Standardizace v telekomunikacích (ITU)
Vzhledem k propojení sítí různých států je třeba definovat mezinárodní standardy.
Historie standardizace v telekomunikacích:
-
Úsilí o standardizaci v telekomunikacích započalo v roce 1865 vytvořením ITU (International Telegraph Union) Mezinárodní telegrafní unie.
-
v roce 1934 získává svůj současný název ITU (International Telecommunication Union) Mezinárodní telekomunikační unie.
-
V roce 1947 se ITU stává odbornou organizací OSN.
-
V roce 1956 byl vytvořen CCITT (Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique) Mezinárodní poradní sbor pro telefon a telegraf.
-
Který byl v roce 1993 přejmenován na ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector). Mezinárodní telekomunikační unie - Telekomunikační sektor.
ITU (Mezinárodní telekomunikační unie)
Odborná agentura OSN zabývající se problematikou informačních a komunikačních technologií.
Má čtyři sekce:
-
ITU-T (Telekomunikační sektor): Tvoří technické specifikace pro telekomunikační systémy, sítě a služby, včetně jejich provozu, fungování a údržby. Vytváří tarifní zásady včetně metod účtování používaných při poskytování mezinárodních služeb.
-
ITU-R (Radiokomunikační sektor): Tvoří technické charakteristiky pozemních a kosmických bezdrátových služeb a systémů a vypracovává provozní postupy.
-
ITU-D (Sektor pro rozvoj telekomunikací): Tvoří politiku, regulaci a podpůrné programy a finanční strategie pro rozvojové země.
-
Úřad pro normalizaci telekomunikací: Rozšiřuje informace o mezinárodních telekomunikacích a vypracovává dohody s mnoha mezinárodními normalizačními organizacemi.
Názvy norem definovanýc ITU-T mají formát X.YYY, kde X je písmeno označující obor a YYY jsou číslice např. H.264 (H - audiovisuální a multimediální systémy).
Historie telefonnie
0. generace |
manuální spojování |
1. generace |
automatické spojování |
2. generace |
mechanické (křížové spínače) spojování |
3. generace |
elektronické spojování (polovodičové spínací prvky např. MHB 8804) |
4. generace |
digitální (digitální spojovací pole) spojování |
Další vývoj |
Softswitch (přenos hlasu datovou tedy paketovou sítí) |
Obecné schéma komunikační sítě (opakování)
Signály v komunikační síti běží po různých médiích: kabel, optické vlákno, rádio.
Pojmem rádiový systém budeme mít na mysli případ, kdy je pomocí rádiového spoje připojen účastník.
Pojmem mobilní systém budeme označovat systém, ve kterém se účastník může pohybovat. Viz ještě dále.
VoIP - Voice over IP (opakování)
Další vývoj přenosu hovoru se vydal směrem nestavět pro přenos hlasu zvláštní síť, ale hovor přenášet v rámci datové (paketové) sítě. Odtud název VoIP (Voice over Internet Protocol - hlas přes internet protokol). Způsobů jak hlas přes paketovou síť přenášet je celá řada mimo jiné např. SIP nebo Skype.
SIP (Session Initiation Protocol - protokol pro inicializaci relací)
Jak už z názvu vyplývá úkolem protokolu je sestavení spojení mezi dvěma zařízeními - tedy najít volaného v paketové síti a propojit jej s volajícím. K adresování zařízení v paketové síti se používá podobný způsob jako u e-mailů, který obsahuje IP adresy domény tedy např. sip:jirka@1.2.3.4 nebo (při použití DNS) sip:jirka@spseol.cz. Úkolem protokolu je:
-
Lokalizace účastníka
-
Zjištění stavu účastníka (jestli není obsazený)
-
Zjištění možností účastníka (kodeku)
-
Vlastní navázání spojení
-
Řízení probíhajícího spojení
Pro naplnění těchto úkolů je v architektuře SIP definováno několik serverů:
-
Proxy Server (zástupný server) - předává žádost o spojení na volaného (buď přímo nebo přes Redirect server na jeho server)..
-
Registrar (registrační server) - za pomoci user database (databáze uživatelů) zpracovává požadavky na registrace uživatelů.
-
Redirect Server (server přesměrování) - přesměrovává žádosti o spojení na servery do jiných domén.
Jetnotlivé servery je potřeba chápat jako jednotlivé funkce v síti, které jsou v praxi realizovány jedním zařízením.
Koncové zařízení se v terminologii SIP označuje jako User Agent.
Princip funkce: Každý uživatel (User Agent) je registrován ve svém Registrar (ten se stará o aktualizaci databáze účastníků) a tak může provádět nejen odchozí hovory, ale také přijímat hovory příchozí. V případě požadavku na odchozí hovor je tento zpracován Proxy Serverem a v případě, že směřuje do jiné domény předán na Redirect Server.
Pro inicializaci hovoru je použit protokol SIP a servery architektury SIP. Samotný hovor je přenášen protokolem RTP (Real-time Transport Protocol). Teoreticky by mohl být přenášen přímo paketovou sítí a SIP architektura by na něj pouze dohlížela. Vzhledem k různým způsobům blokování průchodu sítí a z důvodu požadavku odposlechů procházejí i pakety hovoru přes servery SIP.
SIP je prokolem aplikační vrstvy TCP/IP modelu a z transportní vrstvy používá protokol UDP (případně TCP). Podobně RTP (Real-time Transport Protocol) byl navržen pro přenost hlasu a vide v paketové sítě a je protokolem aplikační vrstvy a z transportní vrstvy využívá protokol UDP.
Architektura sítě SIP bývá doplněna dalšími servery např. pro účtování (billing), pro konfiguraci účtů,…
ENUM (tElephone NUmber Mapping - mapování telefonních čísel) - překlad telefonních čísel na SIP adresy a naopak.
Představitelem SIP proxy je Kamailio - je Open Source.
Princip rádiového přenosu
Signál je informace nesena fyzikální veličinou např. hlasová informace je nesena mechanickým vlněním (zvukem).
Elektrický signál je informace nesena elektrickou veličinou (napětí, proud).
K přenosu informace v rádiových systémech je využito rádiové vlnění - elektromagnetické vlnění.
Podle množství přenášené informace přenos obsazuje určitý rozsah kmitočtů tzv. šířka pásma (čím více informace tím větší rozsah).
-
Vysílač (transmitter):
-
do vysílače vstupují signály v analogové nebo digitální formě,
-
v basebandu je signál upravován do vhodnější formy pro přenos (zesílení, filtrace, komprese, ochrana proti chybám, šifrování,…),
-
vf část vysílače se stará o modulaci informace na rádiovou nosnou a zesílení na správný výkon a proto obsahuje přesný zdroj rádiového vlnění o konkrétním kmitočtu tzv. oscilátor, modulátor a vf (výkonový) zesilovač,
-
pomocí vysílací antény se vysílá rádiové vlnění do prostoru.
-
-
Přenosová rádiová cesta:
-
rádiový stín je místo, ve kterém je signál zeslaben překážkou, která vytvoří stín.
-
šum je cizí napětí tepelného (chaotického) původu,
-
rušení je cizí (přírodní nebo lidské) rádiové vlnění na stejných kmitočtech,
-
únik je velmi silné zeslabení (výpadek) příjmu v určitém místě způsobené odrazy,
-
další…
-
Přijímač (receiver):
-
pomocí přijímací antény přijímá rádiové vlny z prostoru,
-
vf část přijímače zesiluje slabý signál, filtruje konkrétní kanál (příjímá požadovaný a potlačuje sousední) a demoduluje ho a proto obsahuje zesilovače, filtry, oscilátory, demodulátor.
-
baseband přijímače upravuje signál po příjmu (filtrace, zesílení, odstranění chyb, dekomprese, dešifrování,…)
-
předává přijatý signál k dalšímu zpracování.
-
Radiokomunikační služby
Rádiové systémy podle způsobu používání zařazujeme do tzv. radiokomunikačních služeb:
-
Pozemní pohyblivá služba - používání za pohybu nebo při zastávkách v předem neurčených místech pomocí přenosných ručních nebo mobilních vysílacích zařízení.
-
Pevná služba - mezi pevně stanovenými body buďto bod-bod nebo bod-více bodů.
-
Rozhlasová služba - rozhlas a televize.
-
Družicová služba - pevná, pohyblivá.
-
Letecká pohyblivá služba
-
Námořní pohyblivá služba
-
Amatérská služba - sportovní činnost, technické sebevzdělávání a studium.
Více: Radiokomunikační služby
Využití rádiového spektra
Rádiové kmitočty se považují za přírodní bohatství a lze využívat pouze na základě oprávnění k využívání rádiových kmitočtů.
Jejich využívání je harmonizováno mezinárodně na setkáních Světové radiokomunikační konference (WRC - World Radiocommunication Conference, které pořádá Mezinárodní telekomunikační unie (ITU – International Telecommunication Union).
Systémy pozemní pohyblivé služby (PPS)
-
veřejné
-
veřejné radiotelefonní sítě (GSM, LTE, 5G)
-
hromadné radiotelefonní sítě (TETRA)
-
bezšňůrové telefony (DECT)
-
veřejný paging (ERMES)
-
veřejné rádiové datové sítě (WiFi)
-
speciální sítě (TFTS)
-
zvláštní prostředky
-
-
neveřejné
-
dispečerské sítě
-
neveřejný paging
-
neveřejné rádiové datové sítě (WLAN)
-
Správné označení je veřejné radiotelefonní sítě, ale v dalším textu budeme v tomto smyslu používat pojem mobilní systémy.
Historické milníky mobilních systémů
-
1876 první přenos hlasu
-
1895 první rádiový přenos delší než 1 míle
-
1921 policejní rádiová (AM, simplex 2 MHz) síť
-
1935 vynález FM
-
1946 koncepce celulární sítě
-
1948 vynález tranzistoru
-
1958 první integrovaný obvod
-
1969 vznik skupiny NMT
-
1971 spuštěna síť ARP (Autoradiopuhelin) ve Finsku
-
1971 první mikroprocesor Intel 4004
-
1981 první komerční síť NMT 450
Generace mobilních systémů
-
0. generace - před rokem 1980
-
1. generace (NMT) – začátek 80. let
-
trunkové rádio (automatický provoz)
-
buňková struktura
-
analogové systémy (modulace)
-
zaměřeny na přenos hlasu - v jádře ústředny
-
data v omezené míře - modemy na analogové lince
-
každý stát svoje vlastní technologie
-
-
2. generace (GSM) – začátek 90. let
-
digitální systémy
-
přenos dat komutovaným způsobem a malou rychlostí (9,6 kbit/s)
-
snaha o národní spolupráci > v Evropě GSM
-
-
2,5. generace (GPRS, EDGE) – konec 90. let
-
urychlení datových přenosů postupně na 10-ky kbit/s
-
paketový způsob přenosu dat - v jádře přibyly routery
-
-
3. generace (IMT 2000, UMTS) – začátek 21. století
-
vysokorychlostní datové přenosy - postupně až na 10-ky Mbit/s)
-
měl to být jednotný celosvětový systém
-
-
4. generace (LTE)
-
v jádře už nejsou ústředny
-
-
5. generace
Základní principy funkce rádiových systémů
Multiplex
Multiplexování (multiplexing) je způsob jak spojit tzv. multiplexovat signály od více uživatelů do jednoho (společného) signálu pro přenos jedním vysokokapacitním médiem (koaxiálním kabelem, optickým vláknem, rádiovým spojem s velkou šířkou pásma,…). Na vysílací straně přenosový systém obsahuje multiplexor (multiplexer) označení MUX, který signály multiplexuje, na přijímací straně je demultiplexor (demultiplexer) označení DEMUX případně DMX, který jednotlivé signály demultiplexuje.
V češtině se často místo výrazů multiplexování používá výraz multiplex. Tohoto se budeme držet v dalším výkladu.
Typy:
-
Prostorový multiplex (SDM - space-division multiplexing): Signály jednotlivých uživatelů jsou odděleny v prostoru např. pomocí "paprsků" směrových antén.
-
Kmitočtový multiplex (FDM - frequency-division multiplexing): Signály jednotlivých uživatelů mají určené kmitočtové pásmo tzv. kmitočtový kanál. Tento způsob lze využít i v analogových systémech.
-
Časový multiplex (TDM - time-division multiplexing): Signály jednotlivých uživatelů mají určené časové úseky tzv. kanálové intervaly.
-
Vlnový multiplex (WDM - wave-division multiplexing): Signály jednotlivých uživatelů mají určené vlnové délky světla při přenosu optickým vláknem.
-
Kódový multiplex (CDM - code-division multiplexing): Signály jednotlivých uživatelů mají určené kódy.
Kmitočtový multiplex - FDM
Jednotlivé signály se namodulují na pomocné nosné, čímž vzniká širokopásmový signál, který se dále přenáší. Na přijímací straně se jednotlivé signály zpět získávají filtrací. Kmitočtový multiplex byl využíván především v analogové éře.
FDM je použit u FM rohlasového vysílání, kde je potřeba zajistit přenos: monosignálu, doplňkového (stereo) signálu, pilotního kmitočtu, RDS,…
FDM se používal také pro přenos telefonních hovorů v tzv. nosné telefonii, kdy byly jednotlivé uživatelské signály (amplitudově) modulovány na pomocné nosné. Výsledný širokopásmový signál se přenášel pomocí koaxiálních kabelů. Bylo možné takto přenášet až tisíce hovorů jedním kabalem.
Časový multiplex - TDM
Jednotlivé signály se vysílají v krátkých časových úsecích tzv. kanálových intervalech seřazených za sebou. Toto je označováno jako rámec (frame).
Jak je z animace vidět, tak přepínač na přijímací straně musí přepnout ve správnou dobu (musí pracovat synchronně). Toto se technicky zabezpečuje pomocí synchronizačního kanálového intervalu, což je speciální interval zařazený na začátek rámce, který přijímač rozpozná a jednotlivé signály už si odpočítá v čase.
TDM se používá v digitální technice např. v PCM 1. řádu.
Násobný přístup
Násobný přístup (multiple access) je metoda zabezpečit využití (sdílení) přenosového média více uživateli.
-
FDMA – Frequency Devision Multiple Access (násobný přístup s kmitočtovým dělením): každá komunikace má přidělenu část kmitočtového spektra - rádiový kanál, kmitočet – C analogové systémy 1. generace
-
TDMA – Time Devision Multiple Access (násobný přístup s časovým dělením): každá komunikace má přidělen časový úsek na radiovém kanálu – (time) slot – TN digitální systémy 2. generace
-
CDMA – Code Devision Multiple Access (násobný přístup s kódovým dělením): každá komunikace má přidělen svůj kód vysokorychlostní systémy 3. generace
Problém dosahu TDMA.
Buňková síť (cellular network)
Princip
Velikost buněk
je ovlivněna:
-
vysílaným výkonem - 10-ky W,
-
výškou antény (nad terénem) - umístění na budovy, stožáry,
-
členitostí terénu,
-
kmitočtovým pásmem.
Plošná kapacita
se nastavuje velikostí buněk
Typy buněk
podle směrovosti:
-
všesměrové buňky – vysílač má všesměrový anténní systém
-
sektorové buňky – jeden anténní systém je obsluhován několika (typicky 3) vysílači v nezávislých sektorech
podle použití:
-
outdoor - vnější
-
indoor - vnitřní (v budovách)
Handover
přechod mezi kanály (většinou na hranicích buněk).
podle způsobu řízení:
-
NCHO network controlled (řízený sítí): jednoduchý; NMT
-
MCHO mobile controlled (řízený mobilem): velmi náročný jak na mobil tak na přenos signalizace v síti; DECT
-
MAHO mobile assisted (řízený sítí s asistencí mobilu): kompromis; GSM
podle způsobu přepnutí:
-
tvrdý: odpojení a připojení nového kanálu; GSM
-
bezešvý: po krátký okamžik současně oba kanály; DECT
-
měkký: neustále připojeno na všechny kanály; CDMA
Počet směrů komunikace
-
Simplex: komunikace jen jedním směrem; stačí jeden kanál paging - TV
-
Half-duplex (push to talk): komunikace oběma směry střídavě po jednom kanálu - dispečerské sítě,
-
Full-duplex: komunikace oběma směry po dvou kanálech - mobilní telefony
Duplex
-
FDD – Frequency Division Duplex – frekvenční duplex
-
TDD – Time Division Duplex – časový duplex
Typy spojování
-
komutované spojování (circuit switching) – v síti se mezi dvěma terminály vytvoří spojení (ústředny sepnou), po kterém probíhá komunikace, po skončení se spojení zruší; typicky se platí za čas spojení; (klasická telefonie)
-
paketové spojování (packet switching) – v síti není vytvořené spojení, ale zpráva je rozdělena na pakety, které mimo dat obsahují hlavičku s adresou. Pakety sítí prochází tak, že se předávají mezi jednotlivými uzly sítě (routery); typicky se platí za množství přenesených dat (internet)
-
služba bez spojení (connectionless) - datagram – pakety mohou sítí procházet po různých cestách a tak je možné, že do cíle dorazí v přeházeném pořadí
-
služba se spojením (connection-oriented) – uzly v síti jsou předobsazeny vytvoří se virtuální spojení, takže všechny pakety sítí putují stejnou cestou.
-
Problémy rádiového přenosu
-
útlum volného prostoru - způsobený vzdáleností od vysílače – má logaritmický průběh (v ideálním prostoru bez překážek)
-
stíny za překážkami – pro signál se objekt stává překážkou ve chvíli, kdy jeho rozměry odpovídají (nebo jsou větší) vlnové délce signálu
-
Rayleighovy úniky – jsou způsobené odrazem od překážek v malé vzdálenosti (okolní budovy) od přijímací antény (fázový posun)
-
disperze signálu – je způsobená odrazem od velkých překážek ve velké vzdálenosti (hory) od přijímací antény (zpoždění o délku bitu); zpožděná příchozí kopie bitů způsobuje komplikace při příjmu
-
Dopplerův jev – zvyšování / snižování kmitočtu vzájemným pohybem vysílače a přijímače (vysokorychlostní vlaky 300 km/hod)
Techniky řešení problémů rádiového přenosu
-
samoopravné kódy (FEC - forward error correction) – řeší stíny (slabší příjem) za překážkami přidávají k užitečnému signálu další bity (redundantní informace), které pak na přijímači umožňují detekovat a případně i opravovat vzniklé chyby
-
prokládání – řeší krátkodobý únik „rozbíjí“ shluky chyb na jednotlivé bity, které se pak opravují samoopravnými kódy
-
adaptivní ekvalizace (equalization) – disperze signálu na základě známé sekvence bitů (tzv. tréningová sekvence) se v přijímači průběžně dolaďuje adaptivní ekvalizér (filtr), který působí proti zkreslení kanálu
-
diverzifikace antén – řeší únik velká hloubka Rayleighových úniků se dá o cca 3dB zmenšit vysíláním z dvojice antén v určité vzdálenosti – tzv. prostorová diverzifikace podobný účinek má dvojitá anténa vysílající s oběma polarizacemi – tzv. polarizační diverzifikace – použití zejména ve městech
-
frekvenční skákání (frequency hopping) – řeší únik výměna kmitočtů Rayleighovy úniky se nacházejí v místech vzdálených o λ/2, a tedy místa s úniky jsou pro různé kmitočty různé