2.5.2. Pętla lokalna: modemy, ADSL i pętle bezprzewodowe

Pora przejść do szczegółowej analizy, jak działa system telefoniczny. Główne elementy systemu przed­stawia rysunek 2.19. Widzimy na nim pętle lokalne, łącza dalekosiężne, centrale tranzytowe i centrale lokalne. Oba typy central zawierają sprzęt przełączający rozmowy. Centrala lokalna może obsłu­giwać do 10 000 pętli lokalnych (w USA i innych dużych krajach). Do niedawna w USA numer kierunkowy plus kod obszaru wskazywały na centralę lokalną więc (212) 601-xxxx był numerem konkretnej centrali lokalnej z 10 000 abonentów, ponumerowanych od 0000 do 9999. Gdy poja­wiła się konkurencja wśród operatorów, ten system nie obronił się, ponieważ wiele firm chciało ko­rzystać z kodu centrali lokalnej. Ponadto pula kodów została praktycznie wykorzystana, więc trze­ba było wprowadzić złożone schematy mapowania.

RYSUNEK 2.19. Wykorzystanie zarówno transmisji analogowej, jak i cyfrowej do nawiązania połączenia między dwoma komputerami. Konwersji dokonują modemy i kodery-dekodery

Zacznijmy od części najlepiej znanej użytkownikom telefonów — dwuprzewodowych pętli lo­kalnych biegnących z centrali lokalnej firmy do domów i małych firm. Pętla lokalna jest też często nazywana „ostatnią milą", chociaż jej długość może być kilkakrotnie większa. W pętlach lokalnych od ponad 100 lat stosowana jest komunikacja analogowa i przypuszczalnie będzie tak jeszcze przez lata, z uwagi na wysokie koszty przejścia na technikę cyfrową. Mimo to nawet w tej ostatniej twierdzy transmisji analogowej zachodzą zmiany. Przedstawimy tu tradycyjną pętlę lokalną i nowe rozwiązania techniczne, ze szczególnym naciskiem na transmisję danych z komputerów domowych.

Gdy komputer chce wysłać dane cyfrowe analogową linią telefoniczną dane muszą zostać najpierw przekształcone na postać analogową do transmisji przez pętlę lokalną Konwersja ta od­bywa się w urządzeniu zwanym modemem, którym zajmiemy się poniżej.

W lokalnej centrali tele­fonicznej dane są przekształcane na postać cyfrową do przesłania łączami dalekosiężnymi.

Jeśli komputer po drugiej stronie używa modemu, potrzebna jest konwersja w drugą stronę — z postaci cyfrowej na analogową — aby sygnał przeszedł drugą pętlę lokalną do miejsca prze­znaczenia. Taki układ z rysunku 2.19 dotyczy dostawcy usług internetowych ISP 1 dysponującego farmą modemów, z których każdy jest podłączony do innej pętli lokalnej. ISP może obsługiwać tyle jednoczesnych połączeń, ile posiada modemów (zakładając, że jego serwery mają wystarczającą mc obliczeniową). Taki układ był normą, dopóki nie pojawiły się modemy 56 kb/s, z powodów, które staną się jasne za chwilę.

Sygnał analogowy reprezentuje strumień informacji w postaci zmian napięcia w czasie. Gdyby nośniki transmisji były idealne, odbiornik otrzymałby dokładnie taki sam sygnał, jaki wysłał nadajnik. Niestety, media nie są idealne, więc sygnały odbierane różnią się od nadawanych. W przypadku danych cyfrowych te różnice mogą prowadzić do błędów.

Linie transmisyjne spotykają się z trzema podstawowymi problemami: tłumieniem, zniekształceniami opóźnieniowymi (fazowymi) i zakłóceniami. Tłumienie oznacza utratę energii sygnał podczas propagacji. Stratę mierzymy w decybelach na kilometr. Ilość traconej energii zależy o częstotliwości. Aby zobaczyć efekt tej zależności od częstotliwości, wyobraźmy sobie sygnał ni jako przebieg czasowy, lecz jako szereg składowych harmonicznych. Każda składowa jest tłumie na w innym stopniu, co daje inne widmo Fouriera na drugim końcu łącza.

Co gorsze, różne składowe harmoniczne podróżują w kablu z różnymi prędkościami. Te różnice w prędkości prowadzą do zniekształceń odbieranego sygnału.

Kolejnym problemem są zakłócenia, czyli niechciana energia pochodząca z innych źródeł niż nadajnik. Szumy cieplne, powodowane przez losowe ruchy elektronów w przewodzie, są nieuniknione. Przesłuch powodowany jest przez sprzężenie indukcyjne między dwoma biegnącymi obok siebie przewodami. Czasem podczas rozmowy przez telefon możemy usłyszeć w tle inną rozmowę; To jest właśnie przesłuch. Są jeszcze zakłócenia impulsowe powodowane przez impulsy w napięciu zasilania i inne przyczyny. W przypadku danych cyfrowych zakłócenie impulsowe może spowodować utratę jednego lub kilku bitów.

Modemy

Z powodu omówionych powyżej problemów, a zwłaszcza faktu, że tłumienie i prędkość propagacji zależą od częstotliwości, szeroki zakres częstotliwości w sygnale jest niepożądany. Niestety, prze biegi prostokątne używane w technice cyfrowej mają szerokie widmo częstotliwości, więc podlegaj; silnemu tłumieniu i zniekształceniom fazowym. Zjawiska te powodują, że transmisja w paśmie podstawowym (DC) jest niezdatna do użytku z wyjątkiem małych szybkości transmisji i niewielkich odległości.

Aby obejść problemy związane z transmisją DC, zwłaszcza w liniach telefonicznych, używa na jest sygnalizacja prądem przemiennym (AC). Zostaje wprowadzony ciągły sygnał w zakresie od 1000 do 2000 Hz, zwany sinusoidalną falą nośną. Aby przesyłać informacje, może być modulowana jego amplituda, częstotliwość lub faza. W modulacji amplitudy do reprezentowania zer i jedynek używane są dwie różne amplitudy sygnału. W modulacji częstotliwości, zwanej te; kluczowaniem z przesuwem częstotliwości, używane są dwie różne częstotliwości sygnału (lub więcej). W najprostszej formie modulacji fazowej fala nośna jest systematycznie przesuwana o 0 lub 180 stopni w regularnych odstępach. Lepszą metodą jest przesuwanie fazy o 45, 135, 225 lub 311 stopni pozwalające przesłać 2 bity informacji w jednej jednostce czasu. Poza tym wymóg zmian) fazy na końcu każdego interwału ułatwia rozpoznanie granic interwałów czasu przez odbiornik.

Rysunek 2.20 ilustruje trzy metody modulacji. Na rysunku 2.20 (b) jedna amplituda jest zerowa a druga niezerowa. Na rysunku 2.20 (c) użyte zostały dwie częstotliwości. Na rysunku 2.20 (d] zmiana fazy jest obecna lub nie na każdej granicy bitu.

Urządzenie przyjmujące jako wejście szeregowy strumień bitów i generujące falę nośna modulowaną jedną (lub więcej) z tych metod, lub na odwrót, nazywane jest modemem (skrót od modulator-demodulator). Modem jest wstawiany pomiędzy komputer (cyfrowy) a system tele­foniczny (analogowy).

RYSUNEK 2.20.

(a) Sygnał binarny.

(b) Modulacja amplitudy.

(c) Modulacja częstotliwości.

(d) Modulacja fazy

Aby osiągać coraz wyższe szybkości transmisji, nie możemy po prostu cały czas zwiększać czę­stotliwości próbkowania. Twierdzenie Nyquista mówi, że nawet w linii idealnej (jaką łącze telefoniczne na pewno nie jest) o przepustowości 3000 Hz nie ma sensu próbkować sygnału szybciej niż z często­tliwością 6000 Hz. W praktyce większość modemów próbkuje 2400 razy na sekundę i koncentruje się na uzyskaniu większej liczby bitów na próbkę.

Liczba próbek na sekundę mierzona jest w bodach. W każdym bodzie wysyłany jest jeden sym­bol. Wobec tego linia «-bodowa przesyła n symboli na sekundę. Na przykład linia 2400-bodowa wy­syła jeden symbol co 416,667 μs. Jeśli symbol zawiera 0 V dla logicznego „0" i 1 V dla logicznej „1", szybkość transmisji bitów wynosi 2400 b/s. Jeśli jednak zostaną użyte napięcia 0, 1, 2 i 3 V, to każdy symbol będzie składać się z 2 bitów, więc 2400-bodowa linia może nadawać 2400 symboli na sekundę z szybkością 4800 b/s. Analogicznie z czterema możliwymi przesunięciami fazy mamy 2 bity na symbol, a więc ponownie szybkość transmisji bitów jest dwukrotnie wyższa od szybkości trans­misji w bodach. Ta ostatnia technika jest powszechnie stosowana i nosi nazwę QPSK (Quadrature Phase Shift Keying — kwadraturowa modulacja fazy).

Pojęcia szerokości pasma oraz szybkości transmisji bodów, symboli i bitów są powszechnie mylone, więc przypomnijmy je. Szerokość pasma (bandwidth) nośnika oznacza zakres częstotliwo­ści, które przechodzą przezeń z minimalnym tłumieniem. Jest to właściwość fizyczna nośnika (zwykle od 0 do jakiejś częstotliwości maksymalnej), mierzona w hercach (Hz). Szybkość transmisji w bodach (baud rate) oznacza liczbę próbek na sekundę. Każda próbka przesyła jedną porcję infor­macji — symbol, więc szybkość transmisji w bodach i w symbolach na sekundę są takie same. O licz­bie bitów na symbol decyduje technika modulacji (np. QPSK). Szybkość transmisji bitów oznacza ilość informacji przesyłanych kanałem i jest równa liczbie symboli na sekundę przemnożonej przez liczbę bitów w symbolu.

Wszystkie nowoczesne modemy używają kombinacji różnych technik modulacji, aby prze­syłać więcej informacji na bod. Często łączy się wiele zmian amplitudy i fazy w celu przesłani; kilku bitów na symbol. Na rysunku 2.21 (a) widzimy punkty przy kątach 45, 135, 225 i 315 stopni ze stałą amplitudą (odległością od początku układu. Fazę punktu wskazuje kąt, pod jakim linia od początku układu do kropki znajduje się względem dodatniej półosi X. Na rysunku 2.21 (a) znaj dują się cztery poprawne kombinacje, które mogą posłużyć do przesłania 4 bitów w jednym sym­bolu. Jest to modulacja QPSK.

RYSUNEK 2.21. (a) QPSK. (b) QAM-16. (c) QAM-64

Na rysunku 2.21 (b) widzimy inny schemat modulacji, w którym zostały użyte cztery amplitud; i cztery fazy, dając 16 możliwych kombinacji. Ta metoda pozwala przesłać 16 bitów w jednym symbolu i nosi nazwę QAM-16 (Quadrature Amplitudę Modulation — kwadraturowa modulacja amplitudy). Czasem zamiennie używa się skrótu 16-QAM. QAM-16 może posłużyć, na przykład, do transmisji 9600 b/s linią2400-bodową.

Rysunek 2.21 (c) przedstawia kolejny schemat łączący modulację amplitudy i fazy. Pozwala n: 64 różne kombinacje, więc w jednym symbolu może zostać przesłanych 6 bitów. Ten schemat nos nazwę QAM-64. Używane są również QAM wyższych rzędów.

Schematy takie jak na rysunku 2.21, przedstawiające legalne kombinacje amplitudy i fazy noszą nazwę wykresów konstelacji. Każdy szybki modem ma własny wzorzec konstelacji i może komunikować się tylko z innymi modemami używającymi identycznego wzorca (chociaż

większość modemów może emulować wszystkie wolniejsze)

Przy wielu punktach we wzorcu konstelacji nawet niewielki poziom zakłóceń w wykryte amplitudzie lub fazie może spowodować błąd i, potencjalnie, wiele błędnych bitów. Aby zmniejszy prawdopodobieństwo błędu, standardy szybszych modemów obejmują korekcję błędów przez dodawanie dodatkowych bitów do każdej próbki. Schematy te oznaczane są skrótem TCM (Trellis Coded Modulation — modulacja kratowo-kodowa). Wobec tego, na przykład, standard modemu V.3; używa 32 punktów konstelacji da przesłania 4 bitów danych i jednego bitu parzystości na symbol, aby przy szybkości 2400 bodów osiągnąć 9600 b/s z korekcją błędów. Jego wzorzec konstelacji przed- stawia rysunek 2.22 (a). Decyzja o „obróceniu" wzorca dookoła początku układu o 45 stopni wynik z przyczyn technicznych — przed i po obróceniu konstelacja ma tę samą przepustowość informacji.

Następnym krokiem po 9600 b/sjest 14 400 b/s. Ten standard nosi nazwę V.32 bis. Szybkość teką osiągnięto przez przesyłanie 6 bitów danych i jednego bitu parzystości z prędkością 2400 bodów Jego wzorzec konstelacji, pokazany na rysunku 2.22 (b), ma 128 punktów z użyciem QAM-128 Tej szybkości używają faksmodemy do transmisji stron zeskanowanych do grafiki rastrowej. QAM-256 nie jest używany w żadnych standardowych modemach telefonicznych, lecz stosuje się go w sieciach kablowych, jak zobaczymy później.

RYSUNEK 2.22.

(a) V.32 dla 9600 b/s.

(b) V.32 bis dla 14 400 b/s

Kolejnym modemem telefonicznym po V.32 bis jest V.34 działający z szybkością 28 800 b/s przy 2400 bodach i 12 bitach danych na symbol. Ostatnim modemem w tej serii jest V.34 bis, który używa 14 bitów danych na symbol przy 2400 bodach, aby osiągnąć 33 600 b/s.

Aby jeszcze bardziej zwiększyć skuteczną szybkość transmisji danych, wiele modemów prze­prowadza kompresję danych przed wysłaniem, co daje efektywną szybkość wyższą niż 33 600 b/s. Z drugiej strony niemal wszystkie modemy testują linię przed rozpoczęciem transmisji danych użytkownika, a jeśli jakość łącza okaże się niewystarczająca, schodzą do szybkości niższej niż maksymalna znamionowa. Wobec tego efektywna szybkość modemu obserwowana przez użyt­kownika może być niższa, równa lub wyższa od znamionowej.

Wszystkie nowoczesne modemy pozwalają na jednoczesną komunikację w obie strony (uży­wając różnych częstotliwości dla obu kierunków). Połączenie pozwalające na równoczesną komuni­kację w dwie strony nosi nazwę pełnodupleksowego. Droga dwukierunkowa jest medium pełnodupleksowym. Połączenie, które pozwala na transmisję w każdą stronę, lecz tylko w jedną naraz, nosi nazwę półdupleksowego. Medium półdupleksowym jest np. pojedynczy tor kolejowy. Połą­czenie pozwalające na transmisję w tylko jedna stronę nazywane jest simpleksowym. Przykładem może być droga jednokierunkowa. Innym przykładem simpleksu jest światłowód z laserem na jed­nym końcu i czujnikiem światła na drugim.

Powodem, dla którego standardowe modemy zatrzymały się na prędkości 33 600 b/sjest grani­ca Shannona, wynosząca dla systemu telefonicznego około 35 kb/s. Z tego powodu jeszcze szyb­sza transmisja naruszyłaby prawa fizyki (dział termodynamiki). O tym, czy modemy 56 kb/s są teo­retycznie możliwe, dowiemy się za chwilę.

Ale skąd teoretyczny limit równy 35 kb/s? Ma to związek ze średnią długością pętli lokalnych i jakością tych linii. 35 kb/s bierze się ze średniej długości takiej pętli. Na rysunku 2.19 połączenie inicjowane w komputerze po lewej i kończące się u ISP 1 przechodzi dwie pętle lokalne jako sygnał analogowy, jedną przy komputerze nadającym i jedną u celu. Każda z nich wnosi zakłócenia do sy­gnału. Gdybyśmy mogli pozbyć się jednej z tych pętli lokalnych, maksymalna szybkość podwoiłaby się.

Dokładnie tak postępuje ISP 2. Ten dostawca usług internetowych ma czysto cyfrowe łącze z naj­bliższą centralą lokalną. Sygnały cyfrowe używane w łączach dalekosiężnych są doprowadzane bezpośrednio do ISP 2, eliminując kodery-dekodery, modemy i transmisję analogową na tym końcu połączenia. Wobec tego, gdy jeden koniec połączenia jest czysto cyfrowy, jak u większości dzi­siejszych ISP, maksymalna szybkość transmisji danych może osiągnąć 70 kb/s. Pomiędzy dwoma użytkownikami domowymi z modemami i liniami analogowymi maksimum wynosi 33,6 kb/s.

Powód, dla którego używane są modemy 56 kb/s, bierze się z twierdzenia Nyquista. Kanał telefoniczny ma szerokość około 4000 Hz (łącznie z pasmami międzykanałowymi). Wobec tego maksymalna liczba niezależnych próbek na sekundę wynosi 8000. Liczba bitów na próbkę w USA wynosi 8, przy czym jeden z nich jest używany do celów kontrolnych, co pozwala na przesyłanie 5600 b/s danych użytkownika. W Europie wszystkie 8 bitów są dostępne dla użytkownika, więc można było użyć modemów 64 000 b/s, lecz aby dojść do międzynarodowego porozumienia co do standardu, wybrano 56 000.

Ten standard modemu nosi nazwę V.90. Jest w nim dostępny kanał wysyłający (od użytkowni­ka do ISP) 33,6 kb/s, lecz pobierający (od ISP do użytkownika) już 56 kb/s, ponieważ zwykle więcej danych przesyła się od ISP do użytkownika niż w drugą stronę (np. żądanie strony WWW zajmuje kilka bajtów, lecz sama strona może mieć megabajt i więcej). W teorii kanał wysyłający szybszy niż 33,6 kb/s jest możliwy, lecz ponieważ wiele pętli lokalnych jest zbyt zaszumionych nawet na 33,6 kb/s, to zdecydowano przydzielić więcej pasma do kanału pobierającego, aby zwiększyć prawdopodobieństwo, że faktycznie zadziała z 56 kb/s.

Następnym po V.90 jest V.92. Te modemy są zdolne do przesyłania 48 kb/s w stronę ISP, jeśli linia jest do tego zdolna. Oprócz tego ustalają właściwą szybkość transmisji, jakiej mają używać w cza­sie mniej więcej o połowę krótszym niż standardowe 30 sekund wymagane przez starsze modemy. Na koniec pozwalają na przerwanie sesji internetowej przez przychodzącą rozmowę pod warun­kiem, że na linii dostępna jest usługa połączeń oczekujących.

Cyfrowe linie abonenckie (DSL)

Gdy branża telefoniczna w końcu doszła do 56 kb/s, pogratulowała sobie dobrze wykonanej roboty. W tym czasie telewizja kablowa oferowała już szybkości do 10 Mb/s na wspólnych kablach, a firmy satelitarne planowały zaoferowanie ponad 50 Mb/s. Ponieważ dostęp do Internetu zaczął grać co­raz ważniejszą rolę w biznesie telefonicznym, firmy w nim działające zaczęły zdawać sobie sprawę, że potrzebują bardziej konkurencyjnego produktu. Ich odpowiedzą były nowe cyfrowe usługi po­przez pętlę lokalną. Usługi mające szersze pasmo niż standardowa linia telefoniczna czasem są na­zywane szerokopasmowymi (ang. broadband), aczkolwiek ta nazwa jest raczej pomysłem mar­ketingowym, a nie konkretną ideą techniczną.

Początkowo istniało wiele ofert o nakładających się cechach i ogólnej nazwie jcDSL (Digital Subscriber Line — cyfrowa linia abonencka), z różnymi x. Omówimy je poniżej, lecz skupimy się przede wszystkim na najpopularniejszej z tych usług, ADSL (Assymetric DSL — asymetryczna DSL). Ponieważ rozwój ADSL wciąż trwa i nie wszystkie standardy są w pełni określone, część szczegółów podanych poniżej może zmienić się z czasem, lecz ogólny obraz powinien pozostać taki sam. Dodatkowe informacje o ADSL przedstawili Summers (1999) oraz Vetter i inni (2000).

Powodem, dla którego modemy są tak powolne, jest fakt, że telefon został wynaleziony do przenoszenia ludzkiego głosu i cały system został dokładnie zoptymalizowany pod tym kątem. Dane zawsze były traktowane po macoszemu. W miejscu, gdzie każda pętla lokalna kończy się w centrali lokalnej, połączenie przechodzi przez filtr tłumiący wszystkie częstotliwości poniżej 300 Hz i powyżej 3400 Hz. Odcięcie nie jest ostre — 300 Hz i 3400 Hz to punkty 3 dB — więc pasmo podaje się zwykle jako 4000 Hz, mimo że odległość pomiędzy punktami 3 dB wynosi 3100 Hz. Wobec tego dane ograniczone są do wąskiego pasma częstotliwości.

Sztuczka, dzięki której xDSL działa, polega na tym, że gdy klient wybierze taki abonament, wejściowa linia zostaje podłączona do innego typu przełącznika, który nie ma tego filtru, dzięki czemu staje się dostępne całe pasmo pętli lokalnej. Czynnikiem ograniczającym są teraz właści­wości fizyczne pętli lokalnej, a nie sztuczne pasmo 3100 Hz utworzone przez filtr.

Niestety, przepustowość pętli lokalnej zależy od kilku czynników, w tym długości, średnicy przewodu i ogólnej jakości. Rysunek 2.23 przedstawia zależność potencjalnej przepustowości w funkcji odległości. Dla tej charakterystyki założono, że pozostałe czynniki są optymalne (nowe kable, nie­zbyt grube wiązki itp.).

RYSUNEK 2.23. Pasmo w zależności od odległości w kablu UTP 3 dla DSL

Implikacje tej zależności stanowią problem dla firmy telefonicznej. Gdy wybierana jest ofero­wana szybkość transmisji, to od wyboru zależy odległość od lokalnej centrali, powyżej której usługi nie można zaoferować. Oznacza to, że gdy odległy klient będzie chciał skorzystać z usługi, może usłyszeć „Dziękujemy za zainteresowanie, lecz mieszka Pan/Pani 100 metrów za daleko od najbliższej centrali lokalnej, aby skorzystać z usługi. Czy możemy zaproponować przeprowadzkę?". Im niższa będzie wybrana szybkość, tym większy zasięg i tym więcej klientów objętych zasięgiem. Lecz im niższa szybkość, tym mniej atrakcyjna usługa i tym mniej klientów będzie gotowych za nią zapłacić. Jednym z potencjalnych rozwiązań może być tworzenie miniaturowych central lokalnych na osiedlach, lecz jest to kosztowny pomysł.

Wszystkie usługi xDSL zostały zaprojektowane z myślą o konkretnych celach. Po pierwsze, do świadczenia usługi muszą nadawać się istniejące pętle lokalne ze skrętki kategorii 3. Po drugie, usługa nie może wpływać na istniejące telefony i faksy klientów. Po trzecie, musi być znacznie szybsza niż 56 kb/s. Po czwarte, musi być zawsze włączona i opłacana miesięcznym abonamentem, a nie za mi­nutę połączenia.

Pierwsza usługa ADSL była oferowana przez AT&T i działała przez podział widma dostępnego w pętli lokalnej, czyli około 1,1 MHz, na trzy pasma częstotliwości: POTS (Plain Old Telephone Service — zwykła stara usługa telefoniczna), transmisji wysyłającej (od użytkownika do centrali lokalnej) i pobierającej (z centrali do użytkownika). Technika polegająca na używaniu kilku pasm częstotliwości nosi nazwę multipleksowania z podziałem częstotliwości; zapoznamy się z nią póź­niej. Następne oferty innych dostawców usług opierały się na innym podejściu i wygląda na to, że to podejście zwycięży, więc opiszemy je poniżej.

Metodę alternatywną, nazwaną DMT (Discrete MultiTone), ilustruje rysunek 2.24. Działa przez podzielenie pasma 1,1 MHz dostępnego w pętli lokalnej na 256 niezależnych kanałów po 4312,5 Hz każdy. Kanał 0 jest używany przez POTS. Kanały od 1. do 5. nie są używane, co zapo­biega wzajemnemu zakłócaniu przez siebie sygnałów głosu i danych. Z pozostałych 250 kanałów jeden jest używany do kontroli transmisji wysyłającej i jeden do kontroli transmisji pobierającej. Pozostałe są dostępne dla danych użytkownika.

W zasadzie każdy z pozostałych kanałów może być użyty do pełnodupleksowej transmisji danych, lecz harmoniczne, przesłuch i inne zjawiska powodują, że praktyczne systemy działają znacznie poniżej teoretycznego limitu. Od dostawcy usług zależy decyzja, ile kanałów posłuży do trans­misji w górę, a ile w dół. Podział pół na pół jest możliwy technicznie, . większość dostawców przydziela około 80% - 90% pasma na kanał pobierający, ponieważ większość użytkowników wię­cej danych pobiera niż wysyła. Z takiego asymetrycznego podziału wzięła się litera „A" w ADSL.

RYSUNEK 2.24. Działanie ADSL z wykorzystaniem dyskretnej modulacji wieloczęstotliwościowej (DMT)

Często przydziela się 32 kanały na transmisję wysyłającą i resztę w dół. Można też kilka z najwyż­szych kanałów skonfigurować jako dwukierunkowe, aby zwiększyć przepustowość, lecz taka optymalizacja wymaga dodatkowego obwodu likwidującego echa.

Standard ADSL (ANSI T 1.413 i ITU G.992.1) pozwala na szybkości aż do 8 Mb/s pobierania i 1 Mb/s wysyłania, jednakże niewielu dostawców usług oferuje takie szybkości. Typowa oferta to 512 kb/s pobierania i 64 kb/s wysyłania (usługa standardowa) oraz 1 Mb/s pobierania i 256 kb/s wy­syłania (usługa premium).

W każdym kanale używana jest modulacja podobna do V.34, aczkolwiek częstotliwość prób­kowania wynosi 4000 bodów zamiast 2400. Jakość linii w każdym kanale jest nieustannie monito­rowana i szybkość transmisji danych na bieżąco regulowana w miarę potrzeb, więc różne kanały mogą mieć różne szybkości transmisji danych. Same dane są przesyłane z modulacją QAM i z mak­symalnie 15 bitami na bod. Schemat konstelacji przypomina ten z rysunku 2.21 (b). Przy np. 224 kanałach pobierających i 15 bitach na bod przy 400 bodach przepustowość łącza pobierającego do użytkownika wynosi 13,44 Mb/s. W praktyce stosunek sygnał/szum nigdy nie jest wystarczająco wysoki, by osiągnąć to maksimum, lecz na niewielkich odległościach przez pętle wysokiej jakości możliwe jest 8 Mb/s, dlatego też w standardzie jest to maksymalna szybkość.

Typową konfigurację ADSL przedstawia rysunek 2.25. W takim układzie technik firmy tele­fonicznej musi zainstalować u klienta NID (Network Interface Device — urządzenie interfejsu sieciowego). To małe plastikowe pudełko oznacza koniec własności firmy telefonicznej i początek własności klienta. W pobliżu NID (a czasem połączony z nim) jest rozgałęźnik — filtr analogowy oddzielający pasmo POTS 0 - 4000 Hz od danych. Sygnał POTS jest kierowany do istniejącego telefonu lub faksu, a sygnał danych do modemu ADSL. Modemem ADSL to w rzeczywistości procesor sygnałowy skonfigurowany do grania roli 250 modemów QAM działających równolegle na różnych częstotliwościach. Ponieważ współczesne modemy ADSL są w większości zewnętrz­ne, komputer musi być połączony z modemem łączem o dużej szybkości. Zwykle służy do tego karta Ethernet w komputerze obsługująca bardzo krótką dwuwęzłową sieć Ethernet złożoną tylko z komputera i modemu ADSL. Czasami zamiast Ethernetu używany jest port USB. W przyszłości z pewnością staną się dostępne wewnętrzne karty modemowe ADSL.

Na drugim końcu kabla, po stronie lokalnej centrali telefonicznej, instalowany jest drugi roz­gałęźnik. Tutaj głosowa część sygnału zostaje odfiltrowana i przesłana do standardowego prze­łącznika głosowego. Sygnały powyżej 26 kHz są kierowane do urządzenia nowego typu, zwanego DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer — multiplekser dostępowy cyfrowej linii abonenta), które zawiera procesor sygnałowy tego samego typu co w modemie ADSL. Po przywró­ceniu sygnału cyfrowego do postaci strumienia bitów pakiety są formowane i wysyłane do ISP.

Taka całkowita separacja systemu głosowego i ADSL ułatwia firmie telefonicznej zainstalowa­nie ADSL. Wystarczy kupić DSLAM i rozgałęźnik oraz podłączyć abonenta ADSL do rozgałęźni­ka. Inne usługi o dużej przepustowości (np. ISDN) wymagają znacznie większych zmian w istnie­jącym wyposażeniu central.

RYSUNEK 2.25. Typowa konfiguracja sprzętowa ADSL

Wadą konfiguracji z rysunku 2.25 jest obecność NID i rozgałęźnika u klienta. Ich instalację może przeprowadzić tylko technik firmy telefonicznej, co wymaga kosztownego dojazdu do domu klienta. Wobec tego zostało też znormalizowane alternatywne rozwiązanie bez rozgałęźnika, na­zywane nieformalnie G.lite, lecz standard ITU nosi numer G.992.2. Ta konfiguracja wygląda jak na rysunku 2.25, lecz bez rozgałęźnika. Istniejąca linia telefoniczna jest używana bez zmian. Jedyna różnica polega na tym, że do każdego gniazdka telefonicznego należy wpiąć mikrofiltr. Mikrofiltr dla telefonu jest dolnoprzepustowy i eliminuje częstotliwości powyżej 3400 Hz; mikrofiltr dla mo­demu ADSL jest typu górnoprzepustowego i eliminuje sygnały poniżej 26 kHz. Jednakże ten sys­tem nie jest tak niezawodny jak rozgałęźnik, więc G.lite nadaje się maksymalnie do 1,5 Mb/s (wobec 8 Mb/s dla ADSL z rozgałęźnikiem). G.lite nadal wymaga rozgałęźnika w centrali lokalnej, lecz ta instalacja nie wymaga dojazdu do tysięcy klientów.

ADSL jest po prostu standardem warstwy fizycznej. To, co z niego korzysta, zależy od ope­ratora. Częstym wyborem jest ATM z uwagi na zdolność do zapewnienia jakości usług i tego, że wiele firm telefonicznych używa ATM w swoich podstawowych sieciach.

Bezprzewodowe pętle lokalne

Od roku 1996 w USA, a nieco później w innych krajach, firmy chcące rywalizować z mocno zako­rzenioną lokalną firmą telefoniczną (byłym monopolistą) mają do tego prawo. Najbardziej praw­dopodobnymi kandydatami są dalekosiężne firmy telefoniczne. Każda taka firma, aby wejść na ry­nek telefonii lokalnej w jakimś mieście, musi zrobić kilka rzeczy. Po pierwsze, musi kupić lub wydzierżawić budynek na swoją pierwszą centralę lokalną w tym mieście. Po drugie, musi wypo­sażyć tę centralę w łącznice telefoniczne i inny sprzęt oferowany na rynku przez różnych produ­centów. Po trzecie, musi poprowadzić światłowód od centrali lokalnej do najbliższej centrali tran­zytowej, aby nowi klienci uzyskali dostęp do krajowej sieci tej firmy. Po czwarte, musi przyciągnąć klientów, zwykle oferując lepsze usługi lub niższe ceny niż dotychczasowy monopolista.

Teraz zaczyna się najtrudniejsza część zadania. Załóżmy, że w biurze pojawią się klienci. Jak nowa lokalna firma telefoniczna zamierza połączyć telefony i komputery klientów ze swoją nowiutką centralą lokalną? Koszty zakupu niezbędnych do tego uprawnień i przeprowadzenia kabli lub świa­tłowodów są zaporowe. Wiele takich firm odkryło tańszą alternatywę względem tradycyjnej pętli lokalnej ze skrętki: WLL (Wireless Local Loop — bezprzewodowa pętla lokalna).

W pewnym sensie telefon stacjonarny używający bezprzewodowej pętli lokalnej przypomina trochę telefon komórkowy, lecz między tymi technologiami występują trzy istotne różnice. Po pierw­sze, klient WLL często chce szybkiej łączności z Internetem, nieraz z szybkością przynajmniej równą ADSL. Po drugie, nowemu klientowi nie będzie prawdopodobnie przeszkadzało, że technik firmy telefonicznej zainstaluje na jego dachu dużą antenę kierunkową wycelowaną w centralę lokalną firmy. Po trzecie, użytkownik nie przemieszcza się, co eliminuje wszelkie problemy z mobilnością i przekazywaniem między komórkami, które omówimy w dalszej części rozdziału. W ten sposób na­rodziła się nowa branża — stałe łącza bezprzewodowe (lokalne usługi telefoniczne i internetowe świadczone przez firmę telefoniczną poprzez bezprzewodowe pętle lokalne).

Wprawdzie WLL weszły do eksploatacji na poważnie w roku 1998, musimy cofnąć się do roku 1969, aby poznać ich początki. W tym właśnie roku FCC przyznała dwa kanały telewizyjne (po 6 MHz każdy) na telewizję edukacyjną w paśmie 2,1 GHz. W kolejnych latach zostało dodanych 31 kolejnych kanałów w paśmie 2,5 GHz zajmujących łącznie 198 MHz.

Telewizja edukacyjna nigdy nie ruszyła z miejsca i w roku 1998 FCC odebrała te częstotliwo­ści i przydzieliła je na potrzeby radia dwukierunkowego. Od razu zostały one zajęte przez bezprze­wodowe pętle lokalne. W tym zakresie widma mikrofale mają długość 10-12 cm. Ich zasięg wy­nosi około 50 km i potrafią one dość skutecznie penetrować roślinność i deszcz. 198 MHz nowego pasma zostało natychmiast wykorzystane na bezprzewodowe pętle lokalne jako usługa o nazwie MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service — wielokanałowa, sieć dostępu wielo-punktowego). MMDS, podobnie jak jej siostrzaną usługę LMDS (omówioną poniżej), możemy uznać za sieci miejskie MAN.

Dużą zaletą tej usługi stanowi fakt, że technologia jest już dobrze poznana, a sprzęt jest łatwo dostępny. Wadą jest to, że łączne dostępne pasmo jest raczej skromne i musi być wspólnie użyt­kowane przez wielu użytkowników na dość dużym obszarze geograficznym.

Mała przepustowość MMDS spowodowała zainteresowanie falami milimetrowymi jako alter­natywą. W zakresie częstotliwości od 28 do 31 GHz w USA i 40 GHz w Europie nie zostały przy­dzielone żadne pasma, ponieważ trudno jest budować krzemowe układy scalone działające tak szyb­ko. Problem został rozwiązany przez powstanie układów scalonych z arsenku galu, które udostępniły pasmo milimetrowe dla komunikacji radiowej. FCC zareagowała na zapotrzebowanie, przydzielając 1,3 GHz dla nowej usługi bezprzewodowych pętli lokalnych zwanej LMDS (Local Multipoint Distribution Service — lokalna sieć dostępu wielopunktowego). To pasmo jest największą porcją widma kiedykolwiek przydzieloną przez FCC do jednego zastosowania. Podobne pasmo zostało przydzielone w Europie, lecz w okolicach 40 GHz.

Działanie LMDS przedstawia rysunek 2.26. Widzimy na nim wieżę z wieloma antenami, z któ­rych każda jest skierowana w inną stronę. Ponieważ fale milimetrowe są wysoce kierunkowe, każda antena definiuje sektor niezależnie od pozostałych. Przy tej częstotliwości zasięg wynosi od 2 do 5 km, co oznacza, że do pokrycia miasta potrzeba wiele wież.

Podobnie jak ADSL usługa LMDS przydziela pasmo asymetrycznie, faworyzując kanał pobie­rania do użytkowników. Przy dzisiejszej technologii w każdym sektorze może być dostępnych 36 Gb/s pobierania i 1 Mb/s wysyłania, wspólnie użytkowane przez wszystkich użytkowników w sektorze. Jeśli każdy aktywny użytkownik pobiera trzy strony WWW po 5 kB na minutę, to zajmuje średnio 2000 b/s pasma, co pozwala na maksymalnie 18 000 aktywnych użytkowników na sektor. Aby utrzymać opóźnienia w rozsądnych granicach, użytkowników nie powinno być jednak więcej niż 9000. W przypadku czterech sektorów, jak na rysunku 2.26, możliwa jest obsługa populacji 36 000 aktywnych użytkowników. Zakładając, że w godzinach szczytu jeden na trzech użytkowników ko­rzysta z połączenia, jedna wieża z czterema antenami może obsłużyć 100 000 użytkowników w pro­mieniu 5 km. Takie kalkulacje przeprowadziło wielu potencjalnych operatorów telefonicznych, z któ­rych część doszła do wniosku, że stosunkowo skromna inwestycja w wieże dla fal milimetrowych pozwoli im wejść na rynek telefonii lokalnej i dostępu do Internetu i oferować użytkownikom szybkość przesyłu danych porównywalną z telewizją kablową za niższą cenę.

RYSUNEK 2.26. Architektura systemu LMDS

LMDS boryka się jednak z kilkoma problemami. Po pierwsze, fale milimetrowe rozchodzą się po linii prostej, więc pomiędzy antenami dachowymi i wieżą nie może być żadnych przeszkód. Po drugie, liście skutecznie absorbują te fale, więc wieża musi być wystarczająco wysoka, by uniknąć drzew w linii widzenia. A coś, co w grudniu wyglądało na czystą linię widzenia, w czerwcu, gdy na drzewach jest pełno liści, może nią nie być. Fale milimetrowe absorbuje również deszcz. Do pewnego stopnia błędy powodowane przez deszcz można skompensować za pomocą kodu korekcyj­nego lub zwiększenia mocy w czasie opadów. Mimo to usługi LMDS prawdopodobnie pojawią się najpierw w okolicach suchych, na przykład w Arizonie, a nie w Seattle.

Bezprzewodowe pętle lokalne nie przyjmą się raczej, o ile nie pojawią się standardy zachęcają­ce producentów sprzętu do konstruowania produktów i dające klientom gwarancję, że będą mogli zmienić operatora bez kupowania nowego sprzętu. Aby zapewnić tę standaryzację, IEEE powołał komitet o nazwie 802.16 w celu stworzenia standardu dla LMDS. Standard 802.16 został opubliko­wany w kwietniu 200 roku. IEEE nazywa 802.16 bezprzewodową siecią miejską (wireless MAN).

IEEE 802.16 jest zaprojektowany dla telefonii cyfrowej, dostępu do Internetu, łączenia dwóch odległych sieci LAN, nadawania programu telewizyjnego i radiowego oraz innych zasto­sowań. Przyjrzymy im się bardziej szczegółowo w rozdziale 4.

2.5.3. Łącza dalekosiężne i multipleksowanie

Ekonomia gra ważną rolę w systemie telefonicznym. Zainstalowanie i utrzymanie łącza dalekosięż­nego pomiędzy dwoma centralami zasadniczo kosztuje tyle samo dla łącza szybkiego, jak i wolnego (koszty biorą się z konieczności wykopania rowu, a nie z ceny kabla miedzianego lub światłowodu). Wobec tego firmy telefoniczne opracowały złożone schematy multipleksowania wielu rozmów przez jedno łącze fizyczne. Te metody multipleksowania można podzielić na dwie podstawowe kategorie: FDM (Freąuency Division Multiplexing — multipleksowanie z podziałem częstotliwości) i TDM (Time DKision Multiplexing — multipleksowanie z podziałem czasu). W FDM widmo czę­stotliwości jest podzielone na pasma, a każdy użytkownik zajmuje pewne pasmo na wyłączność. W TDM użytkownicy zajmują łącze po kolei (w sposób cykliczny), a każdy okresowo otrzymuje całe pasmo na krótki moment.

Rozgłośnie radiowe AM mogą zilustrować oba typy multipleksowania. Pasmo przyznane na ra­dio AM ma około 1 MHz, mniej więcej od 500 do 1500 kHz. Różne częstotliwości są przydzielane do różnych kanałów logicznych (stacji), z których każda działa w innym fragmencie pasma, a odstęp między kanałami jest wystarczająco duży, by zapobiec zakłóceniom. Takie rozwiązanie jest przy­kładem multipleksowania z podziałem częstotliwości. Oprócz tego (w niektórych krajach) poszcze­gólne stacje mają dwa podkanały logiczne: muzyka i reklamy. Oba nadają na przemian na tej samej częstotliwości, najpierw porcja muzyki, potem porcja reklam, potem znowu muzyka i tak dalej. To jest przykład multipleksowania z podziałem czasu.

Omówimy poniżej multipleksowanie z podziałem częstotliwości. Następnie zobaczymy, jak FDM można zastosować w światłowodach (multipleksowanie z podziałem długości fal). Później przejdziemy do TDM i zakończymy na zaawansowanym systemie TDM przeznaczonym dla świa­tłowodów (SONET).

Multipleksowanie z podziałem częstotliwości

Rysunek 2.27 pokazuje, jak trzy głosowe (tzw. naturalne) kanały telefoniczne mogą być multipleksowane z użyciem FDM. Filtry ograniczają użyteczne pasmo do około 3100 Hz na kanał głosowy. Gdy multipleksuje się razem wiele kanałów, każdy otrzymuje 4000 Hz, aby zapewnić dobrą sepa­rację. Najpierw kanały głosowe są przesuwane w górę pasma częstotliwości, każdy o inną wartość. Następnie mogą zostać połączone, ponieważ żadnego fragmentu pasma nie zajmują dwa kanały naraz. Proszę zwrócić uwagę, że mimo przerw pomiędzy kanałami (tzw. pasm międzykanałowych) sąsiednie kanały w pewnym stopniu nakładają się, ponieważ filtry nie mają ostrych granic. Takie nakładanie oznacza, że silny impuls na brzegu kanału będzie odebrany w sąsiednim kanale jako zakłócenie nietermiczne.

RYSUNEK 2.27. Multipleksowanie z podziałem częstotliwości, (a) Oryginalne pasmo, (b) Pasmo przesunięte z podwyższeniem częstotliwości, (c) Multipleksowany kanał

Schematy FDM używane na całym świecie są do pewnego stopnia znormalizowane. Szeroko rozpowszechnionym standardem jest 12 kanałów głosowych po 4000 Hz multipleksowanych do pasma od 60 do 180 kHz. Taka jednostka nosi nazwę grupy. Pasmo od 12 kHz do 60 kHz jest cza­sem używane przez inną grupę. Wielu operatorów oferuje klientom usługę łącza dzierżawionego od

48 do 56 kb/s opartą na grupie. Pięć grup (60 kanałów głosowych) może zostać multipleksowanych w supergrupe. Następną jednostką jest mastergrupa, składająca się z pięciu (standard CCITT) lub dziesięciu (system Bell) supergrup. Istnieją też inne standardy zawierające do 230 000 kana­łów głosowych.

Multipleksowanie z podziałem długości fali

W kanałach światłowodowych używana jest odmiana multipleksowania z podziałem częstotliwości. Nosi ona nazwę WDM (Wavelength l)i\ ision Multiplexing — multipleksowanie z podziałem dłu­gości fali). Podstawową zasadę działania WDM w światłowodzie przedstawia rysunek 2.28. Na tym rysunku do optycznego łącznika wchodzą cztery włókna światłowodu, z których w każdym nadawany jest sygnał na innej długości fali. Cztery wiązki światła wchodzą do jednego wspólnego światłowodu w celu przesłania do odległego miejsca przeznaczenia. Na drugim końcu wiązka jest dzielona na tyle światłowodów, ile było na wejściu. Każde włókno wyjściowe zawiera krótki, specjal­nie zbudowany odcinek rdzenia, który odfiltrowuje wszystkie długości fali poza jedną. Otrzymane sygnały mogą zostać skierowane do miejsc przeznaczenia lub połączone w inny sposób dla dodat­kowego multipleksowanego transportu.

RYSUNEK 2.28. Multipleksowanie z podziałem długości fali

Nie ma w tym niczego naprawdę nowego. Jest to po prostu multipleksowanie z podziałem czę­stotliwości dla bardzo wysokich częstotliwości. Dopóki każdy kanał ma własny zakres częstotli­wości (tzn. długość fali) i wszystkie zakresy są rozłączne, można je multipleksować ze sobą do jed­nego dalekosiężnego światłowodu. Jedyną różnicą w porównaniu z FDM jest to, że system optyczny używający siatki dyfrakcyjnej jest całkowicie pasywny, a więc wysoce niezawodny.

Postępy w technologii WDM są tak szybkie, że technologie komputerowe mogą się przy nich schować. Metoda WDM została wynaleziona około roku 1990. Pierwsze komercyjne systemy miały osiem kanałów po 2,5 Gb/s przepustowości każdy. W roku 1998 na rynku były już obecne systemy z 40 kanałami po 2,5 Gb/s. W roku 2001 pojawiły się produkty z 96 kanałami po 10 Gb/s o całko­witej przepustowości 960 Gb/s. Takie pasmo wystarczy, by w ciągu sekundy przesłać 30 filmów pełnometrażowych (w MPEG-2). Systemy z 200 kanałami już są testowane w laboratoriach. Gdy liczba kanałów jest bardzo duża i długości fal znajdują się blisko siebie, na przykład co 0,1 nm, system jest często nazywany DWDM (Dense WDM).

Należy zauważyć, że popularność WDM bierze się z faktu, iż energia w jednym światłowodzie jest zwykle przesyłana w paśmie zaledwie kilku gigaherców, ponieważ obecnie szybsza konwersja między nośnikiem elektrycznym i optycznym jest niemożliwa. Przez przesyłanie równolegle wielu kanałów na różnych długościach fal sumaryczna przepustowość łącza rośnie liniowo wraz z liczbą kanałów. Ponieważ pasmo dla pojedynczego włókna światłowodowego wynosi około 25 000 GHz (patrz rysunek 2.5), teoretycznie jest w nim miejsce na 2500 kanałów po 10 Gb/s nawet przy 1 b/Hz (a wyższe wartości też są możliwe).

Kolejną nową dziedziną są wzmacniacze czysto optyczne. Uprzednio co 100 km trzeba było dzielić wszystkie kanały, konwertować na osobne sygnały elektryczne w celu wzmocnienia, a na­stępnie z powrotem konwertować na optyczne i łączyć. Obecnie wzmacniacz czysto optyczny może zregenerować cały sygnał raz na 1000 km bez konieczności wielokrotnych konwersji pomiędzy sygnałami optycznymi i elektrycznymi.

W przykładzie z rysunku 2.28 mamy system ze stałymi długościami fal. Bity z włókna wej­ściowego 1 przechodzą do włókna wyjściowego 3, z 2 do 1 i tak dalej. Możliwe jest też jednak bu­dowanie komutowanych systemów WDM. W takich urządzeniach filtry wyjściowe mogą być strojo­ne za pomocą interferometrów Fabry-Perota lub Macha-Zehndera. Więcej informacji o technice WDM i jej zastosowaniach w internetowe komutacji pakietów przedstawili Elmirghani i Mouftah (2000), Hunter i Andonovic (2000) oraz Listani i inni (2001).

Multipleksowanie z podziałem czasu

Technologia WDM jest cudowna, lecz w systemach telefonicznych pozostało jeszcze sporo kabla miedzianego, więc wróćmy na chwilę do niego. Wprawdzie FDM nadal używa się w kablach mie­dzianych i kanałach mikrofalowych, lecz ta technika wymaga obwodów analogowych i nie poddaje się obróbce komputerowej. W przeciwieństwie do niej technika TDM może w całości być obsłu­giwana przez sprzęt cyfrowy, więc stała się ostatnio znacznie popularniejsza. Niestety, nadaje się tylko do danych cyfrowych. Ponieważ pętle lokalne dają sygnały analogowe, konieczna jest konwer­sja sygnałów analogowych na cyfrowe w centrali lokalnej, w której zbiegają się wszystkie pętle lokalne w wychodzące z centrali łącze dalekosiężne.

Przyjrzymy się teraz, jak większa liczba sygnałów analogowych jest przekształcana na cyfrowe i łączona w jeden wychodzący sygnał cyfrowy. Dane komputerowe przesyłane modemem również są analogowe, więc poniższy opis stosuje się również do nich. Sygnały analogowe są przetwarzane na cyfrowe w centrali lokalnej za pomocą urządzenia zwanego koderem-dekoderem generującego ciąg liczb 8-bitowych. Koder-dekoder pobiera 8000 próbek na sekundę (co 125 us), ponieważ twier­dzenie Nyquista mówi, że taka częstotliwość wystarcza do zarejestrowania wszystkich informacji z ka­nału telefonicznego o szerokości pasma 4 kHz. Przy niższych częstotliwościach próbkowania infor­macje byłyby tracone; wyższe nie dałyby żadnego zysku informacyjnego. Ta technika nosi nazwę PCM (Pulse Code Modulation — modulacja impulsowo-kodowa). PCM jest sercem współcze­snych systemów telefonicznych. W konsekwencji praktycznie wszystkie interwały czasowe w sys­temach telefonicznych są wielokrotnością 125 mikrosekund.

Gdy transmisja cyfrowa zaczęła pojawiać się jako technologia nadająca się do użytku, komi­tet CCITT nie mógł dojść do porozumienia co do międzynarodowego standardu PCM. Na skutek tego w różnych krajach świata używane są obecnie różnorodne niezgodne ze sobą metody.

W Ameryce Północnej i Japonii używa się standardu nośnika Tl, przedstawionego na ry­sunku 2.29. Ściśle mówiąc, format nosi nazwę DS1, a nośnik Tl, lecz zgodnie z powszechną w bran­ży tradycją będziemy pomijać tę drobną różnicę). Nośnik Tl składa się z 21 multipleksowanych razem kanałów głosowych. Zwykle sygnały analogowe próbkuje się cyklicznie i do kodera-dekodera wchodzi uzyskany strumień analogowy, zamiast stosować 24 osobne koder>-dekodery i łączyć je ^w wynikowy sygnał cyfrowy. Każdy z 24 kanałów z kolei wstawia 8 bitów do strumienia wyjścio­wego. Siedem bitów przeznaczonych jest na dane, a jeden na sterowanie, co daje 7 ■ 8000 = 56 000 b/s danych i 1 ■ 8000 = 8000 b/s informacji sterujących na kanał.

RYSUNEK 2.29. Standard Tl (1,544 Mb/s)

Ramka składa się z 24 • 8 = 192 bitów i dodatkowego bitu ramki. Daje to 193 bity co 125 us, czyli łącznie 1544 Mb/s. Ostatni, 193. bit służy do synchronizacji ramki i przyjmuje wzorzec 010101010101.... Standardowo odbiornik sprawdza ten bit regularnie, aby upewnić się, czy nie utracił synchronizacji. Jeśli wystąpi utrata synchronizacji, odbiornik może poszukiwać tego wzorca, aby ponownie się zsynchronizować. Analogowi klienci nie mogą w ogóle generować takiego wzor­ca bitów, ponieważ odpowiada fali sinusoidalnej o częstotliwości 4000 Hz, która byłaby odfiltrowa­na. Użytkownik cyfrowy oczywiście może wygenerować ten wzorzec, lecz w przypadku utraty ramki jest małe prawdopodobieństwo jego obecności. Gdy system Tl jest używany wyłącznie do da­nych, tylko 23 kanały są wykorzystywane na dane. 24. kanał jest wykorzystywany na specjalny wzo­rzec synchronizujący, aby przyspieszyć przywracanie synchronizacji w razie wypadnięcia ramki.

Gdy w końcu komitet CCITT doszedł do porozumienia, stwierdzono, że 8000 b/s informacji sterujących to o wiele za dużo, więc jego standard 1544 Mb/s opiera się na 8-bitowych jednost­kach danych zamiast 7-bitowych. Inaczej mówiąc, sygnał jest kwantowany na 256 zamiast 128 dys­kretnych poziomów. Dostępne są dwie (niezgodne ze sobą) odmiany. W sygnalizacji we wspól­nym kanale dodatkowy bit (dołączony na koniec ramki, a nie na początek) przyjmuje wartości 10101010... w nieparzystych ramkach i zawiera informacje sygnalizacyjne dla wszystkich kana­łów w ramkach parzystych.

W drugiej odmianie, sygnalizacji związanej z kanałem, każdy kanał ma własny podkanal sygnalizacyjny. Prywatny podkanał powstaje przez przydzielenie jednego z ośmiu bitów użytkowni­ka w co szóstej ramce na potrzeby sygnalizacji, więc pięć na sześć próbek ma rozdzielczość 8 bitów, a szósta tylko 7. CCITT zalecił też nośnik PCM 2048 Mb/s o nazwie El. W tym nośniku 32 ośmiobitowe próbki danych są upakowane do podstawowej ramki 125 us. Trzydzieści z tych kanałów służy do przesyłu informacji, a dwa do sygnalizacji. Każda grupa czterech ramek daje 64 bity sygnalizacyj­ne, z których połowa jest wykorzystywana do sygnalizacji związanej z kanałami, a połowa używa­na do synchronizacji ramek lub zarezerwowana na zastosowania, jakich będzie życzył sobie dany kraj. Poza Ameryką Północną i Japonią zamiast Tl jest używany nośnik El o przepustowości 2048 Mb/s.

Po przekształceniu sygnału głosowego na postać cyfrową może kusić próba użycia technik statystycznych do zmniejszenia liczby bitów potrzebnych na kanał. Techniki te nadają się nie tylko do kodowania mowy, lecz przy dyskretyzacji dowolnego sygnału analogowego. Wszystkie metody kom­presji opierają się na założeniu, że zmiany sygnału odbywają się stosunkowo powoli w porównaniu z częstotliwością próbkowania, więc wiele informacji w 7- lub 8-bitowym poziomie jest nadmiarowych.

Jedna z metod, zwana różnicową modulacją kodowo-impulsową, polega na wysyłaniu nie tyle zdyskretyzowanej amplitudy, lecz różnicy pomiędzy wartością bieżącą i poprzednią. Ponieważ skoki o ∓ 16 na skali złożonej ze 128 poziomów są mało prawdopodobne, 5 bitów zamiast 7 powinno wystarczyć. Jeśli sygnał od czasu do czasu nieoczekiwanie skoczy, logika kodowania może wy­magać kilku okresów próbkowania, aby „dogonić" sygnał. W przypadku mowy wprowadzany tak błąd może być ignorowany.

Odmiana tej kompresji wymaga, by każda próbkowana wartość różniła się od poprzednika o +1 albo -1. Przy takim założeniu wystarczy przesłać jeden bit informujący, czy nowa próbka ma wartość wyższą czy niższą od poprzedniej. Tę technikę, zwaną modulacją delta, przedstawia rysunek 2.30. Kodowanie delta, podobnie jak wszystkie techniki kompresji zakładające małe różnice pomiędzy kolejnymi próbkami, może mieć problemy ze zbyt szybkimi zmianami sygnału, jak widać na rysunku. W takich sytuacjach informacje są tracone.

RYSUNEK 2.30. Modulacja delta

Różnicową PCM można ulepszyć przez ekstrapolację kilku poprzednich wartości pozwalającą przewidzieć następną wartość i zakodowanie różnicy pomiędzy faktycznym sygnałem a wartością przewidzianą. Nadajnik i odbiornik muszą oczywiście używać tego samego algorytmu przewidy­wania. Takie schematy noszą nazwę kodowania określającego. Są one przydatne, ponieważ redu­kują wielkość liczb przeznaczonych do zakodowania, a więc również liczbę bitów do wysłania.

Multipleksowanie z podziałem czasu pozwala na połączenie kilku nośników Tl w jeden no­śnik wyższego rzędu. Rysunek 2.31 pokazuje, jak można to osiągnąć. Po lewej widzimy cztery ka­nały Tl multipleksowane w jeden kanał T2. Multipleksowanie do T2 i wyższych nośników odbywa się bit po bicie, a nie bajt po bajcie jak dla 24 kanałów głosowych składających się na ramkę Tl. Cztery strumienie Tl po 1,544 Mb/s powinny wygenerować 6,176 Mb/s, lecz T2 w rzeczywistości ma 6,132 Mb/s. Dodatkowe bity są używane do podziału na ramki i przywracania stanu w razie ze­rwania synchronizacji nośnika. Łącza Tl i T3 są powszechnie używane przez klientów, podczas gdy z T2 i T4 korzysta głównie sam system telefoniczny, więc nie są zbyt powszechnie znane.

Na następnym poziomie siedem strumieni Tl łączy się bit po bicie w strumień T3. Następnie sześć strumieni T3 łączy się w strumień T4. Na każdym kroku dodawana jest niewielka ilość do­datkowych informacji służących do podziału na ramki i przywracania połączenia w razie utraty synchronizacji pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem.

RYSUNEK 2.31. Multipleksowanie strumieni Tl do nośników wyższych rzędów

Pomiędzy USA i resztą świata panuje niewiele zgody nie tylko co do podstawowego nośnika, lecz również w sprawie tego, jak multipleksować go w nośniki o wyższej przepustowości. Używany w USA schemat mnożenia przez 4, 7 i 6 nie każdego przekonał, więc standard CCITT wymaga multiplek­sowania na każdym poziomie czterech strumieni w jeden. Poza tym dane służące do podziału na ramki i odzyskiwania danych różnią się w standardach USA i CCITT. Hierarchia 32, 128, 512. 2048 i 8192 kanałów CCITT daje szybkości 2,048; 8,848; 34,304; 139,264 i 565,148 Mb/s.

SONET i SDH

W początkach techniki światłowodowej każda firma telefoniczna miała własny optyczny system TD. Po podziale AT&T w roku 1984 lokalne firmy telefoniczne musiały łączyć się z wieloma operato­rami łączy dalekosiężnych, z których każdy miał inny system TDM, więc potrzeba standaryzacji stała się oczywista. W roku 1985 firma Bellcore, ramię badawcze regionalnych operatorów Bella, zaczęła pracę nad standardem zwanym SONET (Synchronous Optical NETwork — synchroniczna sieć optyczna). Później do prac dołączył się CCITT, a w wyniku tego w roku 1989 powstał standard SONET i zestaw zaleceń równoległych CCITT (G.707, G.708 i G.709). Zalecenia CCITT noszą nazwę SDH (Synchronous Digital Hierarchy — synchroniczna hierarchia cyfrowa), lecz różnią się od standardu SONET tylko w niewielkim stopniu. Praktycznie całość dalekosiężnego ruchu tele­fonicznego w USA i wiele w innych miejscach korzysta obecnie w warstwie fizycznej z łączy da­lekosiężnych używających standardu SONET. Dodatkowe informacje na ten temat przedstawili Bellamy (2000), Góralski (2000) i Shepard (2001).

Projekt SONET miał spełnić cztery podstawowe cele. Po pierwsze i najważniejsze, miał umoż­liwić współpracę różnym operatorom. Osiągnięcie tego celu wymagało zdefiniowania wspólnego standardu sygnalizacji pod względem długości fal, zależności czasowych, struktury ramkowania i in­nych zagadnień.

Po drugie, potrzebne były jakieś środki do unifikacji systemów cyfrowych w USA, Europie i Ja­ponii. Wszystkie używały kanałów PCM 64 kb/s, lecz łączyły je w różne i niezgodne ze sobą sposoby.

Po trzecie, SONET miał umożliwić multipleksowanie wielokrotnych kanałów cyfrowych. Gdy powstawał standard SONET, najszybszym faktycznie używanym w USA nośnikiem cyfrowym było łącze T3 o przepustowości 44,736 Mb/s. T4 był już zdefiniowany, lecz rzadko używany, a po­wyżej szybkości T4 nic więcej nie było zdefiniowane. Częścią misji SONET była kontynuacja hie­rarchii aż do gigabitów na sekundę i więcej. Potrzebny był też standardowy sposób multiplekso­wania wolniejszych kanałów.

Po czwarte, SONET miał zapewniać wsparcie dla eksploatacji, administracji i konserwacji. Poprzednie systemy nie robiły tego zbyt skutecznie.

Szybko podjęto decyzję, że SONET ma być tradycyjnym systemem TDM, w którym całe pa­smo światłowodu będzie przeznaczone na jeden kanał zawierający przedziały czasowe dla podkanałów. Jako taki SONET jest systemem synchronicznym. Steruje nim główny zegar o dokładności 1 do 10⁹.

Bity w łączu SONET są wysyłane w wyjątkowo dokładnych odstępach czasu, sterowanych przez zegar główny. Gdy później zaproponowano komutację komórek jako podstawę dla ATM, fakt, że pozwalało to na nieregularne odstępy czasu pomiędzy komórkami, spowodował nadanie nazwy Asynchronom Transfer Mode, aby odróżnić ATM od synchronicznego działania standardu SONET. W sieciach SO­NET nadajnik i odbiornik są powiązane ze wspólnym zegarem; w ATM nie.

Podstawową ramką SONET jest blok 810 bajtów wysyłany co 125 us. Ponieważ sieci SONE1 są synchroniczne, ramki zostają wysłane niezależnie od tego, czy są jakieś dane do przesłania czy nie. 8000 ramek na sekundę dokładnie pasuje do częstotliwości próbkowania w kanałach PCV używanych we wszystkich cyfrowych systemach telefonicznych.

810-bajtowe ramki SONET możemy najlepiej przedstawić w postaci prostokąta bajtów o szerokości 90 kolumn i wysokości 9 wierszy. Wobec tego 8000 razy na sekundę przesyłane jest 8 - 810 = 6480 bitów, co daje w sumie 51,84 Mb/s. Jest to podstawowy kanał SONET o nazwie STS-1 (Synchronous Transport Signal-1). Wszystkie łącza dalekosiężne SONET używają wielokrotności STS-1

Pierwsze trzy kolumny każdej ramki są zarezerwowane na systemowe informacje sterujące jak na rysunku 2.32. Pierwsze trzy wiersze zawierają dodatkowe informacje sekcji, a następnych sześć wierszy dodatkowe informacje linii. Dodatkowe informacje sekcji są generowane i sprawdzani na początku i końcu każdej sekcji, podczas gdy informacje linii są generowane i sprawdzane ni początku i końcu każdej linii.

RYSUNEK 2.32. Dwie sąsiednie ramki SONET

Nadajnik SONET wysyła 810-bajtowe ramki jedna za drugą bez przerw pomiędzy kolejnym ramkami, nawet jeśli nie ma danych do wysłania (wtedy wysyła dane pozorowane). Z punktu widzenia odbiornika dane mają postać ciągłego strumienia bitów, jak więc rozpoznawany jest początek każdej ramki? Odpowiedzią są dwa pierwsze bajty każdej ramki zawierające stały wzorzec, które go szuka odbiornik. Jeśli znajdzie go w tym samym miejscu w dużej liczbie kolejnych ramek, zakłada że jest zsynchronizowany z nadajnikiem. Teoretycznie użytkownik może regularnie wstawiać tak wzorzec do treści zasadniczej, lecz w praktyce jest to niemożliwe z uwagi na multipleksowani wielu użytkowników do tej samej ramki i inne przyczyny.

Pozostałe 87 kolumn niesie 87 • 9 • 8 • 8000 = 50,112 Mb/s danych użytkownika. Jednakże dane użytkownika, nazywane SPE (Synchronous Payload Envelope — synchroniczna koperta ładunku me zawsze zaczynają się od pierwszego wiersza czwartej kolumny. SPE może zacząć się w dowolnym miejscu ramki. Wskaźnik na pierwszy bajt znajduje się w pierwszym wierszu dodatkowych informacji linii. Pierwsza kolumna SPE zawiera informacje dodatkowe trasy (tzn. nagłówek dla protokołu podwarstwy trasy między dwoma punktami).

Zdolność do rozpoczęcia SPE w dowolnym miejscu ramki SONET, a nawet do rozciągania SPE na dwie ramki jak na rysunku 2.32, zwiększa elastyczność systemu. Na przykład, gdy treść użyteczna nadejdzie w trakcie tworzenia pustej ramki SONET, może zostać wstawiona do bieżącej ramki zamiast czekać na następną.

Hierarchię multipleksowania SONET przedstawia tabela 2.4. Zdefiniowane są szybkości transmisji od STS-1 do STS-192. Nośnik optyczny odpowiadający STS-n nosi nazwę OC-n, lecz jest identyczny z wyjątkiem pewnego przemieszczenia bitów na potrzeby synchronizacji. Nazwy SDH są odmienne i zaczynają się od OC-3, ponieważ systemy oparte na CCITT nie mają szybkości transmisji zbliżonej do 51,84 Mb/s. Nośnik OC-9 został tu zawarty, ponieważ jest bardzo podobny do szybkości ważnego typu szybkich łączy używanych w Japonii. OC-18 i OC-36 są stosowane w Ja­ponii. Łączna szybkość transmisji danych obejmuje dane dodatkowe. Szybkość przesyłu danych SPE nie obejmuje dodatkowych danych linii i sekcji. Szybkość transmisji danych użytkownika nie obejmuje żadnych danych dodatkowych, a jedynie 86 kolumn treści zasadniczej.

TABELA 2.4.

Multipleksowane szybkości SONET i SDH

SONET	SDH	Szybkość transmisji danych (Mb/s)
Elektryczna	Optyczna	Optyczna
STS-1	OC-1
STS-3	OC-3	STM-1
STS-9	OC-9	STM-3
STS-12	OC-12	STM-4
STS-18	OC-18	STM-6
STS-24	OC-24	STM-8
STS-36	OC-36	STM-12
STS-48	OC-48	STM-16
STS-192	OC-192	STM-64

Gdy nośnik, na przykład OC-3, nie jest multipleksowany, ale niesie dane tylko z jednego źródła, do oznaczenia dodawana jest litera c, więc OC-3 oznacza nośnik 155,52 Mb/s złożony z trzech osobnych nośników OC-1, lecz OC-3c oznacza strumień danych z jednego źródła o szybkości transmi­sji danych 155,52 Mb/s. Trzy strumienie OC-1 w strumieniu OC-3 są przeplatane kolumnami: naj­pierw kolumna 1. ze strumienia 1., potem kolumna 1. ze strumienia 2., potem kolumna 1. ze strumie­nia 3., po której następuje kolumna 2. ze strumienia 1. i tak dalej, co daje ramkę szeroką na 270 kolumn i wysoką na 9 wierszy.

2.5.4. Komutacja

Z punktu widzenia przeciętnego technika zajmującego się telefonią system telefoniczny składa się z dwóch podstawowych części: instalacji zewnętrznej (pętle lokalne i łącza dalekobieżne, ponieważ fi­zycznie znajdują się na zewnątrz central) i instalacji wewnętrznej (przełączniki), mieszczącej się wewnątrz central. Do tej pory zajmowaliśmy się instalacjami zewnętrznymi. Teraz pora przyjrzeć się wewnętrznym.

Obecnie stosowane są dwie odmienne techniki komutacji (przełączania): komutacja obwodów i komutacja pakietów. Poniżej omówimy pokrótce każdą z nich. Następnie przejdziemy do szczegó­łów komutacji obwodów, ponieważ na niej opiera się działanie systemu telefonicznego. Komutację pakietów opiszemy szczegółowo w następnych rozdziałach.

Komutacja obwodów

Gdy abonent lub jego komputer wykonuje połączenie telefoniczne, sprzęt przełączający w systemie telefonicznym wyszukuje fizyczną ścieżkę od telefonu nadawcy aż do telefonu odbiorcy. Ta tech­nika, przedstawiona schematycznie na rysunku 2.33 (a), nosi nazwę komutacji obwodów lub ze­stawiania łączy (ang. circuit switching). Każdy z sześciu prostokątów reprezentuje centralę telefo­niczną operatora (lokalną tranzytową itp.). W tym przykładzie każda centrala ma trzy linie wchodzące i trzy wychodzące. Gdy rozmowa przechodzi przez centralę, zostaje utworzone fizyczne połączenie pomiędzy linią gdzie przychodzi rozmowa, z jedną z linii wyjściowych (przedstawione w postaci linii przerywanej).

RYSUNEK 2.33. (a) Komutacja obwodów, (b) Komutacja pakietów

W początkach telefonii połączenie wykonywał operator, łącząc kablem gniazda wejściowe i wyj­ściowe. Ciekawa historyjka wiąże się z powstaniem urządzenia automatycznie zestawiającego obwody. Wynalazł je XIX-wieczny przedsiębiorca pogrzebowy z Missouri o nazwisku Almon B. Strowger. Wkrótce po wynalezieniu telefonu, gdy w mieście ktoś umierał, ktoś z jego rodziny dzwonił do miej­skiego operatora i mówił „Proszę połączyć mnie z zakładem pogrzebowym". Na nieszczęście dla pana Strowgera w mieście było dwóch przedsiębiorców pogrzebowych, a miejskim operatorem tele­fonicznym była żona tego drugiego. Strowger szybko zorientował się, że albo wymyśli automa­tyczne urządzenie do łączenia rozmów, albo będzie musiał zamknąć zakład. Wybrał to pierwsze. Przez niemal 100 lat sprzęt używany na całym świecie do przełączania rozmów nosił nazwę sys­temu Strowgera. Nie zachowały się zapisy, czy operatorka połączeń po utracie miejsca pracy zdobyła nową pracę w biurze informacji telefonicznej, gdzie musiała odpowiadać na pytania typu „Jaki jest numer telefonu zakładu pogrzebowego?".

Model z rysunku 2.34 (a) jest oczywiście znacznie uproszczony, ponieważ elementami fizycznej ścieżki pomiędzy dwoma telefonami mogą być, na przykład, łącza mikrofalowe lub światłowodowe, w których multipleksowane są tysiące rozmów. Mimo to podstawowa idea zostaje niezmieniona — po nawiązaniu połączenia pomiędzy jego punktami końcowymi istnieje dedykowana ścieżka, która pozostanie aż do zakończenia rozmowy.

Alternatywą dla komutacji obwodów jest komutacja pakietów, przedstawiona na rysunku 2.34 (c). W tej technologii poszczególne pakiety są przesyłane niezależnie, bez uprzedniego tworzenia ścieżki. Każdy pakiet wędruje do miejsca przeznaczenia indywidualnie.

Ważną właściwością komutacji obwodów jest konieczność utworzenia ścieżki pomiędzy dwoma końcami połączenia, zanim będzie można wysyłać dane. Czas pomiędzy zakończeniem wybierania numeru i rozpoczęciem dzwonienia może z łatwością osiągnąć 10 sekund i jest dłuższy przy rozmowach zamiejscowych i zagranicznych. W tym czasie system telefoniczny wyszukuje ścież­kę, jak na rysunku 2.34 (a). Proszę zwrócić uwagę, że zanim transmisja danych będzie mogła w ogóle się rozpocząć, sygnał żądania rozmowy musi przejść całą trasę do odbiorcy i zostać potwierdzony. W wielu zastosowaniach komputerów (np. weryfikacji karty kredytowej w miejscu sprzedaży) długi czas zestawiania połączenia jest niepożądany.

W konsekwencji zarezerwowania ścieżki pomiędzy rozmówcami po ukończeniu konfiguracji jedynym opóźnieniem danych jest czas propagacji sygnału elektromagnetycznego, około 5 ms na 1000 km. Poza tym dzięki zarezerwowaniu ścieżki nie istnieje ryzyko zatoru — to znaczy, gdy połączenie zostanie już nawiązane, nigdy nie dostaniemy sygnału zajętości. Oczywiście sygnał taki możemy dostać przed zestawieniem połączenia z powodu braku zasobów przełączników lub łączy dalekosiężnych.

RYSUNEK 2.34. Zależności czasowe zdarzeń w (a) komutacji obwodów, (b) komutacji komunikatów i (c) komutacji pakietów

Komutacja komunikatów

Alternatywną strategią komunikacji jest komutacja komunikatów {message switching) przedsta­wiona na rysunku 2.34 (b). Gdy używana jest ta forma komutacji, nie zostaje z góry zestawiona ścieżka od nadawcy do odbiorcy. Zamiast tego, gdy nadawca ma blok danych do wysłania, blok ten jest zapi­sywany w pierwszej centrali (tzn. w routerze), a następnie przekazywany dalej, po jednym przeskoku naraz. Każdy blok jest odbierany w całości, sprawdzany, czy doszedł bez błędów, i przekazywany dalej. Sieci używające tej techniki noszą nazwę sieci pamietająco-wysyłających (patrz rozdział 1.).

Pierwsze elektromechaniczne systemy telekomunikacyjne używały komutację komunikatów — dokładniej mówiąc, telegramów. Wiadomość była wybijana na taśmie (offline) w centrali nadają­cej, a następnie wczytywana i przesyłana linią transmisyjną do następnej centrali po drodze, gdzie znowu była wybijana na taśmie. Operator odrywał taśmę i wkładał do jednego z wielu czytników, po jednym na każde łącze wychodzące. Taśma papierowa to już przeżytek, a komutacja komunika­tów nie jest już stosowana, więc nie będziemy jej dalej omawiać.

Komutacja pakietów

Przy komutacji komunikatów nie istnieje żaden limit wielkości bloku, co oznacza, że routery (we współ­czesnym systemie) muszą mieć dyski do buforowania długich bloków. Oznacza to też, że pojedynczy blok może na całe minuty zająć linię pomiędzy dwoma routerami, przez co komutacja komunika­tów nie nadaje się do komunikacji interaktywnej. Aby uporać się z tymi problemami, wynaleziono komutację pakietów, opisaną w rozdziale 1. Sieci z komutacją pakietów nakładają ścisły limit na rozmiar bloku, co pozwala buforować pakiety w pamięci operacyjnej routera zamiast na dysku. Dzięki zagwarantowaniu, że żaden użytkownik nie zmonopolizuje żadnej linii transmisyjnej na długo (milisekundy), sieci z komutacją pakietów dobrze radzą sobie z komunikacją interaktywną. Kolejną przewagę tej metody nad komutacją komunikatów widać z rysunku 2.34 (b) i (c): pierwszy pa­kiet komunikatu złożonego z wielu pakietów może zostać przekazany dalej, zanim drugi dotrze w cało­ści, co zmniejsza opóźnienia i poprawia przepustowość. Z tych powodów w sieciach komputerowych zazwyczaj stosuje się komutację pakietów, od czasu do czasu obwodów, lecz nigdy komunikatów.

Komutacja obwodów i komutacja pakietów różnią się pod wieloma względami. Zacznijmy od tego, że komutacja obwodów wymaga zestawienia całego obwodu, aby komunikacja mogła się rozpocząć. Komutacja pakietów nie wymaga żadnej wstępnej konfiguracji. Pierwszy pakiet może zostać wysłany natychmiast po utworzeniu.

Skutkiem nawiązania połączenia w komutacji obwodów jest zarezerwowanie pasma na całej trasie od nadawcy do odbiorcy. Wszystkie pakiety wędrują tą trasą. Między innymi oznacza to, że pakiety nie mogą dotrzeć do miejsca przeznaczenia nie po kolei. Przy komutacji pakietów nie istnieje stała ścieżka, więc różne pakiety mogą wędrować różnymi trasami, w zależności od warunków w sieci w chwili wysłania. Mogą dotrzeć na miejsce w niewłaściwej kolejności.

Komutacja pakietów jest o wiele bardziej odporna na błędy niż komutacja obwodów. W rzeczy samej dlatego właśnie została wynaleziona. Gdy przestaje działać przełącznik, wszystkie używające go obwody zostają przerwane i nie można już nimi przesłać żadnych informacji. W komutacji pa­kietów pakiety mogą omijać nieczynne przełączniki.

Zestawienie trasy z wyprzedzeniem oznacza, że można też z góry zarezerwować pasmo. W takim Przypadku otrzymany pakiet może zostać natychmiast wysłany dalej z wykorzystaniem zarezerwo­wanego pasma. Przy komutacji pakietów pasmo nie jest rezerwowane, więc pakiety mogą czekać na swoją kolej do przesłania dalej.

Zarezerwowanie pasma z wyprzedzeniem oznacza, że nie może wystąpić zator w chwili, gdy pojaw: się pakiet (o ile nie nadejdzie więcej pakietów niż się spodziewano). Z drugiej strony próba zestawienia obwodu może się nie powieść z powodu zatoru. Wobec tego zatory mogą występować w różnych momen­tach dla komutacji obwodów (podczas konfiguracji połączenia) i pakietów (przy wysyłaniu pakietów).

Jeśli obwód został zarezerwowany dla konkretnego użytkownika, a ten nie ma żadnych danych do wysłania, pasmo tego obwodu marnuje się. Nie może zostać użyte do innego ruchu w sieci. Komutacja pakietów nie marnuje pasma, więc z perspektywy całego systemu jest bardziej wydajna. Poznanie tych kompromisów jest niezbędne dla zrozumienia różnicy pomiędzy komutacją obwodów a komutacją pakietów. Z jednej strony gwarantowana usługa i marnowanie zasobów, a z drugiej brak gwarancji usługi i brak marnowania zasobów.

Komutacja pakietów korzysta z transmisji z buforowaniem. Pakiety są akumulowane w pamięci routera, a następnie wysyłane do następnego routera. W komutacji obwodów bity są przesyłane kablem w sposób nieprzerwany. Technika transmisji z buforowaniem dodaje opóźnienie.

Kolejną różnicą jest to, że komutacja obwodów jest całkowicie przezroczysta. Nadawca i od­biorca mogą używać dowolnej szybkości transmisji, formatu i metody ramkowania, jakiej chcą. Dla nośnika to jest obojętne. W komutacji pakietów nośnik decyduje o podstawowych parametrach. Możemy to z grubsza przyrównać do drogi i kolei. Na drodze użytkownik decyduje o wielkości, szybkości i rodzaju pojazdu; na kolei decyduje o tym medium. Taka przezroczystość pozwala na współistnienie w systemie telefonicznym transmisji głosu, danych i faksu.

Ostatnią różnicą pomiędzy komutacją obwodów i komutacją pakietów jest algorytm pobierania opłat. W komutacji obwodów opłaty historycznie opierały się na czasie i odległości. Dla telefonii ko­mórkowej odległość zwykle nie ma znaczenia, z wyjątkiem rozmów międzynarodowych, a czas nie musi grać dużej roli (np. taryfa dająca 200 darmowych minut kosztuje więcej niż taryfa ze 100 darmo­wych minut, a rozmowy w nocy lub w weekend mogą być tańsze). W komutacji pakietów czas połą­czenia nie ma znaczenia, lecz objętość przesyłanych danych czasem tak. Od użytkowników domowych dostawcy usług internetowych często pobierają stały abonament miesięczny, ponieważ przez to mają mniej pracy, a klienci łatwiej mogą zrozumieć ten model, lecz operatorzy sieci szkieletowych pobierają od sieci regionalnych opłaty na podstawie objętości ruchu. Różnice zostały zestawione w tabeli 2.5.

TABELA 2.5.

Porównanie sieci z komutacją obwodów i z komutacją pakietów

Pozycja	Z komutacją obwodów	Z komutacją pakietów
Zestawianie połączenia.	Wymagane	Zbędne
Dedykowana ścieżka fizyczna.	Tak	Nie
Wszystkie pakiety wędrują tą samą trasą?	Tak	Nie
Pakiety docierają we właściwej kolejności?	Tak	Nie
Awaria przełącznika fatalna w skutkach?	Tak	Nie
Dostępne pasmo.	Stałe	Dynamiczne
Moment możliwego powstania zatoru.	Przy tworzeniu połączenia	Przy każdym pakiecie
Możliwość marnowania pasma.	Tak	Nie
Transmisja z buforowaniem.	Nie	Tak
Przezroczystość łącza.	Tak	Nie
Opłaty.	Za minutę	Za pakiet

Obie techniki, komutacji obwodów i komutacji pakietów są na tyle ważne, że powrócimy do nich i omówimy szczegółowo różnorodne używane w nich technologie.

2.6. Systemy telefonii mobilnej

Tradycyjny system telefoniczny, nawet jeśli któregoś dnia będzie korzystał z gigabitowego światło­wodu od końca do końca połączenia, nadal nie będzie mógł usatysfakcjonować rosnącej grupy użytkowników — tych będących w ciągłym ruchu. Tacy ludzie chcą być w stanie rozmawiać przez telefon z samolotu, samochodu, basenu pływackiego i podczas joggingu w parku. Za kilka lat będą też oczekiwać możliwości wysyłania e-maili czy korzystania z WWW z tych wszystkich miejsc i jesz­cze z kilku innych. Dlatego też zainteresowanie telefonią bezprzewodową jest ogromne. W następnych punktach omówimy ten temat bardziej szczegółowo.

Telefony „bez kabla" dzielą się na dwa podstawowe typy: bezprzewodowe aparaty telefoniczne j telefony mobilne (komórkowe). Bezprzewodowe aparaty telefoniczne to urządzenia składające się ze stacji bazowej i mikrotelefonu (słuchawki) sprzedawane jako zestawy do użytku domowego. Nigdy nie są stosowane w sieciach komputerowych, więc nie będziemy się nimi dalej zajmować. Zamiast tego skoncentrujemy się na systemach mobilnych, używanych w dalekosiężnej transmisji głosu i danych.

Pojawiły się już trzy generacje telefonów mobilnych, wykorzystujące różne technologie:

(1) Analogowe głosowe.

(2) Cyfrowe głosowe.

(3) Cyfrowe — głos i dane (Internet, e-mail itp.).

Wprawdzie większość miejsca poświęcimy tu technologii tych systemów, to warto zanotować, jak wielki efekt mogą mieć decyzje polityczne i drobne decyzje marketingowe. Pierwszy system mobilny został opracowany w USA przez AT&T i zalecony dla całego kraju przez FCC.

W wyniku tego całe Stany Zjednoczone miały jeden (analogowy) system i telefon mobilny kupiony w Kalifornii działał również w stanie Nowy Jork. Z drugiej strony w Europie każdy kraj opracował własny sys­tem, co skończyło się fiaskiem.

Europa wyciągnęła wnioski ze swojego błędu i gdy pojawiła się odpowiednia technologia cy­frowa, europejscy krajowi operatorzy zebrali się i uzgodnili pojedynczy standard systemu (GSM), dzięki czemu każdy europejski telefon komórkowy działa w każdym punkcie Europy. W tym cza­sie w USA zdecydowano, że rząd nie powinien wtrącać się w standaryzację, więc telefonię cyfro­wą pozostawiono rynkowi. Ta decyzja spowodowała, że różni producenci sprzętu zaczęli wytwa­rzać różne typy telefonów mobilnych. W konsekwencji w USA działają dziś dwa niezgodne ze sobą duże cyfrowe systemy telefonii komórkowej (i jeden mniej ważny).

Mimo początkowego prowadzenia USA, w Europie stan posiadania i wykorzystanie telefonów komórkowych jest dziś znacznie wyższy. Jednym z powodów jest wspólny system dla całej Euro­py, lecz to nie wszystko. Drugim obszarem, w którym USA i Europa się różnią, jest niepozorna kwestia numerów telefonicznych. W USA telefony mobilne są wymieszane ze zwykłymi (stacjo­narnymi). Wobec tego rozmówca nie może zorientować się, czy np. [phone] jest telefonem stacjonarnych (połączenie tanie lub darmowe w przypadku rozmów lokalnych) czy też komórkowym (drogie połączenie). Aby użytkownicy nie denerwowali się tym problemem, firmy telefoniczne zdecydowały, że właściciel telefonu komórkowego powinien płacić za połączenia przychodzące. Dlatego też wielu ludzi zawahało się przed kupnem telefonu komórkowego z obawy przed rachun­kami rosnącymi przez zwykłe odbieranie rozmów. W Europie telefony komórkowe mają specjalny numer kierunkowy (podobny do numerów 0-700 i 0-800), więc można je rozpoznać natychmiast. Wobec tego tradycyjna reguła „osoba dzwoniąca płaci" stosuje się w Europie również do telefo­nów komórkowych (z wyjątkiem rozmów międzynarodowych, gdzie koszty są dzielone).

Trzecią kwestią, która miała duży wpływ na przyjęcie się tej technologii, jest rozpowszech­nienie w Europie telefonów komórkowych z przedpłatą (w pewnych regionach do 75%). Telefon ta­ki można kupić w wielu sklepach równie łatwo jak np. radio. Wystarczy zapłacić. Telefon jest >,załadowany" pewną kwotą startową (np. 50 zł) i może być doładowany przez wprowadzenie tajne­go kodu PIN, gdy stan konta spadnie do zera. Dzięki temu praktycznie każdy nastolatek i wiele dzieci w Europie ma telefon komórkowy (zwykle z przedpłatą), pozwalający rodzicom zlokalizować dziecko bez obawy o kolosalne rachunki. Gdy telefonu takiego używa się tylko okazjonalnie, to Jego eksploatacja jest prawie darmowa, ponieważ nie wymaga miesięcznego abonamentu i nie ob­ciąża rachunku za połączenia przychodzące.