i Ameryką Północną zawsze sprawiały problemy związane z różnymi standardami, zwykle przejawiające się występowaniem kanałów niezdatnych do wykorzystania.”
ATM
Technologia ATM
Sieć ATM(Asynchronous Transfer Mode) powstała jest wynikiem kompromisu między technologiami [Tab.2]:
STM (Synchronous Transfer Mode)
PTM (Packet Transfer Mode) .
ATM - technika rozumiana jako polączenie sieci SDH na poziomie fizycznym z różnymi sieciami komputerowymi. Stanowi najbardziej rozpowszechnioną topologię sieci szkieletowej dla sieci:
kampusowych
korporacyjnych
metropolitarnych (np. Szczecin)
regionalnych.
ATM jest przykładem sieci asynchronicznej , co oznacza, że przepływność nie jest tutaj stała, lecz zmienna w zależności od prędkości źródła albo najbliższego węzła.
W sieciach ATM węzły nie sprawdzają poprawności przesyłanej informacji, kontrola występuje w systemach użytkowników końcowych.
Za pomocą ATM można transmitować głos, obraz i dane.
„Standard ATM nie definiuje dokładnie konkretnego medium transmisyjnego między węzłami, lecz zasady komunikacji w sieci. Umożliwia to zastosowanie ATM w różnorodnych już istniejących środowiskach transmisyjnych wykorzystujących jako medium zarówno przewody koncentryczne, włókna światłowodowe, jak i łacza bezprzewodowe.” z [1], str. 26-27”
Klasy przepływności w sieciach ATM:
1) 25 Mb/s (w zaniku)
2) 100 Mb/s
3) 155,52 Mb/s (powszechnie stosowane)
4) 622 Mb/s
5) 2,5 Gb/s (dla sieci transportowych SDH/ATM)
Poziomy świadczenia usług:
1) sieci lokalne ATM/LAN, które współpracują bezpośrednio ze stacjami roboczymi (Ethernet ,Token Ring ,FDDI )
2) sieci rozległe, które stosują różne technologie dostępu (np. Frame Relay) lub ATM, ale zapewniające przepływ danych w formacie ATM do urządzeń sieci publicznej
3) urządzenia sieci publicznej - jako centrale komutacyjne współpracujące z siecią PDH, SDH lub SONET; początkowo jako sieć podkładowa, docelowo jako jednorodna forma transmisji globalnej ATM.
Standardy sieci ustala tzw. ATM Forum, zaleca wykorzystanie ATM dla kilku przepływności:
1) FDDI (100 Mb/s)
2) Fibre Channel (800 Mb/s)
3) SONET (52 Mb/s)
4) SDH (155,622 Mb/s; 622 Mb/s; 2,5 Gb/s,ostatnio również 10 Gb/s)
5) T3 (45 Mb/s)
Cechy standardu ATM:
Przesyłanie stałych porcji informacji o pojemności 53 bajty (w tym 48 bajtów informacji użytecznej), co ułatwia proces ich obróbki w węzłach sieci ATM;
Ustalanie indywidualnych połączeń o dowolnej szybkości w obrębie przyjętych standardów (25, 100, 155, 622, 2500 Mb/s), dzięki przyporządkowaniu dowolnej liczby komórek do konkretnego połączenia użytkownika;
Obsługa transmisji izochronicznych (głos, obraz ruchomy, HDTV ) z opóźnieniem nie większym niż 10 ms, przez zastosowanie przełączników ATM z szybkim przełączaniem komórek;
Skalowanie przepływności ścieżek i węzłów ATM, dzięki czemu wykorzystuje się w pełni maksymalną przepływność medium transportowego;
Tworzenie przekazów głównie w trybie połączeniowym, co oznacza, że przed wysłaniem informacji następuje faza zestawienia łącza, a po zakończeniu przekazu - jego likwidacja;
Wirtualizacja połączeń przez sieć zarówno dla pojedynczych kanałów, jak i definiowanych grup kanałów zwanych ścieżkami. Jest to możliwe dzięki istnieniu odpowiednich identyfikatorów VCI (Virtual Channel Identifier) dla kanałów oraz identyfikatorów VPI (Virtual Path Identifier) dla ścieżek wirtualnych.
Adaptacja strumienia komórek ATM do dowolnej przepływności medium transportowego, przez wprowadzanie komórek pustych, pomijanych w węźle docelowym;
Przypisanie komórkom ATM (np. kanałowi czy ścieżce) konkretnej usługi, której parametry mogą być dynamicznie zmieniane, zarówno w fazie nawiązywania połączenia, jak i w trakcie usługi;
Zapewnianie „przezroczystości” przenoszenia informacji prze sieć ATM, a więc dostosowanie pracy sieci z różnymi protokołami komunikacyjnymi i do realizacji różnych usług.
Interfejsy ATM:
Rozróżnia się 2 podstawowe klasy interfejsów i jeden nowy standard interfejsowy:
a) Styk użytkownika UNI (User to Network Interface) z siecią szerokopasmową, znajdujący się między sprzętem użytkownika a zakończeniem sieci, w którym realizowane są protokoły dostępu do sieci;
b) Styk sieciowy NNI (Network to Network Interface), między węzłami ATM lub między węzłami komutującymi tej samej sieci NNI (Node to Node Interface);
c) Standard PNNI (Private Network to Network Interface); dodatkowy standard definiujący współpracę przełączników ATM pochodzących od różnych producentów wraz z możliwością ”uczenia się” topologii sieci, w której są instalowane. [Rys. 12]
Dwa typy połączeń wirtualnych (pozornych, nierzeczywistych) w sieciach ATM:
1) Kanały wirtualne VC (Virtual Channel), połączenie logiczne przez sieć między 2 stacjami końcowymi, ustanawiane i przełączane dynamicznie przez tzw. węzły pośredniczące sieci;
2) Ścieżki wirtualne VP (Virtual Path), jako wiązka kanałów przebiega tą samą trasą co kanały wirtualne i zapewnia połaczenie dwóch użytkowników zainstalowanych w tych samych węzłach dostępu. [Rys. 13].
Realizacja koncepcji ścieżek i kanałów wirtualnych w istniejącej topologii sieci jest zapewniona przez przydzielenie im odpowiednich identyfikatorów ścieżki wirtualnej VPI (Virtual Path Identifier) oraz kanałów wirtualnych VCI (Virtual Channel Identifier) w obrębie każdej ścieżki. Pola identyfikatorów VPI oraz VCI, znajdujące się w nagłówku każdego pakietu przesyłanego przez sieć ATM, są zwykle wypełniane i kasowane w węzłach dostępowych sieci oraz modyfikowane przez węzły pośredniczące.
Struktura komórki:
Stała długość (53 bajty);
Stanowi samodzielny pakiet komunikacyjny o łącznej długości 53 bajty, składający się z 5 bajtów nagłówka (header) oraz ładunku (payload) niosącego 48 bajtów informacji użytecznej w cyfrowym strumieniu transmisyjnym;
Pewną wadą jest wysoki narzut sterowania 5/53=9,4%; jest on rekompensowany stałą wielkością pakietu i dużą elastycznością przy rozładowywaniu spiętrzeń w przypadku nagłego wzrostu natłoku informacyjnego oraz łatwością przy rekonfigurowaniu struktury sieciowej;
Stosowanie pakietów o jednakowych rozmiarach umożliwia przewidywanie wymagań aplikacji na określony zakres pasma, gwarantując dostarczenie uzgodnionego pasma w odpowiednim czasie;
Istnieją 2 typy pakietów związane z odmienną konstrukcją nagłówka:
• Pakiety generowane w węzłach dostępu z przyłączonym interfejsem UNI
• Pozostałe, tworzone w przełącznikach sieciowych ATM
Istotną różnicę wnosi pole GFC (Generic Flow Control) umożliwiające wielu przyłączanym abonenckim stacjom roboczym korzystanie z tego samego interfejsu UNI w obrębie swojej prywatnej sieci. W innych przypadkach 4-bitowe pole GFC służy do określenia klasy usługi, ułatwiając sterowanie przepływem informacji przez sieć dla różnych poziomów jakości usług QoS (Quality of Service). [Rys. 14].
Klasy i typy usług ATM:
W szerokopasmowym środowisku ATM zdefiniowano wiele klas jakości QoS i powiązanych z nimi typów usług wynikających ze stosowania różnych kategorii, sposobu przesyłania bitów, wymaganej szerokości pasma i rodzaju połączeń:
Klasa A - usługi połączeniowe ze stałą chwilową szybkością transmisji CBR (Constant Bit Rate) przeznaczone do zastosowań multimedialnych w czasie rzeczywistym (dźwięk, obraz, wideokonferencje );
Klasa B - usługi połączeniowe wyposażone w mechanizmy umożliwiające przesyłanie głosu i obrazów wideo ze zmienną chwilową szybkością transmisji VBR (Variable Bit Rate), skompresowane sekwencje wideo. Większość usług sieci ATM, działającej w trybie multipleksacji statystycznej, jest określana kategorią VBR;
Klasa C - usługi połączeniowe ze zmienną szybkością transmisji, bez synchronizacji czasowej (sieci X.25, Frame Relay,TCP/IP);
Klasa D - usługi bezpołączeniowe , nadające się do zastosowań w środowiskach, w których przepływ danych odbywa się ze zmienną szybkością, nie wymagając synchronizacji czasowej między węzłami końcowymi (sieci LAN, MAN). Sieci skalowalne DTM
Technologia dynamicznego skalowania przepływności sieci transportowej DTM (Dynamic Synchronous Tranfer Mode) jest najnowszą wersją szerokopasmowego i synchronicznego przekazu multimedialnego działającego w czasie rzeczywistym, zarówno w sieciach transportowych, jak i bezpośrednio w otoczeniu abonenta.
Dzięki unikatowemu sposobowi przełączania o bardzo dużej i dynamicznie skalowalnej przepływności, w zakresie od 512 kb/s do 2,5 Gb/s, technologia ta zastępuje nie tylko sieci telekomunikacyjne z komutacją kanałów (np. ISDN), ale i łącza komunikacyjne z transmisją pakietową.
Technologia DTM łączy w sobie:Najlepsze cechy asynchronicznej technologii ATM opartej na przełączaniu komórek (stała długość komórek, wirtualizacja połaczeń, dostępność pasma na żądanie, przekazy izochroniczne);
Zalety przełączania kanałów (gwarancja stałego poziomu pasma przez alokację odpowiedniej liczby kanałów cyfrowych) uzyskiwane w takiej technologii jak sieć cyfrowa ISDN
Każdy węzeł sieci DTM ma uaktualnioną tablicę stanu, w której znajdują się bieżące informacje o wolnych pasmach dostępnych w pozostałych węzłach sieci. Kiedy wymagania na pasmo przekraczają możliwości konkretnego węzła sieci, sprawdza on w swojej tablicy inne możliwości i decyduje, z którym węzłem należy podjąć negocjacje odnośnie szerokości pasma. [Rys.16]
W systemie DTM całkowita pojemność transmisyjna kanału światłowodowego jest podzielona na segmenty czasowe (slots), każdy o długości 125 s, które są z kolei dzielone na 64-bitowe ramki. Liczba tych ramek, przypadająca na konkretny segment światłowodu między kolejnymi węzłami sieci świadczy o szerokości dostępnego pasma między tymi węzłami (typowo 4800 ramek w kanale o przepustowości 2,5 Gb/s). Przyjęta długość pojedynczego (125 s) oraz wielkość ramki umożliwiają prostą konwersję sygnałów, które operują w różnych technologiach, jak SDH (SONET) czy ISDN.W przypadku niedoboru pasma protokoły komunikacyjne tej technologii, lokowane w węzłach sieci, potrafią łączyć poszczególne kanały optyczne systemu DWDM, dostarczając w ten sposób jedno spójne pasmo transmisyjne o przepływności rzędu dziesiątek czy setek gigabitów w ciągu sekundy (czyli przepływności, jakie są potrzebne w sieciach transportowych).
Sieć telekomunikacyjna wykonana w technologii DTM cechuje się olbrzymią elastycznością, dlatego może być ona traktowana jako:
Multimedialna sieć dostępowa (np. sieć abonencka o klasycznej szybkości 50 Mb/s) do komunikacji między aplikacjami
Sieć transportowa (carrier network) - o cechach zbliżonych do technologii sieciowych klasy ATM (2,5-10 Gb/s).
SIECI NASTĘPNEJ GENERACJIEwolucja platformy SONET/SDH
Jak zostało powiedziane na poprzednich zajęciach, w ewolucji sieci synchronicznych SONET/SDH są zauważalne dwie tendencje:
• zwiększanie pasma transmisji światłowodowych platform SONET/SDH poprzez zastosowanie technologii zwielokrotnienia DWDM,
• integracja rozwiązań SONET/SDH - funkcjonujących w obrębie rozległych sieci transportowych ze standardem Ethernet - działającym w obszarze sieci lokalnych.
Pierwszy z wymienionych nurtów odzwierciedla ogólne dążenie do stworzenia całkowicie optycznej transmisji w sieciach transportowych. W celu spełnienia tego żądania stosuje się sprzęt sieciowy, który wykonuje wszystkie swoje zadania na sygnałach optycznych doprowadzonych światłowodami. Cała infrastruktura takiej sieci transportowej umożliwia wdrożenie technologii WDM i posiada interfejsy dla SONET/SDH [Rys. 17]
Transport hybrydowy
Z kolei druga tendencja jest przykładem integracji sieci lokalnych z rozległymi prowadzącej do rosnącej popularności tak zwanego transportu hybrydowego. Transport tego typu łączy zalety Ethernetu występujące przy transmisji krótkodystansowej z plusami SONET/SDH charakterystycznymi dla transmisji długodystansowej. Z jednej strony sieci oparte wyłącznie na technologii SDH nie są optymalnym rozwiązaniem ze względu na ograniczone możliwości skalowania pasma transmisyjnego, co we współczesnych aplikacjach teleinformatycznych ma zasadnicze znaczenie. Obecnie wymagane przez usługodawców internetowych (Internet Service Provider, ISP) oraz dostawców aplikacji (Application Service Provider, ASP) przepływności wahają się między 100Mb/s a 1Gb/s, a wkrótce sięgną 10Gb/s. Z drugiej strony transport za pomocą Ethernet zapewnia elastyczne pasmo, ale tylko na niewielkie odległości.
Do tworzenia sieci hybrydowych potrzebne są urządzenia sieciowe, takie jak multipleksery transferowe ADM (Add Drop Multiplexer) dla systemów SDH lub systemy transmisyjne WDM - obydwa zaopatrzone w porty i interfejsy Ethernet (10/100/1000Mb/s). Takie rozwiązanie pozwala na tanie realizowanie połączeń między urządzeniami klienta i dostawców usług internetowych ISP, przy jednoczesnym zachowaniu pożądanej niezawodności i wymaganej w dużych sieciach prostoty zarządzania transmisją danych.
Usługi teletransmisyjne w sieciach hybrydowych są najczęściej oparte na węzłach usługowych POP (Point of Presence).
Dla interfejsów Ethernetu o niższych przepływnościach (do 1Gb/s) stosuje się transport SDH, a dla Ethernetu 10Gb/s wykorzystuje się przekaz optyczny WDM. Szybszy transport hybrydowy stanie się bardziej ekonomiczny po obniżeniu cen Ethernet 10Gb/s i powszechnym zwiększeniu szybkości systemów SDH do 40Gb/s.
Ze wszystkich rodzajów Ethernetu można korzystać także w sytuacji, gdy w sieci transportowej SDH dostępna jest tylko część nominalnego pasma danego standardu.Sieci następnej generacjiTrendy współczesnej telekomunikacjiPrzedstawiona dalej koncepcja sieci następnej generacji odzwierciedla trendy występujące we współczesnej telekomunikacji, którymi są:
• Integracja głosu z danymi. Masowa transmisja danych zaczyna przeważać nad transmisją głosu. Sytuacja ta jednak nie przekłada się na korzyści finansowe operatorów. Zarówno teraz, jak i w najbliższej przyszłości głównym źródłem ich przychodów będą stacjonarne i komórkowe usługi głosowe, a nie usługi transmisji danych. Wzrost objętości przesyłanych danych i chęć uzyskiwania większych zysków przez operatorów prowadzą do rozwoju wspólnego przesyłania głosu i danych z wykorzystaniem tej samej infrastruktury teleinformatycznej i rozwiązań technologicznych funkcjonujących w jej obrębie. Przykładem może być tutaj jednoczesna transmisja pakietowa głosu i danych.
• Wspólna infrastruktura transportowa. Popyt na większą szerokość pasma rośnie gwałtownie i tendencja ta utrzyma się w nadchodzących latach. Operatorzy będą wprowadzać coraz wydajniejsze szkieletowe sieci transmisji danych. Łączenie głosu z danymi oraz nieustanny rozwój technologii przesyłania głosu w sieciach danych powodują, że przesyłanie głosu we wspólnych szkieletowych sieciach danych zaczyna przynosić coraz więcej korzyści. Powoduje to, że granice między transmisją głosu a transmisją danych stopniowo zacierają się. Infrastruktura transportowa ma być zrealizowana w oparciu o przełączniki wielousługowe, czyli elementy sieciowe obsługujące protokoły warstwy 2 (ATM, FR) i warstwy 3 (IP ) oraz wykorzystywać inteligentną warstwę optyczną. Współpraca optycznej sieci szkieletowej z wielousługowymi urządzeniami przełączającymi ma zapewnić rozszerzenie możliwości w zakresie dostarczania usług o zróżnicowanej przepływności.
• Oferta nowych usług. Na zliberalizowanym rynku telekomunikacyjnym kluczowym elementem przetrwania każdego operatora jest zróżnicowanie usług. Dzisiaj znane są usługi głosowe i usługi transmisji danych, ale zasadniczą sprawą są usługi nowe, zwane multimedialnymi, stanowiące największe źródło przychodów dla operatorów. Obecnie stają się coraz bardziej popularne aplikacje wymagające transmisji danych z bardzo małym opóźnieniem w trybie multicast , a także realizacja wirtualnych sieci prywatnych VPN (Virtual Private Network), usługi handlu elektronicznego, przekaz sygnału wideo czy korzystanie z połączeń bezprzewodowych. Aby podane aplikacje można było zrealizować w sieci z protokołem IP potrzebne jest rozszerzenie możliwości transportowych poza sterowanie typu best effort . W tym celu wprowadza się nowe protokoły przełączania DiffServ (Differentiated Services) i MPLS (Mult/Protocol Label Switching). Wszelkie usługi są różnicowane nie tylko poprzez wymagane pasmo, ale także jakość obsługi QoS .
• Większa otwartość sieci. Doświadczenia z sieciami inteligentnymi IN (Intelligent Network) pokazały, że wykorzystanie otwartych interfejsów korzystnie wpływa na skrócenie czasu wprowadzania usług na rynek i na ekonomikę sieci jako całości. Hierarchiczna struktura współczesnych sieci komunikacyjnych powinna docelowo opierać się na warstwach funkcjonalnych sprzężonych poprzez otwarte interfejsy.Koncepcja sieci następnej generacjiSieć telekomunikacyjna nowej generacji (Next Generation Network) to w najprostszym ujęciu otwarta (podlegająca dalszym modyfikacjom) infrastruktura sieciowa, zdolna skutecznie obsłużyć dużą liczbę aplikacji i usług komunikacyjnych. Winna ona zapewnić jednocześnie łatwe skalowanie przepływności sieci (niezbędne do sprostania bieżącym i przyszłym, jeszcze nie zdefiniowanym, wymaganiom ruchu IP) oraz ułatwić szybkie reagowanie na zmienne wymagania rynkowe. W swojej koncepcji sieć następnej generacji ma architekturę konwergentną - przede wszystkim w odniesieniu do pakietowej transmisji głosu i danych - z zastosowaniem całkowicie zintegrowanego sprzętu, umożliwiającego prowadzenie połączeń głosowych w czasie rzeczywistym. Realizacja tego wymaga oddzielenia funkcji transmisyjnych od sterowania funkcjami usługowymi przez sieć.Architektura sieci NGNOgólna architektura sieci NGN również ma otwartą strukturę warstwową (Rys. 18). Obecnie składają się na nią cztery warstwy funkcjonalne: dostępu, mediów (transportowa), sterująca i usług sieciowych. Są one połączone otwartymi interfejsami, co daje gwarancję elastyczności skalowania, przepływności i rozbudowy sieci w przyszłości. Charakterystyczną cechą takiej otwartej architektury jest możliwość konfigurowania jej elementów, przy czym każdy z nich może ulegać zmianie, rozszerzeniu, bądź nawet likwidacji.
W architekturze sieci następnej generacji całkowicie wyeliminowano separację głosu i danych, zastępując ją jednolitą pakietową siecią transportową, wspólną dla wszystkich przekazów multimedialnych (głos, dane, obraz). Jej kluczową cechą jest zdolność do świadczenia zarówno tradycyjnych usług, jak i zupełnie nowych, wszechstronnych, a zarazem prostych w stosowaniu przez użytkownika.Systemy komutacji Softswitch - przykład realizacji sieci NGN.Jednymi z najpopularniejszych systemów telekomunikacyjnych nowej generacji są systemy przełączające typu Softswitch wraz z towarzyszącymi im bramami medialnymi (Media Gateway, MGW). Pod pojęciem Softswitch należy rozumieć zmianę scentralizowanego modelu przetaczania tradycyjnej sieci telekomunikacyjnej na system rozproszony, oparty na wielu komponentach sieciowych, współpracujących ze sobą przez otwarte interfejsy i protokoły komunikacyjne. Jest to system przełączania rozproszonego, ale zarządzanego z jednego miejsca w sieci. Softswitch to element sieci telekomunikacyjnej zapewniający sterowanie połączeniami i realizujący funkcję mediacji między sieciami pakietowymi (ATM lub IP) i TDM.
W teleinformatycznej centrali przetaczającej klasy Softswitch zawsze znajdują się co najmniej dwa podstawowe elementy: blok funkcjonalny (węzeł) Softswitch, stanowiący właściwe inteligentne centrum komutacji i zarządzania siecią, oraz bramy medialne (MGW) - będące elementami konsolidującymi różne mechanizmy transportowe sieci w ramach wspólnego rozwiązania bądź przez różne otwarte transportowe interfejsy komunikacyjne.
Istotę samego centrum przełączania Softswitch stanowi rozległy system komutacji realizowany przez wysoko wydajną pakietową sieć szkieletową (IP/ATM). W rozwiązaniu Softswitch komutacja nie jest realizowana w jednym miejscu centrali przełączającej (jak to dzieje się w tradycyjnych rozwiązaniach z komutowaniem obwodów), lecz może być prowadzona między oddalonymi obiektami, którymi są rozproszone bramy.
Kolejnym ważnym elementem rozwiązania jest sposób wydzielenia i przekazywania sygnalizacji, zapewniającej wzajemną współpracę bram MGW. Optymalnym rozwiązaniem tych bram jest komunikacja przez wiele otwartych interfejsów, zdolnych do komunikowania się zarówno z siecią transportową, jak i z zewnętrznym sprzętem telekomunikacyjnym użytkownika, pochodzącym od różnych producentów, także z wykorzystaniem tradycyjnego sprzętu opartego na technice multipleksowania z podziałem czasu (TDM), czyli przez centrale z komutacją łączy. Te ostatnie niewątpliwie pozostaną nadal - jako tradycyjne wyposażenie klienta w środowiskach sieci następnej generacji.
Większość prostszych rozwiązań sieci NGN koncentruje się jedynie na instalacji węzłów Softswitch i bram medialnych ze sterowaniem, pomijając szereg innych wydzielonych elementów technicznych bądź modułów programowych współczesnych i przyszłych sieci. Przyszłość sieci NGNNiektóre złożone elementy komunikacyjne przyszłych sieci NGN są już stosowane we współczesnych sieciach. Do tej kategorii należą: sprzęt techniczno-programowy sieci inteligentnych IN, wyposażenie sieci zarządzających TMN (Telecommunications Management Network) oraz różnorodny osprzęt dostępowy. Jest oczywiste, że elementy te również będą musiały przejść pewną ewolucję, aby osiągnąć pełnię możliwości oferowanych przez koncepcję sieci NGN. Jednak poszczególne ich funkcje i przydatność do świadczenia usług multimedialnych zostały już praktycznie przetestowane.
W ogólnym przypadku wdrażanie i konfigurowanie sieci następnej generacji postępuje powoli, gdyż jest to rozwiązanie przyszłościowe i podlega ciągłym zmianom. Ostateczna postać sieci NGN wykształci się w latach 2003 - 2005. Rozwiązania bowiem wymagają jeszcze kwestie związane QoS. Ponadto nie ma jeszcze na rynku uniwersalnych bram dostępowych o dużej przepływności po rozsądnych cenach.
Pierwsze elementy sieci NGN są już instalowane w Polsce.SYSTEMY SATELITARNESystemy stacjonarneW stacjonarnych systemach satelitarnych komunikacja między abonentami odbywa się za pomocą satelitów telekomunikacyjnych umieszczonych na orbitach geostacjonarnych. Każdy system obejmuje jednego lub kilka aktywnych satelitów i przynajmniej jednego rezerwowego, który jest uaktywniany w przypadku uszkodzenia lub utraty kontroli nad satelitą aktywnym. Satelity wykorzystywane do celów telekomunikacyjnych są wyposażone w kilka (do kilkudziesięciu) transponderów pracujących w pasmach od kilku do kilkudziesięciu GHz, wykorzystywanych w zależności od: rodzaju transmisji, sposobu rezerwacji pasma i wielkości przepływności binarnej przez kanały satelitarne.
Typowe zastosowania systemów satelitarnych:
Naziemne satelitarne stacje odbiorcze TV, pracujące w zakresie 11/12 GHz;
Systemy z terminalami VSAT (Very Small Aperture Terminal), pracujące w paśmie 11/12/14 GHz lub w paśmie 4/6 GHz;
Naziemne satelitarne stacje ruchome umożliwiające transmisję danych z niewielkimi szybkościami, pracujące w zakresie 11/12/14 GHz.
Największe światowe systemy satelitarne
INTELSAT, który posiada satelity rozmieszczone nad Oceanem Atlantyckim, Indyjskim i Spokojnym oraz jest przeznaczony głównie do zapewnienia połączeń międzykontynentalnych za pomocą kanałów telewizyjnych, telefonicznych i transmisji danych.INMARSAT (Inmarsat 2, Inmarsat 3) jest systemem z 4 satelitami nad Oceanem Atlantyckim (2 satelity), Spokojnym i Indyjskim (po jednym satelicie). Służy głównie do realizacji połączeń telefonicznych i transmisji danych z ruchomymi terminalami satelitarnymi znajdującymi się na morzu (na okrętach, statkach i łodziach), na lądzie (na wszelkiego typu pojazdach) oraz przenośnymi, np. typu walizkowego. W systemie wyróżnia się kilka standardów stacji:
• Inmarsat A - analogowa transmisja głosu, teleks, terminale stałe (ok.100 kg)
• Inmarsat B - cyfrowa transmisja sygnałów mowy, terminale przewoźne (18 kg);• Inmarsat C - transmisja danych (600 b/s), terminale przewoźne;
• Inmarsat D - transmisja danych (20 kb/s), terminale przenośne (do 10 kg);
• Inmarsat M - cyfrowy przekaz mowy i danych (2,4 kbit/s), terminale przenośne;
• Inmarsat P - pierwotna niskoorbitowa wersja systemu dla terminali kieszonkowych, zastąpiona obecnie systemem ICO (Intermediate Circular Orbit).
ORION, który posiada satelity umieszczone nad Oceanem Atlantyckim i służy głównie do realizacji połączeń między Ameryką Północną a Europą. Realizuje także kanały transmisyjne w systemach VSAT i kanały przekazów telewizyjnych,
PANAMSAT, który posiada satelity znajdujące się nad Oceanem Indyjskim i zapewnia głównie komunikację w systemach VSAT, przekazy telewizyjne i łączność telefoniczną,
EUTELSAT, który wykorzystuje satelity obejmujące swym zasięgiem Europę. Służą one głównie do transmisji telewizyjnych i transmisji danych w systemach VSAT. Ze względu na wysoki stopień dostępności jest najbardziej odpowiednim systemem satelitarnym do wykorzystywania w Polsce. Satelity tego systemu mają wiązki promieniowania radiowego skierowane w różne części Europy, dwie z nich obejmują zasięgiem Europę Centralną (Rys. 19).Orbity satelitarne (Rys. 20)
Spośród orbit okołoziemskich, po których krążą satelity komunikacyjne, ze względu na ich kształt oraz oddalenie od Ziemi wyróżnia się:
HEO (Highly Elliptical Orbit) - orbita eliptyczna używana głównie do satelitów badawczych, czas obiegu satelitów ok. 3 godz., wiele płaszczyzn orbitowania;
LEO (Low Earth Orbit) - orbita kołowa dla satelitów niskoorbitowych, odległość 200-1200 km od powierzchni Ziemi, czas obiegu satelitów ok.100 minut (Iridium, Globalstar);
MEO/ICO (Medium Earth Orbit/Intermediate Circular Orbit) - (pośrednia) orbita kołowa w odległości 8 - 12 tys. km od powierzchni Ziemi, czas obiegu od 6 do kilkunastu godzin;
GEO(Geostationary Earth Orbit) - orbita geostacjonarna w odległości 36 tys. km od powierzchni Ziemi, z przeznaczeniem dla stacjonarnych systemów satelitarnych (Inmarsat, Intelsat, Eutelsat, Panamsat, Orion).
W zależności od położenia orbity względem Ziemi rozróżnia się satelity:
Synchroniczne - o okresie obrotu równym okresowi obrotu Ziemi względem osi
Podsynchroniczne - o okresie obrotu mniejszym od obrotu Ziemi
Stacjonarne (synchroniczne) - krążące po orbicie kołowej leżącej w płaszczyźnie równika ziemskiego i ruchem zgodnym z kierunkiem obrotu Ziemi i okresie równym okresowi obrotu Ziemi. Umieszczony na orbicie okołoziemskiej satelita telekomunikacyjny stanowi bezobsługowy przekaźnik satelitarny (transponder) umożliwiający nawiązanie i utrzymanie łączności satelitarnej pomiędzy odległymi punktami na powierzchni Ziemi.
Pod względem działania rozróżnia się satelity:
Bez przetwarzania sygnału na pokładzie satelity (transmisje przezroczyste);
Z przetwarzaniem sygnału na satelicie;
Pracujące w czasie rzeczywistym;
Pracujące w trybie zapamiętaj i prześlij - przeznaczone do odbierania, wzmacniania i zapisywania sygnałów oraz ich retransmisji w odpowiednim czasie.
Przekaźnik satelitarny
Przekaźnik satelitarny stanowi wielokanałowe urządzenie komunikacyjne umieszczone na satelicie telekomunikacyjnym przeznaczone do retransmisji sygnałów nadawanych z Ziemi. Pasmo komunikacyjne każdego szerokopasmowego kanału transpondera jest rozdzielone częstotliwościowo na dwie części:
Łącze w górę (uplink) do przesyłania sygnałów z Ziemi do przekaźnika
Łącze w dół (downlink) do przesyłania sygnałów z przekaźnika do stacji naziemnych.
Nominalna szerokość pasma przenoszonego przez przekaźnik wynosi nie mniej niż 500 MHz i jest podzielona na kanały szerokopasmowe (10-24 kanałów), które są konfigurowane zdalnie w zależności od zapotrzebowania na moc sygnałów radiowych RF (Radio Frequency) nadawanych w kierunku Ziemi w paśmie dolnym. Liczba i moc poszczególnych kanałów wyjściowych są ograniczone maksymalną wydajnością zasilania. W zależności od typu przekaźnika zmienia się ona od 10 do 100 W w całym paśmie łącza dolnego.GPS (Global Positioning System)GPS jest obecnie podstawą wszystkich nowoczesnych systemów nawigacyjnych-lotniczych, samochodowych, morskich, a przy zastosowaniu dokładnych metod obliczania położenia punktów może być stosowany z powodzeniem w geodezji i precyzyjnych pracach inżynierskich.
GPS (a właściwie Navstar GPS), czyli Satelitarny Globalny System Wyznaczania Pozycji, został powołany do życia w 1978 roku przez Departament Obrony USA i pierwotnie był przeznaczony do celów militarnych. Obecnie jest dopuszczony do użytku publicznego, choć z dość znacznymi ograniczeniami dokładności. System składa się z 24 satelitów umieszczonych na 6 różnych orbitach nachylonych pod kątem 55 stopni do płaszczyzny równika i obiegających Ziemię w rytmie 12-godzinnym w odległości 20 200 km od jej powierzchni. Taka konstelacja umożliwia jednoczesną obserwację co najmniej 4 satelitów z dowolnego miejsca kuli ziemskiej i o dowolnej porze (Rys. 21).
W czasie swojego ruchu orbitalnego satelity 50 razy na sekundę emitują sygnały na dwóch różnych częstotliwościach: 1575,42 MHz oraz 1227,6 MHz. Do zastosowań nawigacyjnych jest wykorzystywana pierwsza z nich. Emitowane sygnały są modulowane 3 różnymi pseudolosowymi kodami binarnymi, umożliwiającymi identyfikację satelity, określenie jego położenia w przestrzeni oraz zawierającymi informacje dotyczące parametrów orbity. Całość działań satelitów jest bezustannie monitorowana i poddawana ewentualnej korekcji przez specjalne stacje śledzące - odbierające sygnały satelitów oraz wysyłające im odpowiednie poprawki.
Aby uniknąć wielu problemów związanych z kalendarzem i odmierzaniem czasu, system Navstar GPS posługuje się własnym zegarem. Cykl kalendarza GPS obejmuje 1024 tygodnie podzielone na sekundy: czas określa się liczbą tygodni oraz liczbą sekund w danym tygodniu, które minęły od daty uruchomienia systemu. Po upływie 1024 tygodni licznik jest zerowany i zaczyna bić od nowa. Nie jest to system w pełni doskonały, o czym świadczą problemy odnotowane niedawno podczas wyzerowania licznika systemu, co miało miejsce 22 sierpnia 1999 roku. Część starszych odbiorników nie potrafiła poradzić sobie ze zmianą „daty”, co spowodowało chwilowy przestój w ich działaniu, a w niektórych przypadkach (np. komunikacji w Tokio) doprowadziło do prawdziwego chaosu.
Odbiorniki stosowane w nawigacji, umożliwiające jednoczesną obserwację nawet kilkunastu satelitów, dokonują podczas pracy kilka czynności: dekodują informacje nałożone na falę nośną, korelują odbierane sygnały, wykonują obliczenia dotyczące identyfikacji satelitów i ich optymalnego wyboru oraz ostatecznie określają położenie odbiornika.
Standardowy odbiornik GPS składa się z kilku bloków funkcjonalnych. Jednym z nich jest antena umożliwiająca odbiór sygnałów satelitów z całej sfery niebieskiej. W antenę jest wbudowany jest układ zabezpieczający odbiornik przed uszkodzeniem wskutek wyładowań atmosferycznych, wzmacniacz sygnałów oraz filtr odcinający częstotliwości inne niż częstotliwość fali nośnej. Kolejnym modułem jest blok odbioru. Zawiera on oscylator kwantowy, będący wzorcem czasu i częstotliwości, oraz moduł śledzenia. Niektóre profesjonalne odbiorniki GPS (stosowane w pomiarach geodezyjnych) zamiast regulatora kwarcowego mają wewnętrzny zegar atomowy. Urządzenia takie są jednak bardzo drogie. Blok śledzenia przygotowuje dane, które służą następnie do obliczenia pozycji i przetwarzania zewnętrznych danych nawigacyjnych, np. prędkości lub czasu podróży. Za wymienione operacje odpowiada blok formowania sygnału. Z punktu widzenia użytkownika jest to najistotniejszy element odbiornika. Obliczenia pozycji są wykonywane przez procesor, od którego mocy obliczeniowej zależy chociażby częstotliwość odświeżania mapy na ekranie (obecnie w GPS często wykorzystuje się stare modele procesorów, np. „386”).[2]
Największą precyzję lokalizacji, dostępną dla uprzywilejowanych użytkowników systemu, uzyskuje się przez stosowanie dodatkowej stacji referencyjnej o znanej, bardzo dokładnie ustalonej pozycji. Stacja referencyjna za pomocą systemu DGPS (Differential GPS) oblicza i emituje dodatkowe parametry korekcyjne, niwelujące znaczną część błędów spowodowanych celowym przekłamywaniem informacji nawigacyjnych S/A (Selective Availibility) oraz wynikających z różnic w propagacji sygnałów przez przyległe ścieżki jonosfery (Tab.3).
Problem opóźnieniaKlasyczny satelita GEO (Geostationary Earth Orbit), zawieszony 36 tys. km nad równikiem, krąży synchronicznie z obrotem Ziemi, z zachowaniem stałej względem niego pozycji. Rozwiązanie to jest wygodne z logistycznego punktu widzenia - sygnał bowiem jest wysyłany przez satelitę zawsze w tym samym kierunku i trafia zawsze w to samo miejsce na Ziemi.
Mimo że prędkość wiązki wynosi około 300 tys. km, sygnał radiowy przekazany za pomocą satelity GEO, choćby był wysłany przez komputer z sąsiedniego biurka, dotrze z powrotem do odbiorcy z opóźnieniem około pół sekundy (4x36 tys. km) lub ćwierć sekundy (2x36 tys. km).
Opóźnienia sygnałów są problemem dla aplikacji czasu rzeczywistego (real time), wideokonferencji, zwykłych rozmów telefonicznych, a nawet protokołów transmisji danych. Zastosowanie nisko orbitujących satelitów typu LEO (Low Earth Orbit) i umieszczonych na wysokości kilkuset kilometrów sprawia, że opóźnienie zmniejsza się do poziomu jednej setnej sekundy.Systemy niestacjonarneSystemy stacjonarne, czyli systemy przeznaczone do komunikacji osobistej S-PCN opierają się na satelitach krążących po orbitach niestacjonarnych, czyli znacznie niżej niż 36 000 km. W systemach do komunikacji z abonentami ruchomymi jest wykorzystywane zwykle pasmo L , natomiast sterowanie i łączność z siecią stacjonarną dokonuje się w pasmach L i Ka .
Najbardziej znane systemy niestacjonarne:
Globalstar
System ten składa się z 56 satelitów rozlokowanych na ośmiu orbitach przebiegających na wysokościach 1414 km, o nachyleniu 52 stopnie, przy czym 8 satelitów pełni funkcje rezerwowych. W systemie wykorzystano technikę dostępu kodowego CDMA . Sygnały pochodzące z terminali abonentów będą przekazywane przez satelitę do pracujących w granicach wiązki satelitarnej stacji naziemnych, eksploatowanych przez licencjowanych operatorów. Do połączeń między poszczególnymi stacjami naziemnymi jest wykorzystywana sieć naziemnych łączy międzynarodowych.
Iridium
Iridium jest to system telefonii satelitarnej. System ten stosuje zasadę wielodostępu z podziałem częstotliwości FDMA i z podziałem czasowym TDMA . Koncepcja budowy systemu Iridium została przedstawiona na konferencji prasowej Motoroli w 1990 roku. Nazwa Iridium wywodzi się od pierwiastka, który posiada 77 elektronów (początkowo zakładano, że system ten będzie posiadał taką liczbę satelit). Prace nad projektem doprowadziły do tego, że zrezygnowano z jednej orbity, dlatego też ostateczna liczba satelit to 66+6 satelit awaryjnych.[3]
Satelity obiegają Ziemię po nisko położonych orbitach (wysokość 780 km) i rozdzielonych równomiernie pomiędzy sześć płaszczyzn orbitalnych. System ten zakłada transmisję dwukierunkową w zakresie częstotliwości 1616-1626,5 MHz, wykorzystując wspomnianą wcześniej technikę dostępu TDMA/FDMA. Podobnie, jak to ma miejsce w przypadku naziemnych systemów radiotelefonii komórkowej, w systemie Iridium utworzono na powierzchni Ziemi 48 „komórek”, każda o średnicy około 600 km, dzięki czemu można było zagwarantować łączność ruchomą, obejmującą całą powierzchnię kuli ziemskiej.
Ten prekursorski projekt telekomunikacyjny zakończył się spektakularną klapą finansową. Iridium umożliwiała swym abonentom rozmowy z każdego miejsca na Ziemi. Szefowie Iridium twierdzili, że powodem ogromnych kłopotów finansowych firmy było niedocenianie potencjału telefonii GSM, której sieci działają w ponad 140 krajach i eliminują zasadność stosowania małych telefonów satelitarnych w większości miejsc na świecie. Poza tym, przy uruchamianiu sieci Iridium zawiódł marketing i dystrybucja sprzętu - istniały wtedy znaczne niedobory telefonów. Telefon Iridium (Rys. 22) - ciężki i niezgrabny - kosztował aż 3 tys. dolarów, a rozmowy do 7 dolarów za minutę. Poza tym aparaty nie działały wewnątrz budynków, bo antena musiała widzieć satelitę, zatem były kłopotliwe dla klientów. Z sieci korzystało ok. 50 tys. abonentów, a prognozy zakładały, że po roku będzie ich 500-700 tys., a do roku 2002 - 2 miliony. Nie stało się tak. Projekt Iridium miał wartość 5 mld dolarów, a zainwestowały w niego największe firmy telekomunikacyjne i specjalizujące się w technologii kosmicznej - Motorola, Sprint, Lockheed Martin i Raytheon. Miał przynieść gigantyczne zyski, tymczasem straty rosły lawinowo. W pierwszym kwartale 2001 roku Iridium straciło 500 mln dolarów, a w tym samym czasie zyski wyniosły jedynie 1,5 mln dolarów. Do połowy marca 2002 firma popadła w duże długi - 4,4 mld dolarów.
Z technicznego punktu widzenia Iridium korzystające z 66 satelitów umieszczonych 780 kilometrów nad Ziemią funkcjonowało bez problemów. Sukces techniczny nie przełożył się jednak na ekonomiczny. Iridium całkowicie i bezpowrotnie zakończyło swoją działalność, a satelity przeznaczono do zniszczenia. Łączą się z tym dodatkowe koszty - satelity spalą się podczas wchodzenia w atmosferę, a ich zniszczenie ma kosztować 30-50 mln dolarów i trwać aż 2 lata.
Iridium starało się zwiększyć liczbę abonentów, obniżając o połowę taryfy, ale w tym momencie pojawił się konkurencyjny Globalstar (wcześniej opisywany). Był wprowadzany stopniowo na kolejnych kontynentach. Wykorzystuje on mniejszą liczbę satelitów, a koszty budowy systemu i eksploatacji sieci były znacznie niższe. Konsorcjum Globalstar uniknęło wielu błędów Iridium i od początku nawiązało ścisłą współpracę z operatorami istniejących sieci telefonicznych i bezprzewodowych. Nie konkuruje z nimi, lecz stwarza im możliwości rozszerzenia zakresu usług i zasięgu [4]. (Tab. 4)
Inne systemy niestacjonarne:
ICO (Inmarsat-P)
Teledesic
Przyszłość systemów niestacjonarnych
Obecnie trwają prace nad budową satelitarnego Internetu, czyli sieci SkyBridge. Jej uruchomienie przewiduje się na 2002/2003. Będzie ona służyła do bardzo szybkiej transmisji danych. Jej zadaniem będzie obsługa gwałtownie narastającego ruchu internetowego. Konsorcjum budujące sieć SkyBridge, jest równie pewne, jak Globalstar, że nie podzieli losu Iridium. W tym wypadku wiarą napawa fakt, że na świecie działają sieci satelitarne (np. Inmarsat), które nie mają problemów. Jednak w tych sieciach obsługiwane są nie tylko rozmowy telefoniczne - prawie połowę ruchu w nich stanowi transmisja danych (w Inmarsacie to 64 kb/s), a udział tego rodzaju usług ma wzrosnąć do 70 %. Przyszłość sieci satelitarnych leży raczej w usługach internetowych, niż rozmowach telefonicznych