Informační technologie pro poskytování telekomunikačních služeb

Transkript

1 Bankovní institut vysoká škola Praha Informační technologie pro poskytování telekomunikačních služeb Bakalářská práce Richard Gewissler, DiS. Červen, 2010

2 Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií a elektronického obchodování Informační technologie pro poskytování telekomunikačních služeb Bakalářská práce Autor: Richard Gewissler, DiS. Informační technologie, Správce informačních systémů Vedoucí práce: Ing. Ladislav Molkup Praha Červen, 2010

3 Prohlášení: literatury. Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou zpracoval samostatně a s pouţitím uvedené V Praze dne 11. června 2010 Richard Gewissler, DiS.

4 Poděkování: Tímto bych rád poděkoval především vedoucímu své bakalářské práce Ing. Ladislavu Molkupovi nejen za cenné rady a věcné připomínky, ale také za vstřícný a aktivní přístup při konzultacích.

5 Anotace Tato práce je zaměřena na problematiku sítí pro přenos hlasu a dat. Popisuje technologie pouţívané pro datové přenosy v přístupových sítích, a to jak v pevných sítích, tak i v mobilních. Zahrnuje také popis technologií vyuţívaných v bezdrátových sítích, včetně mikrovlnných spojů a satelitní komunikace. Dále se zabývá telefonními sítěmi a alternativními způsoby telefonie, které vyuţívají existující IP sítě. V poslední části obsahuje také návrhy řešení telekomunikačních sluţeb, které demonstrují na třech modelových případech moţný postup při výběru vhodné technologie a dodavatele, včetně ekonomické analýzy dostupných řešení. Annotation This thesis focuses on voice and data networks. It describes the technologies used for data transmission in access networks, both in fixed and mobile networks. It comprises a description of the technologies used in wireless networks, including microwave links and satellite communications. It also deals with telephone networks and alternative telephony using existing IP networks. In the last section it also contains proposals of telecommunication services solutions. On three model cases are demonstrated possible ways in the selection of appropriate technology and supplier, including economic analysis of available solutions.

6 OBSAH Úvod Telekomunikační sluţby Datové Hlasové Informační technologie pro přenos dat Metalické sítě Dial-up ISDN DSL CATV Ethernet Optické sítě FTTx Bezdrátové sítě Fixní WiFi WiMAX Mikrovlnné spoje Laserové spoje Satelitní komunikace DVB-RCS Mobilní GPRS EDGE CDMA UMTS / HSDPA Informační technologie pro přenos hlasu PSTN GSM VoIP Skype Přenos obrazu a zvuku - IPTV

7 5 Návrh řešení telekomunikačních sluţeb Pro domácnost Modelový případ A Modelový případ A Pro malou firmu Modelový případ B Závěr Seznam pouţité literatury a zdrojů Seznam obrázků a tabulek Seznam příloh

8 Úvod Kvalitativní a kvantitativní charakteristiky telekomunikačních sluţeb jsou úzce spjaty s technologiemi, na kterých jsou tyto sluţby poskytovány. Záleţí také samozřejmě na tom, jak jsou tyto technologie spravovány a řízeny, nicméně poskytovatel můţe volbou vhodné technologie do značné míry ovlivnit svůj úspěch či neúspěch na vysoce konkurenčním trhu. Také z pohledu zákazníka, konzumujícího poskytované sluţby, je ţádoucí zvolit tu správnou technologii a poskytovatele. Tedy zvolit technologii, která svými parametry můţe vůbec odpovídat jeho technickým poţadavkům, zároveň však také zvolit poskytovatele, který je schopen telekomunikační sluţby dodávat v poţadované kvalitě a za akceptovatelnou cenu. Pokud se zaměříme na pravděpodobně nejčastěji vyuţívanou sluţbu připojení k Internetu, tak lze říci, ţe aţ na několik výjimek je dostupnost jednotlivých technologií vázána na určitou lokalitu nebo je jinak prostorově omezena. Tato disproporce mezi lokalitami a také velké technické rozdíly mezi jednotlivými technologiemi mě přiměly se tímto tématem zabývat hlouběji. Cílem této práce je poskytnout přehled o dostupných informačních technologiích pro vyuţití v domácnostech a malých firmách. V první části jsou charakterizovány datové a hlasové telekomunikační sluţby. Další část je věnována informačním technologiím pouţívaným pro poskytování datových telekomunikačních sluţeb. Jedná se o technologie vyuţívané v kabelových, bezdrátových a mobilních sítích. Ve třetí části jsou popsány telefonní pevné a mobilní sítě a také alternativní řešení telefonie, které přenos hlasu realizují pomocí rozšířených IP sítí. V závěrečné části jsou zpracovány návrhy řešení telekomunikačních sluţeb pro domácnost a malou firmu

9 1 Telekomunikační služby Komunikace lidí s okolním světem pro nás vţdy představovala a stále představuje důleţitou potřebu. Je to prostředek sdílení dat a informací, pomocí nichţ si vytváříme znalosti. Při osobních setkáních běţně pouţíváme verbální i neverbální komunikaci, avšak při sdělování informací na větší vzdálenosti nám většinou postačuje komunikace verbální. Komunikace na dálku byla před objevením elektřiny poměrně náročná a značně omezená, neboť probíhala především za pouţití zvukových signálů (např. bubny) nebo optických signálů (např. oheň, kouř, zrcadla). V první polovině 19. století, kdy byla prozkoumána většina elektrických vlastností látek za normálních podmínek, došlo k velkému rozvoji přenosu kódovaných zpráv na vzdálené místo - telegrafie. Přenos signálů po drátě vyuţil Samuel F. B. Morse v roce 1836 k sestavení prvního funkčního telegrafního přístroje, s jehoţ pomocí je schopen přenášet kód z čárek a teček pro kaţdé písmeno abecedy. V druhé polovině 19. století se o rozvoj telegrafie zaslouţil Heinrich Hertz, který prozkoumal elektromagnetické vlny a inspiroval Guglielmo Marconiho k vyrobení prvního přístroje pro bezdrátový přenos signálů. [13] Objev elektřiny a elektrifikace měst a obcí v první polovině 20. století umoţnil masové rozšíření elektrických zařízení a spotřebičů, které nám usnadňují kaţdodenní ţivot. Komunikace na dálku za pouţití informačních technologií je dnes jiţ zcela běţnou záleţitostí a takové dorozumívání označujeme jako telekomunikace. Telekomunikace je obor sdělovací techniky zabývající se zařízeními, metodami a řízením výměny informací na dálku při využití metalických, optických a v širším smyslu i rádiových přenosových tras. [20] Vlastní spojení mezi účastníky, kteří si vyměňují informace, zajišťuje obvykle telekomunikační společnost formou poskytnutí telekomunikační sluţby. Tyto sluţby jsou přesně vymezeny následující definicí. Telekomunikační služby představují přenos zvuku, obrazu nebo dalších informací prostřednictvím telefonu, telexu, telegramu, radiového a televizního kabelu a vysílání, družice, elektronické pošty, faksimilního spojení atd.; nezapočítává se avšak hodnota přenášené informace. [7] Telekomunikační činnosti jsou v České republice regulovány telekomunikačním zákonem č. 127/2005 Sb., o elektronických komunikacích a o změně některých - 8 -

10 souvisejících zákonů (zákon o elektronických komunikacích) a nezávislým regulátorem, Českým telekomunikačním úřadem (ČTÚ). ČTÚ vznikl 1. ledna 1993 jako sekce Ministerstva hospodářství. Od 1. listopadu 1996 přešly veškeré kompetence této sekce na Ministerstvo dopravy a spojů. Zákonem č. 151/2000 Sb., o telekomunikacích a změně dalších zákonů, se 1. července 2000 zřizuje ČTÚ jako správní úřad pro výkon státní správy, včetně regulace ve věcech telekomunikací. Zmíněný zákon z roku 2000 nahrazoval telekomunikační zákon z roku 1964, a to především z důvodu potřeby přípravy legislativního pozadí ošetřujícího start liberalizovaného trhu. Bylo potřeba určit jasné podmínky a transparentní legislativní prostředí nejen pro zájemce o vstup na český telekomunikační trh, ale také pro bývalého monopolního operátora SPT Telecom (resp. 1. ledna 2000 byla společnost přejmenována na Český Telecom). [62] 1.1 Datové Jednou z moţností sdělení zprávy představují zvukové, elektrické nebo optické signály. Za pomoci signálů je moţné fyzikálně vyjádřit jednotlivé části zprávy, tedy data. Před vlastním přenosem zprávy je potřeba provést kódování, tzn. převést zprávu mezi abecedami. Předpokladem pro úspěšnou výměnu zprávy je znalost metody kódování jak odesílatelem, tak i příjemcem zprávy. Data jsou jakékoli fyzicky (materiálně) zaznamenané znalosti (vědomosti), poznatky, zkušenosti nebo výsledky pozorování procesů, projevů, činností a prvků reálného světa, tak aby je bylo moţné přenášet nebo zpracovat. [29] Datové telekomunikační sluţby jsou uţším vymezením telekomunikačních sluţeb, které představují sluţbu přenosu (anebo vysílání a přijímání) pouze dat mezi dvěma či více uzly, avšak podle předem stanovených pravidel. Klasickým příkladem takové sluţby je připojení k Internetu. Internet představuje soustavu vzájemně propojených počítačových sítí, které jsou zaloţeny na stejné filozofii a stejných protokolech. Jedná se o datové sítě fungující na principu přepínání paketů (packet switching), kterým je zajištěna především robustnost a odolnost sítě jako celku vůči dílčím výpadkům jeho jednotlivých částí. Všechny ostatní sluţby, které je moţné prostřednictvím Internetu realizovat, jako jsou např. přenosy obrazu a zvuku nebo hlasové sluţby, jsou zaloţeny na datových přenosech

11 1.2 Hlasové Základní moţnost dorozumívání pro člověka představuje sdělení informace či myšlenky prostřednictvím jeho vlastního hlasu. Pro hlasovou komunikaci pouţíváme řeč, která byla rozvíjena po několik století a tisíciletí. Komunikovat pomocí hlasu je ve většině případů přirozenější, jednodušší a rychlejší neţ v písemné podobě. Také děti se naučí mluvit jiţ v útlém věku, kdeţto číst a psát se naučí aţ o několik let později. Pouţití hlasu je však omezeno vzdáleností mezi komunikujícími. První krok v odstranění této bariéry učinil americký profesor Alexandr Graham Bell, který v roce 1876 uskutečnil první přenos hlasu. Zdrojem hovorového signálu jsou řečové orgány, tedy především hlasivky a dutina ústní, do které je vháněn vzduch plícemi. Kmitočet hlasivek je charakterizován základním tónem, který je různý u dětí, dospělých, můţu i ţen a pohybuje se v rozmezí 150 aţ 400 Hz. Sdělení zprostředkované řečovým signálem je diskrétní, tzn. můţe být vyjádřeno ve tvaru posloupnosti konečného počtu symbolů. Za účelem přenosu hovorového signálu provádíme prostřednictvím mikrofonu jeho převod na elektrický signál. Hovorový signál je vzorkován, kvantován a následně kódován. Při digitálním zpracování jsou pouţívány kompresní metody, jejichţ cílem je dosáhnout co nejniţší přenosové rychlosti při zachování dobré srozumitelnosti, barvy hlasu a přiměřené výpočetní náročnosti pouţitých algoritmů. [55] Hlasové telekomunikační sluţby jsou uţším vymezením telekomunikačních sluţeb, kdy poskytovatel technicky zajišťuje pouze hlasovou komunikaci mezi dvěma anebo více účastníky, a to za pouţití definovaných technických prostředků a pravidel. Přenos hlasu v reálném čase mezi účastníky hovoru označujeme za telefonii, kterou je moţné realizovat za pomoci telefonní technologie. Ta zahrnuje koncové přístroje účastníků (telefony) a prostředí pro šíření modulovaných signálů (telefonní síť). Telefonní sítě fungují na principu přepojování okruhů (circuit switching), čímţ dochází sice k neefektivnímu vyuţití dostupných zdrojů, neboť jsou vyuţívány i v okamţiku, kdy ani jeden z účastníků hovoru nehovoří. Na druhé straně však vyhrazené pouţití těchto zdrojů umoţňuje garantovat jejich dostupnost pro realizované spojení

12 2 Informační technologie pro přenos dat Datové sítě jsou sítě určené pro přenos digitálních dat a jsou charakteristické svým pouţitím (pouţívanými komunikačními protokoly) a svou velikostí. Rozlišujeme je podle jejich velikosti, a to nejčastěji do následujících základních kategorií. PAN (Personal Area Network) sítě představují obvykle dočasná spojení na krátkou vzdálenost, např. mezi mobilním telefonem a notebookem pomocí technologie Bluetooth, jejíţ dosah je typicky do 10 metrů. LAN (Local Area Network) sítě existují na území o velikosti několika desítek aţ stovek metrů. Typicky se jedná o sítě v rámci domácnosti, v bytě či domě nebo např. v rámci kancelářské budovy. V případě ţe se jedná o bezdrátovou lokální síť, můţeme se setkat také s označením WLAN (Wireless LAN). MAN (Metropolitan Area Network) sítě mají svůj územní rozsah typicky několik kilometrů. Nachází se především ve větších obcích a městech, kde síť tvoří např. propojení jednotlivých úřadů města. Můţe se však také jednat o síť poskytovatele telekomunikačních sluţeb, jehoţ MAN síť tvoří propojení mezi jednotlivými POP (Point Of Presence) body. WAN (Wide Area Network) sítě představují sítě propojující geograficky oddělená území. Jedná se o propojení měst nebo států, kdy vzdálenost typicky dosahuje několik desítek aţ stovek kilometrů (i více). Takovou sítí disponuje např. společnost Dial Telecom nebo ČDT. Větší WAN sítě provozují společnosti s mezinárodní působností, které zajišťují datové sluţby téměř výhradně telekomunikačním operátorům. Mezi ně patří TeliaSonera Internation Carrier, Interoute nebo Level3. V rámci jedné sítě je obvykle pouţito mnoho různých technologií, a to především v závislosti na geografické vzdálenosti uzlů sítě, dále pak na technických moţnostech, kterými lze spojení mezi uzly realizovat a v neposlední řadě také na finančních moţnostech vlastníka sítě (popř. obecně sponzora). Komunikace je v rámci datové sítě i mezi různými zařízeními zajištěna vţdy společným protokolem. V datových sítích převaţuje protokol IP (Internet Protocol), jehoţ první verze byly vyvíjeny v 70. letech minulého století. Tento protokol tvoří základ dnešního Internetu, a to pouze s drobnými úpravami jiţ více neţ 30 let. Současná verze IP protokolu je označována jako IPv4. Kaţdý uzel sítě, který komunikuje tímto protokolem, má svoji IP adresu. Tvoří ho 32bitové číslo, jehoţ zápis je častější ve formě čtveřice tečkou oddělených oktetů. V původním návrhu autoři tohoto

13 protokolu nepředpokládali tak velké rozšíření Internetu, jaké nastalo v 80. a 90. letech minulého století. Problém v posledních letech nastává právě kvůli velikosti adresného prostoru a jeho rostoucí vyuţití. Rozdělování IP adres bylo částečně zpomaleno díky implementaci pomocných technik pro jejich úsporu, jako je např. NAT (Network Address Translation), avšak je jiţ zcela zřejmé, ţe velikost adresného prostoru IPv4 brzdí celý Internet v jeho dalším rozvoji. Tento problém řeší inovovaná verze IP protokolu, IPv6. Adresa má velikost 128bitového čísla, coţ představuje více neţ 3,4 * moţných adres. Protokol je jiţ často implementován na páteřních sítích a ISP (Internet Service Provider), poskytovatelé internetového připojení, ho postupně zpřístupňují i koncovým uţivatelům. Základem kaţdé informační technologie jsou technické prostředky, tedy hardware (HW) a programové prostředky, tedy software (SW). V následující části se zaměřím na technické prostředky, které jsou nejčastěji vyuţívány v datových sítích. 2.1 Metalické sítě Komunikace s vyuţitím elektrických signálů je nejefektivnější za pouţití metalického kabelu, který propojuje komunikační zařízení mezi sebou. K výrobě takových kabelů se pouţívají materiály s dobrou vodivostí, nejčastěji měď. Fyzikální vlastnosti pouţitého materiálu určují důleţité parametry pro elektrický signál přenášený kabelem. Mezi ně patří např. hodnota útlumu signálu, která společně s technickými parametry koncových zařízení určuje maximální délku kabelového spojení mezi uzly sítě Dial-up Vytáčené připojení (Dial-up access) označuje dočasný přístup k datové síti s vyuţitím veřejné telefonní sítě PSTN (Public Switched Telephone Network). Pro realizaci datového spojení jsou pouţívána zařízení modulující a demodulující signál, tzv. modemy. Jednou z moţností, jak je realizováno spojení mezi modemy, je vyuţití běţných analogových telefonních linek, označovaných jako POTS (Plain Old Telephone Service). Technologie byla poprvé uvedena v roce 1979, později v 80. letech minulého století došlo k její standardizaci a rozšíření

14 Modem je označován jako DCE (Data Communications Equipment) a zařízení komunikující s modemem, nejčastěji počítač nebo router 1, je označováno jako DTE (Data Terminal Equipment). Komunikace mezi DCE a DTE zařízeními je upravena tzv. sérií V doporučení vydaných organizací ITU-T 2. V.8 definuje metodu určení modulace komunikace mezi dvěma DCE zařízeními V.21, V.23, V.27ter, V.29 - definuje komunikační rychlosti 300, 600/1200, 2400/4800 a 9600 baudů 3 V.25, V.25bis, V.25ter standardy pro automatizované vytáčení, odpovídání a řízení V.32bis, V.34, V.90 definuje komunikační rychlosti 14400, a aţ baudů Modem na straně poskytovatele čeká na příchozí telefonní hovor. V okamţiku potřeby datového spojení uţivatel prostřednictvím svého modemu vytočí telefonní číslo poskytovatele a vytvoří tak telefonní hovor. Veškerá komunikace mezi modemy probíhá po telefonní lince pomocí zvukových signálů. Po vytvoření telefonního spojení probíhá synchronizace spojení, při které si modemy dohodnou komunikační parametry včetně přenosové rychlosti, kterou budou spolu komunikovat. Rychlost vytáčeného připojení přes POTS linky byla v minulosti limitována hodnotou okolo bps (označováno jako V.34 rychlost). Dalšími vylepšeními byla zvýšena maximální rychlost, kterou mohou být data posílána ve směru od digitálního zdroje k modemu. Jedná se o standardy X2, 56 Kflex a V.90 (případně novější V.92). Nicméně pokud jsou na obou koncích pouţity POTS linky, potom má spojení maximální rychlost dle V.34 v obou směrech. V digitálních PSTN sítích se nachází zařízení zvané Codec, které zajišťuje převod hlasu z analogové do digitální podoby a naopak. Toto zařízení je potřebné pro zajištění zpětné kompatibility se starými analogovými telefony, které byly a stále ještě jsou hojně rozšířeny v době příchodu digitálních sítí. Z toho důvodu je většina telefonů v domácnostech jen jednoduchými analogovými zařízeními. [4] 1 Router je aktivní síťové zařízení, které zajišťuje proces routování (směrování) datagramů. 2 ITU-T (Telecommunication Standardization Sector) vytváří telekomunikační standardy ve formě doporučení závazných pro členy ITU ( 3 Baud je jednotka modulační rychlosti, udává počet změn stavu přenosového média za sekundu

15 Obr. 1: Model dvojité analogové konverze [4] Na obrázku 1 je znázorněn průběh digitálních a analogových signálů při realizaci vytáčeného spojení přes POTS linku. Při spojení dochází dvakrát ke konverzi na analogový signál na modemu uţivatele a na zařízení Codec při výstupu z PSTN (spojení s modemem poskytovatele). Vyšší přenosové rychlosti, i kdyţ jen ve směru k uţivateli, je moţné dosáhnout díky jiţ zmíněnému standardu V.90, a to aţ 56 kbps. To však vyţaduje připojení uţivatele k digitální ústředně a také aby bylo zařízení poskytovatele připojeno k PSTN digitálně. K tomuto účelu jsou vyuţívány T1/E1 linky, které přes dva měděné páry přenáší více kanálů najednou. To je moţné díky časovému multiplexu (TDM Time Division Multiplexing), který kaţdému kanálu přiděluje pro vysílání pouze krátký pevně definovaný časový úsek (time slot) a přenos jednotlivých kanálů se neustále opakuje v čase ve stejném pořadí v rámcích. Tím je docíleno, ţe kaţdý kanál je přenášen stejnou rychlostí. T1 linka přenáší 24 kanálů najednou, E1 dokonce 32 kanálů, jeden kanál je však vyhrazen pro signalizaci (v případě E1 je první kanál pouţitý pro synchronizaci rámců). Kaţdý jednotlivý kanál je vlastně B kanálem o kapacitě 64 kbps, tzn. T1 má kapacitu 1,544 Mbps a rozšířenější E1 dokonce 2,048 Mbps. Spojení realizované pomocí T1/E1 linky je vyhrazené, takţe je aktivní a neustále probíhá komunikace mezi připojenými zařízeními, dokonce i kdyţ není aktivní ţádný hovor. Linkami T1/E1 disponují především telefonní ústředny, přístupové servery (Access Servers) pro zajištění dial-up přístupu a další zařízení zajišťující přenos hlasových kanálů (např. bezdrátové spoje). [4] Dvoubodové vytáčené spojení mezi počítačem uţivatele a přístupovým zařízením poskytovatele je realizováno pomocí protokolu PPP (Point-to-Point Protocol), který provádí zapouzdření IP paketů (nebo i jiných protokolů síťové vrstvy). Protokol PPP tvoří tři hlavní části - metoda zapouzdření datagramů, protokol řízení spoje LCP (Link Control Protocol) a protokoly řízení sítě NCP (Network Control Protocol). LCP zajišťuje

16 navazování a udrţování spojení, jeho konfiguraci, testování a případně také autentizaci. Vrstva NCP (Network Control Protocol) zajišťuje přenos dat vyšších síťových protokolů. Rodinu NCP protokolů tvoří především IPCP (přenos IPv4), IPXCP (protokol IPX) a IPV6, přičemţ je moţné vyuţívat i více protokolů současně. Samotný PPP protokol podporuje kompresi a šifrování přenášených dat. Zmíněná autentizace je volitelnou, avšak zpravidla vyuţívanou součástí, kterou je moţné realizovat pomocí autentizačního protokolu. Nejjednodušší způsob autentizace nabízí protokol PAP (Password Authentication Protocol), který zajišťuje ověření uţivatele na základě ID a hesla. Oba údaje jsou však posílány sítí v nezašifrované podobě a pouze při vytváření spojení. Tyto slabiny se snaţí řešit pokročilejší protokol CHAP (Challenge- Handshake Authenticatoin Protocol), při jehoţ pouţití je heslo zasíláno v šifrovaném tvaru pomocí jednocestného algoritmu MD5 a výzva k ověření můţe být opakována i v průběhu jiţ existujícího spojení. Vlastní modifikaci tohoto protokolu vytvořila i firma Microsoft, která svou verzi označila jako MS-CHAP. Oproti CHAP protokolu má několik vylepšení, např. umoţňuje změnu hesla a na serveru je uloţeno pouze v nečitelné podobě. Později Microsoft některé nedostatky protokolu vylepšil v novější verzi MS-CHAPv2. Vývojový skok však představuje protokol EAP (Extensible Authentication Protocol), který významně rozšiřuje moţnosti ověření identity klienta. Velká výhoda tohoto protokolu spočívá zejména v centralizaci ověřování, kdy více přístupových zařízení můţe vyuţívat společnou databázi uţivatelů, coţ značně usnadňuje správu zejména velkých podnikových a přístupových počítačových sítí. [65] Vytáčené připojení je obecně povaţováno jiţ za technologicky překonanou minulost, avšak i přesto ho v Americe v roce 2009 stále pouţívalo 7 % domácností. [42] V České republice ho v roce 2008 vyuţívalo 5,8 % domácností. [8] ISDN Technologie ISDN (Integrated Services Digital Network) představuje další moţnost realizace vytáčeného připojení. Vyuţívá k tomu upravenou telefonní linku, která vytváří digitální propojení koncového zařízení s telefonní ústřednou. Na rozdíl od analogových POTS linek slouţí pro přenos digitální kanály. Jedná se o tzv. B kanály (bearer, nosič) s přenosovou rychlostí 64 kbps a tzv. D kanály (delta) pro signalizaci, přenos servisních informací. Při realizaci spojení je vyuţíván vţdy celý B kanál, takţe vlastní datové spojení má rychlost právě 64 kbps (popř. více při spojení více B kanálů)

17 Existují dva základní typy ISDN přípojek BRI (Basic Rate Interface) a PRI (Primary Rate Interface), které se liší počtem kanálů. Častěji vyuţívaná BRI přípojka se skládá ze dvou B kanálů a jednoho D kanálu. ISDN PRI přípojka je určena pro připojení pobočkových ústředen (je obdobou T1/E1). V Severní Americe a Japonsku se skládá z 23 B kanálů a jednoho D kanálu, v Evropě a Austrálii ji tvoří 30 B kanálů a jeden D kanál. Pro vyuţití v domácnostech a malých firmách je určena BRI přípojka. Tato přípojka je nejčastěji zřizována přeměnou klasické analogové telefonní linky (POTS), kdy dochází k přepojení v telefonní ústředně a úpravě zakončení na straně uţivatele. Telefonní vedení je ukončeno samostatně napájeným zařízením NT1 (Network Termination type 1), někdy také označované jako NTBA (Network Termination Basic Access), které mění standardní dvoudrátové U rozhraní na čtyřdrátové S/T rozhraní, k němuţ se připojují koncová ISDN zařízení. Pro připojení starších zařízení, jakými jsou např. analogový telefon, fax či modem, je zapotřebí tzv. terminal adapter (TA), který umoţňuje připojit analogová zařízení k digitální ISDN lince. [30] Schéma zapojení i analogových zařízení vyuţívajících ISDN BRI přípojku je znázorněno na obrázku 2. Obr. 2: Schéma zapojení v ISDN síti [56] Mezi výhody ISDN linky patří moţnost vyuţít oba B kanály současně. V praxi to znamená, ţe je moţné mít aktivní datové připojení a zároveň i telefonní hovor. Další významnou výhodou je moţnost B kanály spojit a vytvořit tak datové připojení o rychlosti 128 kbps (ovšem za cenu dvojnásobného hovorného, neboť kaţdý B kanál je zpoplatněn samostatně). Oproti vytáčenému spojení přes POTS je sestavení spojení také mnohem rychlejší. Obvykle je spojení sestaveno během 3 aţ 5 sekund

18 V České republice je moţné vyuţívat ISDN od roku 2001, avšak nepříznivá cenová politika Českého Telecomu a očekávaný příchod technologie DSL nedopřály velkému rozšíření do domácností. I přesto ho ještě v roce 2008 vyuţívalo 2,1 % domácností. [8] DSL Zmíněné technologie vytáčeného připojení přes POTS linku a ISDN vyuţívají telefonní síť, která je však svým charakterem dimenzována na přenos telefonních hovorů. Pokud bychom chtěli realizovat rychlejší připojení pro koncové uţivatele spojením více B kanálů a dostat se tak k rychlosti v řádu megabitů na přípojku, narazili bychom právě na limity telefonní sítě. Telefonní ústředny by nebyly schopné obsluhovat tak velké mnoţství spojení současně. Rostoucí poptávku po rychlých datových přenosech bylo potřeba uspokojit jinak, bez vyuţití telefonní sítě. Existence drátů spojujících uţivatele a telefonní ústřednu (místní smyčka) je však zásadní a s nápadem jejich vyuţití k přenosu dat vznikla na začátku 90. let 20. století technologie DSL (Digital Subscriber Line), resp. xdsl - jedná se o souhrnný název pro technologie vyuţívající místní smyčku. DSL vyuţívá na maximum přenosový potenciál existujícího metalického spojení (místní smyčky). Z pohledu uţivatele je před vstupem linky do první telefonní ústředny zajištěno odbočení dat a jejich vedení dále adekvátně dimenzovanou datovou sítí. Jde v podstatě o rozšíření moţností pevné telefonní linky bez zásahu do telefonní sítě. Technologie DSL v některých variantách můţe koexistovat s analogovým přenosem hlasu (popř. i ISDN) na stejných drátech, nijak ho neovlivňuje ani neomezuje. Obr. 3: Odbočení datového toku DSL [37] Rozdíly mezi jednotlivými variantami technologie xdsl jsou v rozdílném vyuţití v praxi, ale samozřejmě také v jejich technické specifikaci především rychlost přenosu

19 dat, pouţitá modulace a maximální vzdálenost od ústředny. Přehled variant digitálních přípojek pro širokopásmové přístupové sítě je uveden v tabulce 1. Tabulka 1: xdsl varianty digitálních přípojek [22][54] Označení ADSL SDSL HDSL VDSL Rychlost přenosu (upstream) 160 aţ 768 kb/s 2,048 Mb/s 2,048 Mb/s do 6,4 Mb/s Rychlost přenosu (downstream) 1,544 aţ 9 Mb/s 2,048 Mb/s 2,048 Mb/s do 52 Mb/s Maximální délka vedení 2,7 aţ 5,5 km 2 aţ 3 km 3 aţ 4 km 0,3 aţ 1,5 km Počet párů vedení nebo 3 1 Kódování kanálu CAP / DMT CAP / DMT 2B1Q (CAP / DMT / DMWT) Šířka pásma do asi 1 MHz do asi 240 do asi 240 khz khz do asi 30 MHz Základní přístup ISDN ne částečně ne ano Základní pásmo POTS ano částečně ne ano Datové spojení na místní smyčce je realizováno pomocí DSL modemu na straně uţivatele a zařízením DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) na straně poskytovatele, který bývá umístěn v prostoru ústředny telefonního operátora. DSLAM je přístupový koncentrátor, na který bývá připojeno běţně několik stovek popř. aţ několik tisíc uţivatelů. DSLAM od Huawei je zobrazen v příloze č. 1. V prostoru telefonní ústředny můţe být umístěno i několik těchto zařízení různých internetových poskytovatelů, kteří pak mají dále zajištěno vysokorychlostní páteřní připojení k jejich síti. Nejrozšířenější technologií pro vysokorychlostní přenos dat na místních smyčkách je ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Jedná se o dvoudrátovou variantu technologie xdsl, která představuje perspektivní specifikaci s asymetrickým systémem přenosu. Výrazně vyšší kapacita je v příchozím směru (downstream), kde dosahuje aţ 9 Mbps. Odchozí směr (upstream) se rychlosti pohybují v rozmezí 160 kbps aţ 768 kbps. V praxi bývá ADSL nasazováno především pro připojení k Internetu pro koncové uţivatele, kteří mnohem více vyuţívají příchozí směr neţ odchozí

20 Pro přenos jsou pouţity na obou koncích ADSL modemy s kódováním CAP (Carrierless AM/PM) nebo DMT (Discrete Multitone). Modulace DMT obsluhuje 255 kanálů s šířkou pásma 4 khz. U kaţdého dílčího kanálu je průběţně monitorována kvalita přenosu (útlum, chybovost atd.) a podle toho je adaptivně rozkládán celkový datový tok do vhodných kanálů. Tímto je vcelku dobře zajištěna funkčnost i v případech, kdy dochází k nepříznivým vlivům pouze na části frekvenčního spektra, zatímco jiné oblasti jsou pro přenos ještě vyhovující. [37] Pokud je potřeba přenášet na stejném dvoudrátovém vedení také hovorový kanál (POTS), je zapotřebí zapojit tzv. splitter, který odděluje hovorový kanál, tedy frekvenční pásmo do 4 khz, od signálů pro širokopásmový přenos dat (Broadband). Technologie ADSL vyuţívá pro širokopásmový přenos dat frekvence od cca 26 do 138 khz pro odchozí směr od uţivatele, vyšší frekvence od 138 khz do 1,1 MHz pak pro příchozí směr. Kmitočtové vyuţití kabelového vedení je znázorněno na obrázku 4. Obr. 4: Využití přenosového pásma technologií ADSL [37] Druhá generace technologie ADSL dostala označení ADSL2. Jejím přínosem bylo zejména zavedení flexibilní struktury rámce bez pevné délky, která dovolila podstatně sníţit reţii přenosu a tedy zvýšit přenosovou rychlost v příchozím směru. ADSL2 nově přichází s moţností plně digitálního reţimu ADM (All Digital Mode), kdy se obsazuje celé pásmo digitálním přenosem jiţ od 1. subkanálu. Díky tomuto je propustnost v odchozím směru aţ přes 2 Mbps (ITU-T G ANNEX J). Na dlouhé vzdálenosti je určena varianta RE-ADSL2 (Reach Extended), kde je pásmo pro upstream naopak zúţeno, aby se eliminoval přeslech typu NEXT. Zúţeno je také pásmo pro downstream, protoţe na velké vzdálenosti se nevyuţije kmitočtů blízkých 1 MHz

21 Velké zvýšení maximální dostupné přenosové rychlosti je však nejjednodušeji moţné dosáhnout rozšířením kmitočtového pásma. Touto cestou šla varianta ADSL2+ (doporučení ITU-T G.992.5), která vyuţívá pásmo aţ do 2,208 MHz. Maximální přenosová rychlost je 24 Mbps při vzdálenosti do cca 1 km od ústředny. Rychlost však s rostoucí délkou vedení rychle klesá, takţe vyšší rychlost oproti klasickému ADSL poznají uţivatelé především ve městech, kde jsou místní smyčky obvykle kratší. [58] V oblasti připojení k Internetu pro firmy pak našla své místo také varianta SDSL (Symmetric DSL), která má stejnou rychlost 2 Mbps jak v příchozím, tak i v odchozím směru. Stejnou přenosovou rychlost disponuje i HDSL (High bit-rate DSL), navíc však díky vyuţití více páru metalického vedení dokáţe fungovat i na větší vzdálenosti. Obě technologie SDSL a HDSL vyuţívají především firmy, které potřebují ve větší míře vyuţívat kapacitu v odchozím směru (např. komunikace mezi pobočkami) nebo jednoduše jako ekonomicky výhodnější alternativu oproti ISDN PRI přípojkám nebo E1 linkám. Neustále rostoucí objem datových přenosů, díky stále větším dokumentům i multimediálnímu obsahu, podnítilo postupné zvyšování poptávky po rychlejším spojení. Řešením můţe být technologie VDSL (Very high bit-rate), která oproti zmíněným variantám nabízí vyšší přenosové rychlosti, na druhou stranu však za cenu sníţení dosahu. Tato technologie však stále není příliš rozšířena, tedy kromě Japonska a Jiţní Koreje. Má výborné výkonnostní charakteristiky při vyuţití jednoho páru metalického vedení místní smyčky. V příchozím směru nabízí aţ 52 Mbps, avšak pouze při vzdálenosti do 300 m od ústředny, s rostoucí vzdáleností pak rychlost klesá 26 Mbps do 1 km a 13 Mbps do 1,5 km. V odchozím směru je maximální rychlost 6,4 Mbps při vzdálenosti do 300 m, dále pak 3,2 Mbps do 1 km a 1,6 Mbps do 1,5 km. VDSL můţe být také provozováno v symetrickém reţimu, v němţ je maximální rychlost v obou směrech 26 Mbps při vzdálenosti do 300 m a dále rychlost klesá s narůstající délkou vedení. Dosah je však oproti asymetrické variantě zhruba dvounásobný (max. 2,3 Mbps při délce vedení do 3,5 km). Oba reţimy vyuţívají kmitočtový duplex (FDD Frequency Division Duplex) a jako modulaci QAM (Quadrature Amplitude Modulation) nebo DMT. Širokopásmový přenos vyuţívá frekvenční pásmo od 138 khz aţ do 30 MHz, kdy spodní hranice bývá posunuta výše (na 300 khz) pro eliminaci rušení s jinými systémy VDSL můţe koexistovat s POTS i ISDN zároveň na jedné lince. Horní konec pásma bývá nevyuţit, vyuţívané frekvenční pásmo končí na 12 MHz (dle doporučení ITU-T G.993.1). [47]

22 V rodině xdsl je nejmladší technologií VDSL2, která byla standardizována doporučením ITU-T G v roce Jedná se však o poměrně komplexně pojatý standard definující řadu profilů, které se odvíjejí od horního kmitočtu pásma (8, 12, 17 nebo 30 MHz) a celkového maximálního výkonu. Vyšší horní kmitočet pásma i větší šířka pásma oproti předchozí generaci této technologie přináší samozřejmě zvýšení maximální přenosové rychlosti (50, 68, 100, resp. aţ 200 Mbps podle zvoleného profilu), ale i zvýšení nároků na kvalitu metalického vedení. Dále existuje několik variant podle pouţití nejspodnějšího pásma např. VDSL2 over POTS umoţňuje koexistenci s klasickou analogovou hlasovou sluţbou na stejné lince, protoţe spodní kmitočet pásma začíná aţ na 26 khz nebo VDSL2 over ISDN dovoluje provoz zároveň i ISDN sluţbou, neboť jeho dolní část kmitočtového spektra začíná aţ na 138 khz. Kromě vysoké rychlosti je klíčovou výhodou také schopnost provozu na delší vzdálenosti při zachování podobné přenosové rychlosti jakou má při stejné vzdálenosti ADSL2+. Pro telekomunikační operátory je důleţitou výhodou moţnost nasazení VDSL2 souběţně s ADSL, tzn. operátor nemusí najednou vyměnit všem svým zákazníkům jejich modemy za nové podporující VDSL2. [59] V České republice je ADSL jedním z nejpouţívanějších způsobů připojení k Internetu a jeho obliba neustále roste. V roce 2008 ho za tímto účelem vyuţívalo 9,2 % všech domácností, resp. 22,1 % domácností připojujících se k Internetu. [8] CATV V druhé polovině 20. století došlo k velkému rozšíření televizního vysílání, které bylo šířeno analogovým signálem zejména prostřednictvím sítě pozemních vysílačů. Plánování umístění jednotlivých vysílačů bylo provedeno s ohledem na záměr pokrytí co největšího území a zároveň tak, aby televizní vysílání bylo dostupné co největšímu počtu obyvatel. Existovaly však také oblasti, kde byl signál slabý či rušený. V případě bytových domů bylo často řešením umístění antény na střechu domu, tedy na místo s nejsilnějším přijímaným signálem a následně protaţením koaxiálního kabelu přes všechny byty, s průchozí zásuvkou v kaţdém z nich. Takto zřízené kabelové trasy jsou označovány jako STA (společná televizní anténa) nebo televizní kabelový rozvod (TKR). Společně s výstavbou panelových domů a celých sídlišť se rozšířily také instalace TKR, se kterými bylo počítáno jiţ při stavbě domu. Přesto se však vyskytovaly případy, kdy přijímaný televizní signál jednoho či více kanálů nebyl na uspokojivé úrovni. V období po sametové revoluci v této oblasti vycítily obchodní příleţitost nově zřizované

23 společnosti, jejichţ název zpravidla obsahoval slova kabelová televize. Tyto společnosti zřizovaly nové TKR převáţně v panelových domech a zajišťovaly jejich připojení ke zdroji kvalitního televizního signálu (zpravidla pomocí nově budovaných kabelových tras napříč městem). Účastník kabelové sítě odebírající takto distribuovaný televizní signál pak dostal vţdy kvalitní obraz a zvuk, za který byl ochoten zaplatit. Kabelové televize ve svých sítích navíc začaly vysílat i další televizní programy jako např. program regionální televize, čímţ významně posílily zájem o kabelovou televizi u koncových zákazníků. Sítě kabelové televize jsou dnes dostupné ve většině i menších měst a jsou stále velmi oblíbené, především kvůli kvalitě televizního signálu a jednoduchosti zapojení u uţivatele. Zkratka CATV původně vznikla od Community Antenna TV (společná televizní anténa pro komunitu příjemců), dnes však pod označením CATV chápeme spíše Cable TV (kabelovou televizi). Rozvody CATV jsou realizovány zpravidla pomocí koaxiálních kabelů, které představují vysoce kvalitní přenosové médium, vhodné také pro aplikaci datových přenosů. Původní CATV sítě byly koncipovány pro jednosměrnou distribuci TV signálu. V případě implementace datových přenosů je tedy potřeba zavést zpětný kanál (upstream), který je umístěn nejčastěji na dolním okraji přenosového pásma. V praxi to ale obvykle znamená výměnu všech aktivních prvků za nové, které umoţňují průchod signálů v obou směrech. Zařízení zajišťující datovou komunikaci v síti kabelové televize se označuje jako headend nebo CMTS (Cable Modem Termination System), které zpravidla bývá umístěno v hlavní stanici provozovatele kabelové sítě. Hlavním úkolem tohoto zařízení je modulace signálu ze vstupního ethernet rozhraní na výstupní rozhraní, které je reprezentováno koaxiálním výstupem do CATV sítě. Ve zpětném směru dochází naopak k demodulaci signálu z kabelové sítě. Data jsou tedy v kabelové síti přenášena signálem, který se skládá ze dvou kmitočtově oddělených kanálů. Downstream a upstream se v koaxiální síti chovají jako dva TV kanály umístěné na speciální kmitočty, jejichţ umístění je závislé na pouţitém standardu a také konkrétní konfiguraci sítě. Na straně uţivatele demodulaci a modulaci signálu zajišťují kabelové modemy. [18] Do poloviny devadesátých let minulého století ale neexistoval ţádný oficiální standard pro komunikaci v kabelových sítích, přestoţe si to rychle rozvíjející trh ţádal. Zejména organizaci ITU-T trvalo příliš dlouho schválení standardu, proto sdruţení podnikatelů předběhlo tvorbu oficiálních norem a vypracovalo průmyslový standard. Tyto společnosti chtěly prostřednictvím rozvodů kabelové televize začít poskytovat připojení k Internetu. K tomu však potřebovaly rychle získat jednoduché a levné řešení,

24 které by bylo moţné nasadit ve velkém měřítku. Za tímto účelem se v roce 1996 sdruţily a jiţ po roce společné práce byl specifikován první neoficiální průmyslový standard DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) verze 1.0. Tento standard specifikoval dopředný kanál o šířce 6 MHz, coţ odpovídá šířce pásma zabraného jedním televizním kanálem, a poskytovatel ho můţe umístit libovolně do frekvenčního rozsahu 91 aţ 857 MHz (horní mez můţe být niţší, záleţí na parametrech sítě). Přenosová rychlost závisí na šířce pásma a typu pouţité modulaci. Nejčastěji pouţívaná modulace je kvadraturní amplitudová modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation), konkrétně 64-QAM nebo 256-QAM, při jejichţ pouţití je moţné dosáhnout maximální přenosové rychlosti 27,9 Mbps, resp. 39,4 Mbps. Zpětný kanál leţí v rozsahu frekvencí 5 aţ 42 MHz a pro jeho sdílení se vyuţívá časový multiplex TDMA (Time Division Multiple Access). Jeho šířka můţe být 200, 400, 800, 1600 nebo 3200 khz. Vyuţívané kmitočtové pásmo je však mnohem více ovlivňováno elektromagnetickým rušením od bezdrátových uţivatelů těchto frekvencí, proto se pouţívají modulační schémata s vyšší odolností proti rušení 16-QAM nebo častěji QPSK. Odolnější a častěji pouţívaná modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) moduluje digitální data pomocí změny fáze nosného signálu. Při pouţití této modulace a šířce pásma 3,2 MHz činí přenosová rychlost 5,12 Mbps. QAM modulace vyuţívá pro přenos dat symbolů vytvořených pomocí kombinace amplitudového a fázového klíčování. Jde o vícestavovou modulaci, která přenáší v jednom symbolu více bitů najednou, avšak s rostoucím počtem stavů roste i náročnost na kvalitu přenášeného signálu. Rychlý vývoj standardu však znamenal i jistou technickou nedokonalost specifikace, která nijak neřešila zajištění QoS (Quality of Service). Provoz aplikací vyţadující rychlou a stabilní odezvu, jako např. IP telefonie nebo video na přání, tedy nebylo moţné provozovat se zaručenou kvalitou. Proto byla v roce 1999 vydána nová verze DOCSIS 1.1, která původní verzi především rozšířila o chybějící podporu QoS a vylepšila vlastnosti upstreamu. Šířka zpětného kanálu mohla být nově aţ 6400 khz, takţe dvounásobným zvětšením šířky pásma došlo také ke dvounásobnému zvýšení maximální přenosové rychlosti na 10,24 Mbps. Tato rychlost je ale agregována mezi uţivateli v daném segmentu kabelové sítě, takţe koncový uţivatel můţe vyuţívat obvykle pouze její malou část. Během následujících let po zavedení bylo v praxi ověřeno, ţe rychlost datových přenosů právě v odchozím směru je potřeba ještě zvýšit

25 Obr. 5: Protokolový sloupec DOCSIS v porovnání s vrstvami RM-OSI [19] V roce 2003 byla certifikována nová verze DOCSIS 2.0, která zachovávala plnou kompatibilitu s předchozími verzemi. Verze 2.0 rozšířila zpětný kanál o nové přístupové metody A-TDMA (Advanced TDMA) a S-CDMA (Synchronous CDMA) - vhodné pro multimediální aplikace. Modulační schémata byla rozšířena o další vícestavová kódování 32-QAM, 64-QAM a 128-QAM. Maximální rychlost v upstream kanálu je 30,72 Mbps. Organizace ITU-T vytvořila ještě před samotným vznikem DOCSIS 1.0 v roce 1994 pracovní skupinu Cable TV Media Access Control and Physical Protocol Working Group, která měla do konce roku 1995 připravit příslušný standard. Přijetí standardu se stále oddalovalo, aţ v roce 1998 bylo schváleno doporučení ITU-T J.112, které bylo vlastně pouze vylepšením tehdy jiţ existujícího standardu DOCSIS. Za účelem standardizace datových přenosů v sítích kabelové televize v Evropě vzniklo v roce 1998 European Cable Modem Consorcium, které si jako budoucí standard zvolilo doporučení ITU-T J.112 a standard dostal přijatelnější název EuroDOCSIS. Ve své podstatě kopíruje americký DOCSIS, ale navíc ho v některých charakteristikách vylepšuje. Downstream kanál je realizován v rozmezí 96 aţ 864 MHz a jeho šířka je zvětšena na 8 MHz. To umoţňuje zvýšení maximální přenosové rychlosti aţ na 42 Mbps při modulaci 64-QAM, popř. při pouţití 256-QAM aţ na 56 Mbps. Upstream kanál je moţné realizovat ve zvětšeném frekvenční rozsahu od 5 do 65 MHz, takţe je moţné ho umístit na vyšší frekvence a tím se vyhnout problémům s rušením ve spodní části pásma. Po vzoru

26 amerického DOCSIS 1.1 existuje i další evropská verze EuroDOCSIS 1.1, také rozšířena především o zajištění kvality sluţeb (QoS). [19] Nejnovější verze DOCSIS 3.0 schválená v roce 2006 významně posunula maximální rychlost v obou směrech. Významným vylepšením je i podpora protokolu IPv6. Zvýšení rychlosti je moţné díky spojování kanálů (channel bonding), které spojuje minimálně 4 kanály a vytváří tak vysokorychlostní datové spojení o rychlosti 200 Mbps v dopředném směru. Spojení více neţ 4 kanálů je moţné, maximální počet spojených kanálů není definován, takţe vlastně ani hranice maximální rychlosti datového spojení není definována. Ke stejnému spojování kanálů dochází i ve zpětném směru, kde je rychlost aţ 108 Mbps, resp. při spojení více kanálů i více. [11] V České republice existuje několik provozovatelů kabelové televize, např. ELSAT, SELF servis, K+K cable nebo BKS Capital Partners. Největší a nejznámější je však určitě společnost UPC Česká republika, která v uplynulých letech provedla akvizici několika konkurenčních kabelových společností. Připojení k Internetu přes UPC vyuţívalo v roce 2009 více neţ 350 tis. zákazníků. Celkově v ČR přístup k Internetu přes kabelovou televizi v roce 2008 vyuţívalo aţ 9 % domácností, které mají připojení k Internetu. [8] Ethernet Nejrozšířenějším standardem v lokálních počítačových sítích LAN je Ethernet, jehoţ specifikaci definovala organizace IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) v rámci pracovní skupiny 802. Přístupová metoda pouţívaná v sítích standardu Ethernet je CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), která byla převzata z radiové sítě, ve které má k přenosovému médiu (éteru) přístup kaţdý. V případě vysílání dvou či více účastníků zároveň dochází ke kolizi, přístupová metoda však s nimi jiţ počítá a takové kolize řeší. Stanice sledují na sdíleném médiu vlastní vysílání a mohou tedy zjistit, zda nedošlo k porušení vlastních dat (tzn. kolizi s jiným vysíláním). Pokud některá ze stanic detekuje kolizi, pak vysílání přeruší a vyšle ostatním stanicím signál JAM, čímţ dojde k přerušení vysílání všech stanic. Kaţdá ze stanic se pokusí vysílat znovu aţ po náhodně dlouhé pauze, takţe je málo pravděpodobné, ţe by dvě stanice začaly vysílat opět ve stejném okamţiku. [22] Existuje více modifikací Ethernetu dle pouţitého fyzického média. Všechny pouţívají nejen uvedenou přístupovou metodu k médiu, ale i stejný formát a velikost rámce, který je definován na první a druhé vrstvě referenčního modelu OSI. Spojová vrstva je v normách IEEE 802 rozdělena na dvě podvrstvy LLC a MAC. LLC (Logical Link

27 Control) je definována normou IEEE a řídí spojení mezi uzly sítě, jejich vytváření a rušení. MAC (Medium Access Control) zajišťuje řízení přístupu k médiu, která určuje časový multiplex a kontroluje rámce. Základní částí Ethernet rámce je hlavička (Preamble), která definuje typ rámce, Ethernet II nebo IEEE Oba typy rámců mohou koexistovat ve stejné síti. Definice rámce Ethernet II je historicky starší a dále obsahuje pole cílová adresa (Destination Address), adresa odesílatele (Source Address), velikost rámce (Length), datové pole obsahující data vyšších vrstev o velikosti 46 aţ 1500 bytů a kontrolní součet rámce FCS (Frame Check Sequence). Druhý typ rámce dle z něho vychází a doplňuje ho o rámec LLC dle Tento rámec je společný i pro další přenosové technologie, takţe jde o sjednocení linkového rámce, čímţ je umoţněna snazší návaznost a koexistence různých přenosových technologií. [36] Modifikace standardu Ethernet souvisí s přenosovým médiem, přes které je přenos dat realizován. Název kaţdého standardu se skládá ze tří částí, z nichţ první označuje přenosovou rychlost, další část slovem Band určuje, ţe přenášený signál je signálem základního pásma (data tečou proudem v jednom signálu) a poslední část označuje přenosové médium nebo variantu specifikace. Pro lokální sítě se sběrnicovou topologií s vyuţitím koaxiálního kabelu byl definován standard IEEE 802.3a, označovaný také jako Thin-Ethernet nebo 10Base2. Rychlost sítě je 10 Mbps v reţimu half duplex, tzn. přenosová kapacita je sdílena oběma směry. Stanice jsou připojeny ke sběrnici pomocí bajonetového T konektoru BNC (Bayonet Connector) a maximální délka kabelu mezi dvěma stanicemi je 185 m. V případě potřeby realizace propojení stanic na ještě větší vzdálenost, a to aţ na 500 m, je moţné síť realizovat pomocí 10Base5, tzv. Thick-Ethernetu, který však pouţívá dobře stíněné koaxiální kabely o tloušťce 10mm. Sítě zaloţené na standardech 10Base2 a 10Base5 se dnes jiţ nepouţívají. V masovém měřítku je nahradily sítě vyuţívající jako přenosové médium kroucenou dvojlinku (TP Twisted Pair) v hvězdicové topologii. [17] Nejstarším definovaným standardem Ethernetu pro přenos dat po kroucené dvojlince je 10Base-T (IEEE 802.3i). Specifikace vyţaduje nestíněnou kabeláţ UTP (Unshielded TP) nebo stíněnou STP (Shielded TP) nejméně kategorie 3 a zapojení do hvězdy s aktivními rozbočovači, tzv. huby. Ethernet hub má funkci víceportového opakovače signálu, které přijatý signál na jednom z portů opět vyšle na všechny ostatní porty. Maximální délka kabelu mezi rozbočovačem a stanicí, bez potřeby jakéhokoliv

28 zesílení signálu, je 100 m. Kaţdá strana kabelu je zakončena konektorem RJ45, jehoţ instalace se provádí pomocí krimpovacích kleští. Komunikace stanic při pouţití Ethernet hubu je ale neefektivní, neboť zbytečně vytěţuje i propojení se stanicí, pro níţ právě přenášená data nejsou určena. Tuto neefektivitu řeší sloţitější zařízení, tzv. switch, který pracuje na druhé vrstvě modelu OSI. Toto zařízení pracuje s ARP tabulkou (Address Resolution Protocol), do které si zapisuje 48bitové MAC adresy zachycené v příchozích rámcích na jednotlivých portech. V případě vzájemné komunikace dvou stanic tedy nejsou nijak dotčeny ostatní spojení se stanicemi. Přepínač, tedy switch, umoţnil vznik tzv. plně duplexního Ethernetu (Full Duplex), který teoreticky zdvojnásobuje přenosovou kapacitu spojení v jednotlivých segmentech sítě. Dnes jsou pravděpodobně nejrozšířenější lokální sítě postavené na standardu 100Base-TX (IEEE 802.3u), označovaného také jako Fast Ethernet. Jeho rychlost je aţ desetinásobná ve srovnání s jeho předchůdcem, tedy 100 Mbps. Vyšší rychlost však vyţaduje UTP kabel minimálně kategorie 5 nebo vyšší. Stejně jako u 10Base-T je samotný přenos dat realizován pouze přes dva páry kroucené dvojlinky. Také ostatní parametry jsou shodné, proto jsou s ním Fast Ethernet zařízení zpravidla kompatibilní (zařízení obvykle nesou označení 10/100). Nedlouho po vydání specifikace Fast Ethernetu mezi uţivateli začal růst poptávka po rychlejším přenosu dat v LAN sítích. Proto v roce 1995 začala IEEE pracovat na ještě rychlejší variantě Ethernetu. Po necelých třech letech práce byla v roce 1998 schválena nejdříve norma IEEE 802.3z, která definuje přenos o rychlosti 1000 Mbps po optických vláknech. Definice standardu pro metalické kabely trvala trochu déle kvůli hledání optimálního řešení přenosu signálu přes tehdy nejrozšířenější UTP kabeláţ kategorie 5. Nakonec byla v roce 1999 schválena norma IEEE 802.3ab (standard 1000Base-T), definující Gigabit Ethernet pro čtyřpárový UTP kabel kategorie 5, jehoţ parametry musí odpovídat standardu ANSI/TIA/EIA-568-A. V praxi je pak doporučováno pouţít UTP kabel kategorie 5E (Enhanced) s vylepšenými přenosovými charakteristikami nebo kategorii vyšší, přičemţ maximální délka segmentu je stále 100 m. [1][24] Aktivní síťové prvky s 1000Base-T rozhraním jsou dnes jiţ poměrně cenově dostupné a stále více jsou osazovány do stávajících doposud pouze 100 megabitových sítí. Gigabitový Ethernet je stejně jako předchůdci zpětně kompatibilní, takţe nahrazování starších zařízení v síti můţe probíhat postupně a zcela s minimálními dopady na její provoz. Cesta uspokojování rostoucích nároků na přenosovou rychlost však u rychlosti jedné miliardy bitů za sekundu nekončí

29 Datový tok z lokální sítě je obvykle potřeba přenést přes agregované rozhraní do jiné lokality, typicky připojení lokální sítě k WAN síti. Pro realizaci těchto propojení je nejperspektivnějším médiem optické vlákno, neboť přenáší světelné signály. Organizace IEEE jiţ v roce 2002 schválila standard 802.3ae, kterým byly dokončeny práce na vývoji Ethernet rozhraní o rychlosti 10 Gbps s přenosem po optickém vlákně. Samozřejmě byla snaha zrychlit také ty rozšířenější sítě s UTP kabeláţí, ale nejrozšířenější kategorie 5 nemá vyhovující technické parametry. Jedná se především o nedostačující schopnost potlačení rušivých signálů z vnějšího prostředí, tedy nevyhovující hodnota PSANEXT (Power Sum Alien Near End Cross Talk). Mnohem lepší odolnost proti rušení má stíněná kabeláţ, která se ukázala jako jediné vhodné řešení pro nově vznikající specifikaci. V roce 2006 byl schválen standard 802.3an (10GBASE-T), který dovoluje pouţití pouze na stíněném STP kabelu minimálně kategorie 6A s maximální délkou segmentu 100 m. V případě pouţití kabelu niţší kategorie je moţné očekávat problémy. [44] Pouţití kabelů kroucené dvojlinky při výstavbě počítačových sítí je velmi rozšířené. UTP kabel je tenký - má průměr 5,5 mm, je moţné ho ohýbat podle potřeby a vytvořit na něm koncovku RJ45 během několika minut. Stále častěji prováděná instalace těchto kabelů v kancelářích, domech, bytových komplexech a jiných budovách vedla časem k vyvinutí ucelené a dobře propracované představy o způsobu budování rozvodů, která dostala označení strukturovaná kabeláţ. První normou pro strukturovanou kabeláţ vydanou v roce 1991 byla ANSI/TIA/EIA 568. Norma byla o čtyři roky později aktualizována a navázala na ní také první verze mezinárodní normy ISO/IEC Tyto normy byly později aktualizovány a doplňovány v souvislosti s vývojem nových specifikací Ethernetu. Základní myšlenkou je realizovat kabelové rozvody tak, abychom je zítra nemuseli předělávat. Z tohoto důvodu se kabelové rozvody realizují do všech místností v budově, i kdyţ v některých z nich dnes připojení poţadováno není. Pro minimalizaci nebezpečí poruch a závad je ţádoucí pouţití kvalitních kabelů a dalších pasivních síťových prvků. Důleţitou vlastností strukturované kabeláţe je univerzální vyuţití pro různé aplikace, tedy nejen pro počítačové sítě, ale i např. pro zabezpečovací zařízení nebo telefony. Dlouhou ţivotnost strukturované kabeláţe potvrzuje také záruka, která je na ni poskytována, a to obvykle v rozmezí 10 aţ 25 let. [39] Přestoţe je strukturovaná kabeláţ natolik univerzální, ţe je na ní moţné provozovat i různé komunikační sítě, tak její stromovitá topologie nejlépe odpovídá filosofii Ethernetu. Jeho specifikaci odpovídá také maximální délka kabelového propojení mezi účastnickou zásuvkou a zásuvkou v rozvodné skříni (tzv. patch panelem), která je stanovena na 90 m

30 (rezerva pro propojovací kabely, jejichţ celková délka by neměla přesáhnout délku 10 m). V rozvaděčové skříni má tedy zakončení kaţdá účastnická zásuvka, kterou je moţné pomocí propojovacího kabelu (tzv. patch kabelu) propojit s přepínačem či jiným aktivním síťovým prvkem. V příloze č. 2 je moţné nalézt ukázku rozvaděče se strukturovanou kabeláţí. Výhodou zakončení v patch panelu je především modulární řešení, díky kterému máme moţnost kdykoli provést změnu v zapojení, např. při stěhování pracovníka do jiné místnosti je moţné přepojením patch kabelu jeho přípojku také jednoduše přestěhovat a zachovat tak připojení uţivatele ve stejném portu aktivního prvku. Ethernet rozhraní je kromě sítí stavěných na strukturované kabeláţi moţné nalézt také v DSL a kabelových modemech, síťových tiskárnách a v jednoúčelových či jiných zařízeních. Velkou výhodou tohoto rozhraní je jednoduché zapojení a jeho velké rozšíření, prakticky kaţdý přenosný počítač tímto rozhraním disponuje. Propojení DSL modemu s Ethernet portem a počítače je moţné realizovat zapojením patch kabelu mezi zařízeními. V zápětí IP protokol provede automatickou konfiguraci rozhraní počítače pomocí DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) a poté je moţné začít komunikovat s připojeným zařízením, není třeba instalovat ţádné ovladače zařízení do počítače, jako je tomu např. v případě propojení pomocí USB portu. V některých bytových domech je realizována strukturovaná kabeláţ také lokálními poskytovateli připojení k Internetu, tzv. lokálními ISP (Internet Service Provider), právě za účelem zajištění internetového připojení jednotlivým domácnostem bytového domu. Ve většině případů se však jedná spíše pouze o rozvody UTP kabelů s prvky strukturované kabeláţe, neboť kabelové trasy do jednotlivých bytů jsou zřizovány postupně, dle zájmu o vyuţití sluţeb poskytovatele a málokterý poskytovatel disponuje profesionálními měřícími přístroji, aby mohl změřit parametry instalované kabeláţe a porovnat s hodnotami vyţadovanými platnými normami pro strukturovanou kabeláţ. 2.2 Optické sítě Přenos dat pomocí elektrických signálů v metalických kabelech má několik nevýhod, které se projeví zejména na dlouhých vedeních (v řádu kilometrů a více). Mezi problémové záleţitosti patří např. velký útlum signálu, interference a indukce elektrického napětí na kabelu, které jsou však minimalizovány či zcela eliminovány při pouţití optoelektroniky. Přenosovým médiem optických signálů jsou optická vlákna, resp. skleněná vlákna, která jsou vyrobena z oxidu křemičitého SiO 2 velké čistoty. Díky čistotě

31 materiálu je dosaţeno malého útlumu světelného signálu, takţe optická vlákna jsou vhodné pro realizaci spojení na velkou vzdálenost, a to i několik desítek kilometrů. Nejmenší útlum signálu vykazují optická vlákna pouze při určité vlnové délce. Pro přenos se tedy pouţívají prakticky pouze vlnové délky 850 nm, 1310 nm a 1550 nm. Optická vlákna dělíme na dva základní typy podle toho, zda světelné impulsy tvoří jeden či více paprsků, na mnohovidová (multimode) a jednovidová (singlemode). [22] Technologie mnohovidového přenosu pouţívá relativně jednodušší generátor světelných impulzů, např. LED (Light-Emitting Diode). Světelný impulz tvoří několik světelných paprsků (tzv. vidů) současně. Kaţdý z vidů vstupuje do optického vlákna pod jiným úhlem a také v něm se odráţí jinak. V důsledku toho mají vidy různě dlouhou dráhu a v rámci jediného světelného impulzu dorazí k detektoru kaţdý v jiném okamţiku. Detektor však rozlišuje pouze sumu přijatého světla, takţe přijímaný signál vnímá zkresleně. Míra zkreslení však nesmí překročit určitou maximální mez, aby bylo moţné správně rozlišit přenášenou informaci. Z tohoto důvodu mají mnohovidová vlákna relativně malý dosah, typicky dva kilometry. Pouţití technologie přenosu světelného impulzu pouze jediným videm značně zvyšuje maximální délku optické trasy, která se pohybuje v řádu desítek kilometrů (popř. i více v závislosti na aktivních prvcích). Jednovidová vlákna mají jádro o velmi malém průměru, typicky 9 µm, zatímco mnohovidová mají jádra o průměru 50 nebo 62,5 µm. K přenosu po jednovidových vláknech se pouţívá světlo laseru, k jehoţ generování a detekci je zapotřebí kvalitnějších a tedy i draţších zařízení. Cenový rozdíl mezi oběma technologiemi je však dnes jiţ zcela minimální, také proto stále více u nových instalací převládají jednovidová vlákna. Vytvoření telekomunikačního spojení mezi dvěma body vyţaduje dvě optická vlákna, jedno pro vysílání a druhé pro příjem (simplexní přenos na kaţdém vlákně). Přestoţe optické kabely nesoucí i několik desítek optických vláken mají malý průměr, tak jejich cena není malá. Pokud bychom však vyuţili pro obousměrnou komunikaci pouze jednoho vlákna (duplexní provoz), zdvojnásobili bychom tak kapacitu sítě. Je to moţné s vyuţitím vlnového multiplexu, technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing), které umoţňuje přenášet více optických signálů s různou vlnovou délkou přes jediné optické vlákno. V případě varianty DWDM (Dense WDM), vyuţívané především pro dálkové spoje, je moţné přenášet i více neţ 100 vlnových délek paralelně po jediném vlákně. Maximální přenosová kapacita optického vlákna tak díky této technologii můţe být vyšší neţ 1 Tbps. DWDM je technologicky náročná a v neposlední řadě drahá záleţitost

32 V metropolitních optických sítích se proto uplatňuje v případě potřeby vícenásobného vyuţití optického vlákna technologie CWDM (Coarse WDM). Jedná se o cenově dostupnější variantu, protoţe lasery nemusí pracovat tak přesně. Tuto technologii specifikuje doporučení ITU-T G.694.2, které definuje 18 vlnových délek vzdálených od sebe 20 nm z celého schváleného spektra pro jednovidová optická vlákna, tedy v rozmezí od 1270 nm do 1610 nm. Uplatnění CWDM nachází u kabelových operátorů a v metropolitních sítích, kde jeho nasazení nabízí levnější řešení, neţ provádění výkopů či zafukování dalších optických kabelů. [48] Výstavba optických sítí s pokládkou kabelů do země není levnou záleţitostí, přičemţ největší část nákladů netvoří samotné pasivní a aktivní prvky sítě, ale zemní práce při pokládce HDPE chrániček (high density polyethylen), do kterých jsou optické kabely zafukovány. Investice do optických sítí jsou však dobře umístěné, které se zúročí zejména v budoucnu, aţ bude stále více uţivatelů poţadovat stabilní a rychlé připojení pro interaktivní aplikace nebo televizi ve vysokém rozlišení. Optická vlákna proto tvoří stále větší část infrastruktury telekomunikačních sítí, a to nejen páteřních či distribučních, ale také přístupových FTTx Přístupové sítě zaloţené na optických vláknech označujeme zkratkou FTTx (Fibre To The ). Jedná se o několik koncepcí, které rozlišují místo ukončení optické sítě. FTTN (Fibre To The Node) FTTC (Fibre To The Curb) FTTB (Fibre To The Building) FTTO (Fibre To The Office) FTTH (Fibre To The Home) V případě FTTN jsou optická vlákna přivedena do rozvaděče v terénu, ze kterého jsou vedeny koaxiální kabely nebo kroucené páry metalických kabelů k jednotlivým účastníkům sítě. Tato koncepce bývá označováno také jako FTTCab (Cabinet). Podobně jako u FTTN jsou optická vlákna i v případě FTTC zakončena v rozvaděči, avšak blíţe ke koncovým účastníkům, např. ve venkovním rozvaděči u chodníku v blízkosti skupiny domů (do 300 m)

33 Pokud jsou optická vlákna přivedena aţ do budovy, jedná se o koncepci FTTB. Jednotliví účastníci jsou v budově připojeni pomocí vnitřních metalických rozvodů, nejčastěji strukturované kabeláţe. FTTO označuje čistě optické řešení, kdy jsou optická vlákna přivedena aţ do prostor důleţitých zákazníků s velkými nároky na přenosovou kapacitu. Stejně tak potenciál optických vláken vyuţívá na maximum řešení FTTH (Fibre To The Home), tedy řešení, které přivádí optické vlákno aţ k jednotlivým účastníkům sítě, aţ do jejich bytů. Tato koncepce často vyuţívá sdílení vlákna více účastníky za pouţití mezilehlých aktivních prvků (AON Active Optical Network) nebo na architektuře point-to-multipoint pasivní odbočování (PON Passive Optical Network). V případě PON je větvení řešeno pomocí pasivních rozbočovačů s poměrem 1:8 aţ 1:64, popř. aţ 1:128. [60] Obr. 6: FTTH koncepce s pasivním odbočováním [60] Sluţbu vysokorychlostního přístupu k Internetu prostřednictvím FTTx v současné době v ČR nabízí několik desítek poskytovatelů. Vzhledem k investiční náročnosti výstavby optických sítí tito poskytovatelé provozují své sítě především ve městech, a to zejména na velkých sídlištích. Další výstavba ale směruje také do menších měst a do periferních oblastí spolu s výstavbou nových bytových domů. Provozovatelé optických sítí jsou často lokálními či regionálními ISP, kteří dobře znají místní prostředí (např. v Klášterci nad Ohří společnost Kabel1 s.r.o.). Mezi největší provozovatele optických přístupových sítí patří SMART Comp. a.s., provozovatel metropolitní sítě NETBOX v Brně a dalších městech, nebo společnost RIO Media a.s., která v minulých letech provedla akvizici několika regionálních poskytovatelů s jiţ vybudovanou FTTx infrastrukturou a nyní tyto sítě provozuje a dále rozšiřuje

34 Prostřednictvím FTTx sítí bylo v roce 2006 realizováno cca 36 tisíc přípojek, o rok později uţ 55 tisíc a v roce 2008 dokonce 100 tisíc přípojek. [6] Pro srovnání s ostatními přístupovými technologiemi v roce 2008 vyuţívalo optické připojení celkem 3 % domácností s připojením k Internetu. [8] Rychlé tempo růstu se předpokládá i v příštích letech v souvislosti s rostoucí poptávkou po rychlém připojení. 2.3 Bezdrátové sítě Přenos signálů bez potřeby realizace kabelového spojení otevírá nové moţnosti komunikace. Dovoluje zejména mnohem rychlejší výstavbu telekomunikačních sítí, popř. přímo určuje uţivateli jeho moţnost mobility v prostoru. Bezdrátový přenos je realizován pomocí elektromagnetického vlnění, které se šíří prostorem. Jeho vlnová délka určuje jeho vlastnosti, zejména jak se bude chovat při interakci s různými materiály. Bezdrátové sítě vyuţívají nejčastěji rádiové vlny, tedy frekvenční pásma v rozmezí od 9 khz aţ do 3000 GHz. Obecně platí, ţe vlnění s niţší frekvencí se lépe šíří prostorem, proto např. mobilní sítě pouţívají pracovní kmitočet v řádu stovek MHz. Kmitočty v řádu několika jednotek či desítek GHz se vyuţívají především v pevných bezdrátových sítích, kde bývá zajištěna přímá viditelnost mezi bezdrátovými stanicemi, tzv. LOS (Line Of Sight). V některých systémech je dokonce přímo nezbytně nutná Fixní Bezdrátové sítě, které tvoří nepohyblivé komunikační stanice, označujeme jako fixní bezdrátové sítě, popř. FWA (Fixed Wireless Access). Uspořádání v síti můţe být typu bod na bod (PtP, point-to-point), kdy komunikují spolu pouze dvě stanice navzájem, nebo typu více bodů na bod (PtMP, point-to-multipoint), které jsou v přístupových sítích obvyklejší, neboť umoţňují snadné připojení další bezdrátové stanice do sítě. Většina pouţívaných systémů bezdrátových sítí ve venkovním prostředí vyţaduje přímou viditelnost mezi komunikujícími stanicemi. U radiových spojů zmíněná přímá viditelnost však neznamená pouze optickou přímou viditelnost, ale i určitý prostor kolem. Tento prostor tvoří Fresnelova zóna, která má tvar elipsoidu, jehoţ poloměr je největší v polovině vzdálenosti mezi stanicemi. V případě, ţe je tato zóna narušena nějakým objektem, např. domem nebo stromy, dochází k útlumu signálu nebo k poklesu jeho kvality

35 WiFi V první polovině 90. let minulého století přišla řada firem se svým proprietárním řešením lokální bezdrátové sítě, WLAN (Wireless LAN). S jejich stále rostoucím rozšířením si však i sami výrobci uvědomovali, ţe trh potřebuje standard, který dovolí uţivatelům propojovat zařízení různých výrobců navzájem. V roce 1997 přišla organizace IEEE s prvním standardem pro lokální bezdrátové sítě s označením , který definoval přenos pomocí frekvenčních přeskoků FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) a techniku přímého rozprostřeného spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Největším problémem tohoto standardu byla však nízká přenosová rychlost. Proto bylo další úsilí zaměřeno na zvýšení přenosové rychlosti pomocí perspektivnější techniky DSSS. V roce 1999 pak IEEE vydala standard b, který je spíše známější pod označením WiFi (Wireless Fidelity). Samotná zkratka WiFi označuje však známku a logo udělované výrobkům pracujícím podle standardu b. Označení uděluje organizace Wi-Fi Alliance (dříve WECA Wireless Ethernet Compatibility Alliance) na základě ţádosti výrobce. Označení WiFi na výrobku dává uţivateli značnou záruku propojitelnosti s jinými takto označenými výrobky. [32] Radiová komunikace dle standardu b vyuţívá bezlicenční frekvenční pásmo 2,4 GHz, které bývá označováno jako ISM pásmo (Industrial, Scientific, Medical). Provoz zařízení pracujících v tomto pásmu tedy není třeba ohlašovat či ţádat o zvláštní povolení, je pouze nutné dodrţet podmínky stanovené všeobecným oprávněním vydaným ČTÚ VO-R/12/ Norma b definuje 14 kanálů po 22 MHz, které se částečně překrývají (v celém pásmu lze nalézt pouze tři vzájemně se nepřekrývající kanály). V Evropě je moţné pouţívat pouze kanály 1 aţ 13. Provozovat zařízení i na 14. kanále je moţné pouze v Japonsku. Vzhledem k různému vyuţití frekvenčního pásma uţ přímo samotný standard počítá s moţností krátkodobě zhoršených podmínek pro přenos signálu. Proto specifikuje dynamicky se měnící rychlost 11; 5,5; 2 a 1 Mbps. Maximální rychlost na fyzické vrstvě je aţ 11 Mbps, avšak samotná uţitná rychlost je kvůli reţii cca o 40 % niţší. V prostředí bez rušivých vlivů a na krátkou vzdálenost je tedy moţné dosáhnout maximální uţivatelskou rychlost kolem 6 Mbps. [46] Typický dosah WiFi sítí je 100 m ve volném prostoru. Uvnitř budovy či domu je dosah sítě menší, cca kolem m (velmi záleţí na materiálovém sloţení všech překáţek). Dosah lze zvětšit pouţitím antén s větším ziskem, a to ve volném prostoru aţ na několik kilometrů

36 V roce 2003 byla vydána norma IEEE g, která pracuje ve stejném frekvenčním pásmu 2,4 GHz jako b, ale nabízí mnohem vyšší maximální přenosovou rychlost na fyzické vrstvě (aţ 54 Mbps). Vyšší rychlosti je dosaţeno pouţitím ortogonálního multiplexu s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), kdy se data rozdělí do několika paralelních toků bitů s menší bitovou rychlostí. Kaţdý z toků pak pouţívá pro modulaci jinou nosnou frekvenci. Na rozdíl od kmitočtového multiplexu pouţívá OFDM překrývající se subkanály, takţe kmitočtové pásmo je vyuţíváno efektivněji. Uţivatelská rychlost při ideálních podmínkách dosahuje aţ 22 Mbps. Zařízení dle g jsou zpětně kompatibilní s b, coţ značně usnadňuje jejich nasazování v jiţ existujících WiFi sítích. [45] Existují však lokality, ve kterých je vyuţití pásma 2,4 GHz natolik velké, ţe jiţ není moţné zajistit spolehlivou komunikaci mezi zařízeními. Zejména pro takové lokality jsou určena zařízení dle normy a pracující v pásmu 5 GHz. Dlouhou dobu existoval v řadě zemí legislativní problém s moţností volného vyuţití tohoto frekvenčního pásma, také v ČR se stalo bezlicenčním aţ v srpnu Všeobecné oprávnění vydané ČTÚ definuje dvě části 5 GHz pásma pásmo v rozmezí 5150 aţ 5350 MHz pro pouţití uvnitř budov a pásmo od 5470 aţ 5725 MHz pro pouţití kdekoli. Vlastní přenos je realizován také pomocí OFDM, norma a je z roku 1999 a zmíněná g z ní vychází. V posledních letech organizace IEEE pracovala na novém standardu s cílem dosáhnout uţivatelskou rychlost ekvivalentní Fast Ethernetu, tedy přes 100 Mbps. Od roku 2006 bylo vydáno několik návrhů standardu, tzv. draftů, které výrobci začali implementovat do prodávaných zařízení. V říjnu 2009 byla vydána konečná specifikace standardu n, který zvyšuje přenosovou rychlost na fyzické vrstvě aţ na 600 Mbps s vyuţitím čtyř prostorově oddělených toků s šířkou kanálu 40 MHz. Tento standard vyuţívá technologii MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), která pouţívá několik vysílacích a přijímacích antén, z nichţ kaţdá přenáší různá data a zároveň jsou radiové signály kaţdé z antén přenášeny různými cestami, coţ zvyšuje schopnost přijímače rozeznat data v přijímaném signálu. Testy dosaţitelné uţivatelské rychlosti potvrzují, ţe je moţné dosáhnout rychlosti aţ přes 100 Mbps při přenosu na UDP protokolu jedním směrem a při obousměrném přenosu cca Mbps v kaţdém směru. Velmi však záleţí na míře zarušení okolního prostředí a vzdálenosti mezi zařízeními. [52] Přístup k bezdrátové síti zaloţené především na otevřeném standardu je oproti propojení kabelem mnohem snadnější. Síť je dostupná všude tam, kde je dostupný signál přístupového bodu, nejen kabelová zásuvka. Proto je potřeba řešit otázky bezpečnosti, jak

37 chránit obsah a integritu přenášených dat a jak zabránit přístupu k síti neoprávněným uţivatelům. Ochrana přístupu pouze vybraných zařízení můţe být zajištěna na spojové vrstvě pomocí definice MAC adres zařízení oprávněných přistupovat k síti. Ochranu obsahu přenášených dat nabízí protokol zabezpečení WEP (Wired Equivalent Privacy), které má však řadu nedostatků, které ho umoţňují poměrně rychle prolomit. Proto je vhodné WEP jiţ nepouţívat a zvolit alespoň o stupeň lepší zabezpečení WPA PSK (WiFi Protected Access Pre-Shared Key). V případě podnikových sítí je nejvhodnější implementovat řešení dle i s pouţitím silného šifrování na bázi AES (Advanced Encryption Systém) a vyuţitím autentizace dle standardu 802.1X, tedy vyuţití RADIUS serveru obsahující databázi uţivatelů, proti které se ověřují uţivatelé při přístupu k síti. Pouţití WiFi technologie bylo původně zamýšleno pro skutečně lokální pouţití ve vymezeném prostoru (např. v kavárnách, hotelech, domácnostech). V uplynulých letech však došlo k rozšíření této technologie také do vnějšího prostoru, a to především kvůli levné moţnosti přenosu dat např. mezi dvěma nedalekými budovami. V Česku vznikla řada malých lokálních ISP, kteří vyuţívají WiFi jako technologii poslední míle připojení k Internetu. Bezdrátové připojení je v ČR velmi oblíbené, coţ také potvrzují statistiky ČSÚ. V roce 2008 vyuţívalo bezdrátové připojení více neţ 30 % domácností připojujících se k Internetu. [8] I kdyţ jsou v tomto čísle zahrnuté i jiné bezdrátové technologie, většina zařízení vyuţívá WiFi technologii WiMAX Normalizované řešení širokopásmového bezdrátového přístupu BWA (Broadband Wireless Access) nabízí standardizovaná technologie WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Jedná se o řešení pro metropolitní bezdrátové sítě. V roce 2001 byl schválen standard IEEE , který specifikoval řadu rádiových rozhraní zaloţených na stejném protokolu MAC, ale s různým řešením fyzické vrstvy (TDM, FDD aj.) s vyuţitím kmitočtů od 10 do 66 GHz. Topologie sítě je point-to-multipoint (PtMP), kdy základnová stanice obsluhuje mnoho připojených klientů současně. Řešení však není dostačující pro reálné pokrytí menšího města jedním přístupovým bodem vzhledem k bezpodmínečné nutnosti zajištění přímé viditelnosti, proto další vývoj směroval k vytvoření systému NLOS (Non Line Of Sight). V roce 2003 byla schválena specifikace a, která jiţ podporuje komunikaci bez přímé viditelnosti a rozšiřuje původní normu o kmitočty 2 aţ 11 GHz. Niţší kmitočty se lépe šíří v městské zástavbě, umoţňují tedy připojení více uţivatelů, ale s niţšími přenosovými rychlostmi

38 Toto řešení vyhovuje zejména pro připojení domácností, kanceláří a malých podniků k Internetu nebo pro propojení přístupových bodů s WiFi technologií. Standard a je ve srovnání s o několik let napřed. Obsahuje prvky, které u WiFi sítí nenajdeme. Jde o podporu kvality sluţeb (QoS), který umoţňuje bezproblémový provoz aplikací citlivých na zpoţdění (hlas, videokonference), lepší bezpečnost a efektivnější vyuţití kmitočtového spektra. [49] Jedním z nejrozšířenějších implementací WiMAXu je řešení od izraelské firmy Alvarion, které vyuţívá řada ISP nejen v ČR. Jde o řešení vyuţívající licencované pásmo 3,5 GHz, takţe náklady na provoz sítě jsou oproti volnému pásmu vyšší o licenční poplatky ve výši cca 30 tis. Kč ročně, na druhou stranu vlastní provoz sítě není ohroţen případným rušením od jiných zařízení (jeho případný výskyt řeší ČTÚ). Řešení od Alvarionu zvolily také České Radiokomunikace, které hlásí zájem o tuto technologii a s úspěchem ho postupně osazují po celé republice. WiMAX nachází své uplatnění ve městech i v mimoměstských oblastech, resp. obecně v místech, kde není dostupné vysokorychlostní kabelové připojení Mikrovlnné spoje Spolehlivé bezdrátové spojení dvou lokalit je moţné realizovat pomocí mikrovlnných spojů, které představují skutečnou alternativu kabelového propojení. Jedná se o systémy zpravidla typu point-to-point s malým výkonem, proto je u nich vyţadováno zajištění přímé viditelnosti mezi koncovými body (resp. čistá Fresnelova zóna). Mikrovlnné spoje poskytují přenosové rychlosti v rozmezí 2 aţ 300 Mbps v závislosti na konkrétní technologii, tzn. pouţité modulaci a šířce přenosového kanálu. Tyto spoje pracují v různých kmitočtových pásmech, přičemţ je moţné je rozdělit do dvou základních kategorií, na licencovaná a volná. Mezi nejvíce vyuţívaná volná pásma patří 10 GHz a dále to jsou 24 GHz, 60 GHz a 80 GHz. Mikrovlnné spoje v těchto kmitočtových pásmech je moţné instalovat bez jakéhokoli ohlášení a provozovat bez licenčních poplatků. Pouţité zařízení a anténní systém musí však splňovat podmínky příslušného veřejného oprávnění, které vydal ČTÚ (např. pro pásmo 10 GHz je to VO-R/14/ ). Přestoţe se jedná o volná kmitočtová pásma, spolehlivost takových spojů je vysoká (zpravidla větší neţ 99,9 %). Vysoká dostupnost je však zásluhou několika důleţitých skutečností jde o poměrně drahá zařízení. Cena nového kompletního spoje pracujícího v pásmu 10 GHz se pohybuje v rozmezí od 70 tis. do 150 tis. Kč, cena pojítek pro vyšší pásma můţe být

39 i několikanásobně větší. Proto tyto spoje vyuţívají zejména poskytovatelé telekomunikačních sluţeb v distribučních částech svých sítí nebo pro připojení náročných zákazníků. Instalaci spojů pak provádí zpravidla vyškolení technici, kteří vědí co dělají a dodrţují několik základních pravidel, které pomáhají k maximálně efektivnímu vyuţití kmitočtového spektra (ukázka lokace s větším počtem mikrovlnných spojů je v příloze č. 3). Před instalací spoje by měla být vţdy nejdříve provedena důkladná rekognoskace pásma, která je podkladem pro zvolení vhodného tzv. kmitočtového páru, tedy konkrétních kmitočtů pro vysílání obou zařízení. Vţdy platí zásada, ţe nově instalovaný spoj nesmí nijak omezit či poškodit dříve instalované a funkční spoje. [26] U páteřních spojů vyţadují provozovatelé sítí maximální dostupnost. Je tedy potřeba eliminovat i případné krátkodobé zarušení, které můţe vzniknout např. při instalaci nového spoje třetí stranou nebo pouţitím pro radioamatérské vysílání. Vysoké poţadavky na dostupnost, spolehlivost a bezproblémovost provozu dokáţou splnit pouze mikrovlnné spoje v licencovaných pásmech. Realizace takových spojů jiţ vyţaduje zpracování dokumentace k plánovanému spoji, podání ţádosti o přidělení kmitočtového páru na ČTÚ a následně úhradu licenčních poplatků za jejich vyuţívání. Mezi licencované kmitočty patří 13 GHz a 18 GHz, které mají univerzální pouţití (na krátké i dlouhé vzdálenosti). U spojů na dlouhé vzdálenosti je vhodnější pouţití pásma 7 GHz nebo 11 GHz, v případě kratších či středně dlouhých spojů se pouţívají pásma 23 GHz (zejména spoje s vysokou přenosovou kapacitou) a 38 GHz, které vyuţívají zejména mobilní operátoři pro propojení základnových stanic mezi sebou. Pásmo 26 GHz je vyuţíváno v přístupových sítích v konfiguraci point-to-multipoint. Toto pásmo je jiţ z větší části rozděleno mezi několik velkých poskytovatelů telekomunikačních sluţeb s celorepublikovou působností, kteří tak jsou schopni poskytovat garantované datové sluţby v lokalitách s jiţ osazenou technologií (WLL Wireless Local Loop). [23] Mikrovlnná pojítka pro zmíněná kmitočtová pásma vyrábí řada firem po celém světě, mezi kterými lze nalézt i českého výrobce radioreléových spojů s několikaletou tradicí, společnost ALCOMA. Tato firma disponuje vlastním vývojovým oddělením a na trh uvádí svoje vlastní výrobky, které se vyznačují vysokou kvalitou a spolehlivostí do začátku roku 2009 firma dodala více neţ 8 tisíc spojů do 17 zemí světa. Mezi další významné dodavatele mikrovlnných spojů patří Miracle Group (spoje Orcave), NERA, ATH system, Ceragon a Ericsson. Další firmy Konwes, SVM, KPE nebo Summit Development jsou zaměřené zejména na volné pásmo 10 GHz, jehoţ existence dovoluje

40 i menším ISP bez licenčních poplatků provoz a nasazení profesionálních zařízení pro plnohodnotný přenos dat. [41] Laserové spoje Vysokokapacitní datové spojení mezi dvěma nepříliš vzdálenými lokalitami je moţné realizovat pomocí technologie vyuţívající optický paprsek (FSO Free Space Optics). Mezi výhody FSO spojů patří vysoká přenosová rychlost, vysoká bezpečnost a minimální zpoţdění. Vysokou bezpečnost zajišťuje samotná technologie, signály přenáší laserový paprsek, který prakticky nelze odposlechnout. Velkou výhodou je volné pouţití, provoz takového zařízení nepodléhá ţádnému schvalovacímu řízení ČTÚ. Naopak nevýhodou je problémová funkčnost při zhoršených klimatických podmínkách. Jedná se zejména o mlhu, sněţení nebo hustý déšť. Pro překonání těchto překáţek někteří výrobci pouţívají aţ několik souběţných paprsků, které zajišťují bezchybnou funkčnost i při nepříznivém počasí, nicméně přesto však extrémní povětrnostní podmínky představují stále problém. Z tohoto důvodu bývají FSO spoje zálohovány mikrovlnnou technologií. Laserové spoje lze nasadit na vzdálenosti aţ do 5000 metrů, přičemţ s rostoucí délkou spoje klesá také jeho statistická dostupnost. V Česku jsou běţně dostupná zařízení od izraelského výrobce MRV a amerického LaserBitu, jejichţ spoje disponují různými rozhraními (elektrické i optické - typicky Ethernet, STM, E1-E3, včetně jejich kombinací) a nabízí plně duplexní přenosové rychlosti 100 aţ 1000 Mbps. [10] Satelitní komunikace DVB-RCS I dnes stále ještě existují odlehlé lokality s osamocenými domy či chatami, ve kterých bydlí lidé (trvale nebo jen sezónně). Tyto lokality jsou obvykle ukryté v těţko dostupném terénu a lidé jsou často rádi, ţe mají vůbec zavedenou elektrickou energii nebo dokonce telefonní linku. Nejen pro takové odlehlé oblasti je určena technologie vysokorychlostního obousměrného přenosu dat přes satelit. Bez nadsázky lze říci, ţe se jedná o jedinou technologii připojení k Internetu se 100% dostupností na celém území ČR. V případě příjmu digitálního satelitního televizního vysílání (DVB-S, Digital Video Broadcasting via Satellite) se jedná pouze o jednosměrný přenos signálů, resp. datových proudů, ze satelitu aţ do satelitních přijímačů uţivatelů. Datový proud můţe přenášet také IP provoz, ale odchozí datový směr od uţivatele bylo v minulosti nutné zajistit jinou cestou, např. přes pomalé telefonní linky, coţ představovalo zejména dodatečný náklad pro uţivatele. Provozovatelé satelitních sluţeb si brzy uvědomili tento nedostatek a v roce

41 1999 začali společně pracovat na standardu pro obousměrnou datovou komunikaci přes satelit DVB-RCS (DVB Return Channel via Satellite) a jiţ v roce 2000 byla specifikace organizací ETSI 4 standardizována v rámci normy EN Obousměrný datový přenos vyţaduje dvě přenosové cesty dopředný kanál z telekomunikačního střediska (HUB) aţ do uţivatelského terminálu (SIT, Satellite Interactive Terminal) a zpětný kanál v opačném směru. Dopředný kanál má kapacitu v jednotkách aţ desítkách Mbps a zpětný kanál aţ 2,6 Mbps. Zpětný kanál je sdílen metodou MF-TDMA (Multiple Frequency Time Division Multiple Access), tedy systémem s časově děleným přístupem a zároveň vyuţívající více frekvencí současně. Schéma distribuce Internetu přes satelit lze nalézt v příloze č. 4. Kolem Země existuje několik oběţný drah, na kterých jsou umístěny jednotlivé telekomunikační druţice. Druţice poskytující digitální televizní vysílání anebo satelitní přístup k Internetu jsou umístěny na geostacionární oběţné dráze, která se nachází ve výšce kilometrů přímo nad rovníkem. Při pohledu ze země se zdá, ţe druţice stojí nad jedním místem zemského povrchu a díky tomu je moţné vyuţívat nehybné komunikační prostředky. Nevýhodou je právě zmíněná vzdálenost od zemského povrchu, kterou musí signál urazit při vyslání poţadavku vţdy dvakrát (ze Země na druţici a zpět). Zpoţdění signálu je tedy zhruba 260 milisekund, nicméně skutečná latence na IP vrstvě je vyšší, cca 600 aţ 700 ms. Přesto je moţné přes satelitní připojení provozovat VoIP telefonii, ale uţ není vhodné pro aplikace vyţadující velmi krátkou dobu odezvy, např. akční online hry. Technologie DVB-RCS však poskytuje akceleraci pro běţně pouţívané aplikace, např. prohlíţení webu TCP/IP akcelerace, pre-fetching (prvky s URL adresou jsou ukládány na HUB serveru) a web-caching (stránky jsou ukládány přímo uţivatelským terminálem a při jejich opakovaném poţadavku o jejich načtení uţ je není potřeba opět přenášet). [57] Díky standardizaci výrazně poklesla cena satelitních terminálů, která byla často velkou překáţkou pro uţivatele uvaţující o pořízení sluţby. Pro řadu uţivatelů je důleţitá také velikost satelitní paraboly, která však nemusí být nijak obzvláště velká, stačí běţně pouţívaný průměr 90 cm, viz. obrázek 7. 4 ETSI (European Telecommunications Standards Institute) je nezávislou a neziskovou organizací, která se zabývá normalizací v telekomunikačním průmyslu v Evropě (

42 Obr. 7: Satelitní parabola 90 cm s transceiverem [57] Od roku 2005 je technologie DVB-RCS dostupná také v České republice díky společnosti INTV. Známějším poskytovatelem satelitních datových sluţeb je společnost GiTy, která také poskytuje datové spojení terminálů pro platbu kartou. Satelitní paraboly se zeleným nápisem GiTy proto můţeme nalézt především na benzínových pumpách nebo u dálnic, kde je satelitní systém vyuţíván pro online monitorování dopravy. Významným poskytovatelem satelitní televize je společnost Skylink, která v loňském roce rozšířila svou nabídku o novou sluţbu ASTRA2Connect, tedy satelitní připojení k Internetu. Rychlost připojení je 256/64 kbps aţ 4096/256 kbps podle zvoleného tarifu. [34][53] Mobilní Technologie mobilního přenosu dat existuje primárně nad mobilními sítěmi hlasových sluţeb nebo jako jejich rozšíření či nadstavba. V souvislosti s jejich rozvojem jsou rozlišovány generace mobilních systémů. První generaci mobilních systémů sítě NMT (Nordic Mobile Telephony) vyuţívající kmito kmitočty v pásmu 450 MHz nebo 900 MHz. Analogová NMT síť byla provozována i v ČR v 90. letech 20. století. Druhou generaci mobilních systémů tvoří jiţ digitální buňkové radiotelefonní systémy, tedy sítě GSM (Global System for Mobile Communication), které se od roku 1992 pouţívají v řadě zemí po celém světě. Jedná se o pokročilou technologii s vysokou odolností proti odposlechu a rušení. GSM vyuţívá různá kmitočtová pásma 900 MHz, 1800 MHz (pouţívané v Evropě) nebo 1900 MHz (vyuţívané v USA). Přenos hlasu má v celé GSM síti digitální tvar, základní rychlost pro jeho přenos mezi mobilním zařízením a sítí je 13 kbps obousměrně. Data lze přenášet po tomto kanálu, běţně rychlostí 9,6 kbps. Vylepšené mobilní systémy druhé generace jsou označovány jako 2,5G. Tyto systémy jsou vylepšené o podporu přenosů dat, mezi které patří i technologie rychlého přenosu dat pomocí přepojování okruhů HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

43 HSCSD umoţňuje rychlost aţ 43,2 kbps v dopředném směru, odesílání dat max. 14,4 kbps. Technologie je vhodná v případě potřeby souvislého datového toku, neboť datové spojení je zpoplatněno stejně jako klasický hovor. [43] GPRS Obvyklé vyuţívání datového spojení, např. při přístupu k webovým stránkám nebo chatování, má spíše přerušovaný charakter. Pokud by datový přenos vyuţíval technologii přepojování okruhů, pak by bylo vyuţití mobilní sítě značně neefektivní. Proto byl GSM standard rozšířen o technologii GPRS (General Packet Radio Service), který do mobilních sítí přináší přepojování paketů a také umoţňuje zpoplatnit uţivatele podle skutečného mnoţství přenesených dat bez ohledu na dobu, po kterou je jeho datové spojení aktivní. Přenos dat je realizován pomocí časových rámců (timeslotů), coţ jsou vlastně přenosové kanály. Při realizaci hovoru je vyuţíván jediný rámec, pro přenos dat se typicky vyuţívá více rámců. Maximální počet sdruţených rámců je 8, skutečný počet vyuţívaných rámců je zpravidla niţší a je však dán momentálním vyuţitím základnové stanice, BTS (Base Transceiver Station). Přenášená data jsou kódována pomocí kódovacího schématu CS1 aţ CS4, přičemţ pouţité schéma je zvoleno podle kvality signálu. Jednotlivá kódovací schémata se liší rychlostí přenosu dat, CS4 poskytuje aţ 21,4 kbps. V ideálním případě vyuţití všech 8 rámců s kódováním CS4 je tedy teoretická maximální přenosová rychlost 171,2 kbps. Jde ale o teoretickou hodnotu, neboť datové přenosy mají v GSM niţší prioritu, neţ hlasové přenosy. V neposlední řadě ještě záleţí na moţnostech koncového zařízení, kolik slotů současně je schopné vyuţít pro příchozí a odchozí spojení. GPRS standard definuje třídy zařízení, podle nichţ je určeno, kolik timeslotů maximálně dokáţe pouţívat zařízení pro downlink, uplink a zároveň. Nejběţnější jsou zařízení s podporou GPRS třídy 10, coţ znamená vyuţití maximálně 4 timeslotů pro stahování a 2 timeslotů pro zpětný kanál, přičemţ zařízení je schopné vyuţívat maximálně 5 timeslotů zároveň. Maximální teoretická rychlost s takovými zařízeními je tedy 4 * 21,4 = 85,6 kbps. Reálně dosaţitelná rychlost však závisí na mnoha faktorech a můţe být velmi proměnlivá i v závislosti na denní době (vyuţití BTS). [31] EDGE Další vývojový krok datových přenosů v GSM sítích představuje technologie EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution). Technologii tvoří dvě části ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) a EGPRS (Enhanced GPRS). Přenos dat zaloţený na

44 přepínání okruhů je na pokraji zájmu, proto je někdy označením EDGE myšleno právě EGPRS. V podstatě jde skutečně o rozšíření technologie GPRS. Jejím hlavním přínosem je pouţití osmistavové fázové modulace 8-PSK, která dovoluje přenést tři informační bity pomocí jednoho symbolu na rádiové vrstvě. Oproti tomu GPRS pouţívá modulaci GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying), která dovoluje přenést pouze jeden informační bit pomocí jednoho symbolu. Změna modulační techniky však vyţaduje přidání jednotky EDGE transceiver unit na kaţdou BTS. EDGE pouţívá 9 modulačních kódových schémat MCS (Modulation Coding Scheme), MCS1 aţ MCS9. Při pouţití schématu MCS9 jsou data přenášena rychlostí aţ 59,2 kbps. Pouţití vyšších MCS však vyţaduje silný a kvalitní signál, který je vyjádřen hodnotou C/I (Carrier to Interference ratio), tedy rozdílem úrovně nosného signálu od šumu. Rychlejších datových přenosů je tedy moţné dosáhnout zejména v nevelké vzdálenosti od BTS. S rostoucí vzdáleností od základnové stanice, resp. s klesající hodnotou C/I, klesá dosaţitelná přenosová rychlost. Teoretická maximální rychlost deklarovaná v různých reklamních materiálech je aţ 473,6 kbps (při vyuţití všech osmi timeslotů o rychlosti 59,2 kbps). V sítích mobilních operátorů jsou však běţně vyuţívány tři timesloty k servisním účelům základnové stanice, takţe maximální počet pouţitelných timeslotů je pět a tedy maximální přenosová rychlost je 296 kbps. Reálná měření se zařízením třídy 10 (4+2) ukazují rychlosti zhruba 200 kbps v dopředném směru. Důleţitým parametrem je také latence, která běţně dosahuje stovek milisekund (zpravidla v rozmezí 450 aţ 900 ms). [2] CDMA Technologie CDMA2000 1xEV-DO (Code Division Multiple Access, Evolution-Data Optimized) bývá zkráceně označována jako CDMA. Tato technologie se řadí jiţ mezi mobilní systémy třetí generace. Jak uţ název napovídá, jedná se o technologii optimalizovanou pro datové přenosy. Varianta CDMA450 pracuje na frekvenci 450 MHz a vyţaduje jen malé mnoţství spektra, pouze 1,25 MHz. Zvolené frekvenční pásmo umoţňuje rozsáhlé pokrytí s menším počtem základnových stanic, tzn. s niţšími náklady. Zajímavá je především maximální přenosová rychlost, která je v dopředném směru aţ 2457,6 kbps na jeden sektor (jedna z antén základnové stanice). Tuto rychlost tedy sdílí všichni uţivatelé právě připojení na daný sektor, proto reálně dosaţitelná rychlost bývá niţší, obvykle ve stovkách kbps. Pro downlink se vyuţívá kódově dělený mnohonásobný

45 přístup CDMA v kombinaci s časovým dělením TDMA. Ve zpětném směru je maximální rychlost 153,6 kbps. [61] Podstatný rozdíl oproti GPRS nebo EDGE představuje latence, která je důleţitá pro pouţitelnost interaktivních aplikací a sviţnost načítání stránek. U technologie CDMA je to cca 150 ms, coţ dovoluje pouţití IP telefonie. Nutné ale dodat, ţe v omezené míře, protoţe neexistuje nativní podpora. [63] Mobilní síť s čistě datovou variantou CDMA jako první na světě spustil v roce 2004 český mobilní operátor Eurotel (dnes jiţ Telefónica O2), který vlastní licenci na vyuţívání pásma 450 MHz aţ do roku Dodnes poskytovaná sluţba zaznamenala hned po spuštění sítě velký úspěch, neboť v řadě malých českých měst a zejména obcí chyběla dostupnost vysokorychlostního připojení k Internetu, např. v podobě ADSL, WiFi nebo jiné bezdrátové sítě UMTS / HSDPA Vývoj systémů třetí generace probíhal jiţ od roku 1985 v rámci ITU a ETSI, který však dlouho nepřinesl ţádnou specifikaci. Proto se vývoje nakonec v roce 1998 ujala globální iniciativa 3GPP (3G Partnership Project), která sdruţuje spíše subjekty z privátního sektoru. Výsledkem její práce je systém UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). První verze standardů byla vydána uţ v roce 1999, zdaleka však nenaplnila očekávání maximální rychlost pouze 384 kbps oproti očekávaným 2 Mbps. Systém UMTS tvoří řada dílčích a postupně vylepšovaných technologií, mezi které patří technologie HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) a HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). HSDPA je součástí UMTS od roku 2002 a existuje v několika variantách (kategorie 1-10 o rychlostech 1,2 aţ 14,4 Mbps). Implementace této technologie však neznamená ţádné zrychlení v odchozím směru. Zrychlení uplinku je moţné díky technologii HSUPA, která byla v roce 2004 v rámci UTMS Release 6 standardizována. Opět v několika variantách nabízí zrychlení od 0,73 aţ 5,76 Mbps. Obě technologie jsou pak souhrnně označovány také jako HSPA (High Speed Packet Access). Technologii HSDPA jako první v ČR zprovoznil mobilní operátor Telefónica O2 v dubnu 2006, jejíţ maximální rychlost na downlinku byla cca 1 Mbps. Nejspíše se ale jednalo o uměle omezenou rychlost operátorem neţ o technologické maximum. [38] Další technologické vylepšení nabízí HSPA+, technologie standardizovaná v roce 2007 v rámci UMTS Release 7. Vylepšení spočívá především v pouţití efektivnějšího

46 kódování, konkrétně 64 QAM a pouţitím techniky MIMO, která s pouţitím více antén dokáţe efektivněji vyuţívat stejnou šířku pásma (nespotřebovává se více frekvenčního spektra). Tato vylepšení dovolují zrychlení aţ na 42 Mbps. Technologii HSPA+ během posledních dvou let jiţ nasadilo několik mobilních operátorů po celém světě. Daleko za hranice HSPA+ jde připravovaná technologie LTE (Long Term Evolution), označovaná jako 4. generace mobilních sítí. Cílem je dosaţení rychlosti aţ 100 Mbps na downlinku a kolem 50 Mbps na uplinku, navíc s nízkou latencí pod 10 ms. Někteří operátoři jiţ provedli řadu testů a také nasadili pilotní implementace. Švédskému operátorovi společnosti TeliaSonera patří světové prvenství v poskytování 4G, který spustil LTE zatím v testovacím reţimu. Avšak v testu reálně dosaţitelné rychlosti nebyla překročena hranice 12 Mbps v dopředném směru. Testování doprovázely časté výpadky datového spojení, které se však daly očekávat (stejně tak jako u kterékoli nové technologie v raném testovacím období). [35][25]

47 3 Informační technologie pro přenos hlasu Hlasová komunikace jako základní dovednost pro dorozumívání provází člověka od nepaměti. Bez pouţití jakékoli techniky je však omezena na malou vzdálenost mezi komunikujícími. Různé technologie pro přenos hlasu nám dnes dovolují hovořit např. i s člověkem na druhé straně Země. Vývoj technologií do dnešní podoby však probíhal jiţ více neţ 100 let. První kroky učinil Alexandr Graham Bell v roce 1876, kdy sestrojil první telefon, tedy přístroj přeměňující akustický signál na elektrický a zpět. Tím byly poloţeny základy telefonie. Tímto termínem souhrnně označujeme hlasovou komunikaci v reálném čase za pouţití telefonní technologie. Vlastní spojení mezi telefony je zajištěno pomocí dvou metalických vodičů, po kterých jsou přenášeny elektrické signály. V případě potřeby zajištění telefonního spojení mezi dvěma lokalitami bylo nutné nejdříve vytvořit telefonní vedení, po kterém by mohly být hovory uskutečňovány. Významná překáţka, zejména po ekonomické stránce, která však byla v průběhu 20. století v řadě zemí poměrně rychle odstraněna také díky státním podporám a zaváděním telefonu téměř do kaţdého domu. Rozšíření telefonu by bylo mnohem rychlejší v případě, ţe by bylo moţné přenos hlasu realizovat bezdrátově, za pouţití radiových přenosů. To si uvědomovali i lidé v Bell Laboratories, kde byl vytvořen také první koncept celulárního (buňkového) systému pro mobilní komunikaci. Výzkum a vývoj technologií pro mobilní sítě trval poměrně dlouho, ale nakonec první komerčně vyuţívané celulární mobilní sítě byly spuštěny v 80. letech minulého století. Navíc existovala řada různých systémů, které byly později nahrazeny jiţ digitální druhou generací mobilních sítí GSM. Telefonie byla ve svých počátcích i v mobilních sítích pouze analogová. Je jednoduchá a spolehlivá, avšak kvůli nedostatkům, jakými jsou rušení, přeslechy a útlum signálu, se od konce minulého století prosazuje digitální telefonie čím dál častěji. Významným a zřetelným trendem je v posledních letech konvergence datových a hlasových sítí, takţe digitalizace hlasové komunikace postupuje na další úroveň, a to ve formě sluţby přenosu hlasu nad datovou sítí (např. VoIP nebo Skype)

48 3.1 PSTN První celosvětově zavedenou komunikační sítí pro přenos hlasu je veřejná komutovaná telefonní síť, označovaná zkratkou PSTN (Public Switched Telephone Network). Tuto síť původně tvořily analogové kabelové telefonní sítě. Dnes ji tvoří převáţně digitální sítě, zahrnující pevné i mobilní telefonní sítě. Fungování PSTN sítě po technické stránce je specifikováno doporučeními vytvořenými organizací ITU-T, které dovolují vzájemné propojení odlišných telefonních systémů v různých zemích. Pevná telefonní síť zahrnuje účastnická zařízení, tedy telefonní přístroje připojené na tzv. účastnickou přípojku (local loop, subscriber loop), kterou tvoří téměř vţdy dva vodiče vedoucí do místní telefonní ústředny (central office, exchange office). Telefonní síť má obvykle hierarchickou strukturu a místní telefonní ústředny představují jen její nejniţší články. O úroveň výše jsou uzlové telefonní ústředny a tranzitní telefonní ústředny. Ústředny jsou mezi sebou propojeny pomocí spojovacích vedení (trunks, interexchange channels IXC). Některé firmy provozují také vlastní neveřejné telefonní sítě, ve kterých pouţívají tzv. pobočkové ústředny (private branch exchange PBX), které zajišťují přepojování telefonních okruhů v rámci firmy či organizace a navíc jsou obvykle napojeny i na veřejnou telefonní síť. Vytvoření telefonního okruhu začíná volbou (dialing) účastnického čísla volaného. Pouţívají se dva odlišné mechanismy volby, pulsní a tónová volba. Při pouţití pulsní volby jsou jednotlivé číslice účastnického čísla vyjádřeny počtem impulsů, které jsou přenášeny do telefonní ústředny po účastnickém přípojném okruhu. Tento mechanismus původně vznikl pro telefonní přístroje vybavené rotační číselnicí, u kterých je počet impulsů dán dobou potřebnou k otočení číselnice po jejím vychýlení zpět do výchozí polohy. Rychlejší a modernější metodu představuje tónová volba (DTMF, Dual-Tone Multi Frequency), při které je kaţdá číslice vyjádřena jako kombinace dvou současně znějících čistých tónů přesně stanovených frekvencí. Tónová volba se pouţívá také jako prostředek k ovládání v průběhu telefonního spojení, např. pro volbu moţnosti nabízené automatickým hlasovým systémem (IVR, Interactive Voice Response). [40] Vzhledem k tomu, ţe na účastnické přípojce jsou dnes uţ dostupné i digitální sluţby přenosu dat, je klasická telefonní sluţba hlasové komunikace, poskytovaná na analogové telefonní lince, označována jako POTS (Plain Old Telephone Service). Sítě telefonních operátorů jsou jiţ také plně digitální, sluţba analogového spojení na účastnické přípojce však byla zachována zejména z důvodu zachování kompatibility s pouţívanými

49 koncovými zařízeními. Nicméně proto musí docházet v místní telefonní ústředně ke konverzi analogových signálu na digitální a zpět. Kmitočet zvuků vytvářených hlasivkami při běţném hovoru je nejčastěji v rozmezí 300 Hz aţ 3400 Hz, jedná se o tzv. hovorové kmitočtové pásmo. Spodních 4000 Hz tedy pokrývá toto rozmezí, avšak podle Nyquistova teorému musí být vzorkovací frekvence alespoň dvakrát větší neţ nejvyšší frekvence původního signálu, aby ho bylo moţné zrekonstruovat. Zvuky přenášené přes POTS jsou tedy při konverzi na digitální signály vzorkovány 8000 krát za sekundu (s vyuţitím 8 bitů na vzorek), tzn. ţe k přenosu digitalizovaného hlasu při zachování přijatelné úrovně kvality je zapotřebí kanál o šířce 64 kbps. [4] Tento způsob konverze analogového signálu na digitální odpovídá pulzně kódované modulaci PCM (Pulse Coded Modulation). Princip modulace je jednoduchý, ale značně nehospodárný, protoţe se nesnaţí o ţádnou úsporu přenosové kapacity. Celkový počet aktivních pevných telefonních linek, které v naprosté většině provozuje Telefónica O2, je 1,77 milionu. Od roku 2000, kdy jejich počet byl téměř 4 miliony, jejich počet neustále klesá. Tento trend se snaţí společnost zvrátit pomocí marketingových akcí na ADSL připojení a nabídkou zvýhodněných balíčků fixních a mobilních sluţeb. [15][5] 3.2 GSM Vznik mobilních telefonů je úzce spojen s vývojem v oblasti radiových přenosů. První radiový přenos uskutečnil Ital Guglielmo Marconi pomocí bezdrátového telegrafu, na který v roce 1896 získal patent. Jednalo se o přenos telegrafních zpráv, lidský hlas dokázal poprvé přenést aţ Reginald Fessenden v roce S významným vynálezem přišel i Švéd L. M. Ericsson v roce Jeho vynález sice nevyuţíval radiový přenos, ale byl pravděpodobně prvním mobilním telefonem v autě (telefon bylo nutné připojit pomocí kabelů). Další vývoj byl řízen zejména potřebami policie a armády. V roce 1924 v Bell Laboratories vyrobili první mobilní radiotelefon, který přenášel hlas v obou směrech. Výzkum a vývoj pro armádu pokračoval hlavně během 2. světové války, ve které byla důleţitá komunikace na bojišti. V tomto směru armádě významně pomohla firma Motorola dodávkami přenosných vysílaček. V roce 1947 pracovníci Bell Laboratories publikovali v interním materiálu první koncept celulární (buňkové) sítě pro mobilní komunikaci. Popisovaná síť byla rozdělena na malé oblasti zvané buňky (cells), kde kaţdou buňku tvořil vysílač a přijímač, přičemţ

50 celou síť mělo řídit pouze jedno centrální středisko. Podstatným rozdílem bylo vícenásobné vyuţívání frekvencí, nepřímo sousedící buňky mohly pouţívat stejné frekvence a telefon se při přechodu mezi buňkami automaticky přeladí. Přínos buňkového systému je zejména v efektivním vyuţívání kmitočtového spektra a sníţení energetické náročnosti mobilní stanice, i kdyţ pro pokrytí stejně velkého území je zapotřebí více vysílačů a přijímačů. První mobilní celulární síť v USA byla spuštěna v roce 1978 v testovacím reţimu, jednalo se o síť AMPS (Advanced Mobile Phone Service) na frekvenci 800 MHz. V Evropě byly první celulární sítě postavené na technologii NMT450, k jejichţ spuštění došlo v roce 1981 ve Švédsku a následně i v Dánsku, Finsku, Norsku. Další Evropské země ale nasazovaly uţ modifikované verze NMT či zcela jiné systémy, např. v roce 1985 ve Velké Británii síť TACS (Total Access Communications System) nebo ve Francii síť Radiocom V Evropě tedy existovalo současně několik rozdílných a vzájemně nekompatibilních systémů. Navíc s rostoucím počtem uţivatelů bylo potřeba hledat technologické řešení pro zvýšení kapacity sítí. Proto byl vytvořen projekt Groupe Spéciale Mobile (GSM), jehoţ cílem bylo vyvinout standard pro celoevropskou mobilní telefonní síť. V roce 1989 přešel projekt pod ETSI a jiţ v roce 1991 byl vydán standard GSM (Global System for Mobile Communications), standard druhé generace mobilních systémů. Ke spuštění prvních GSM sítí došlo jiţ v průběhu roku 1992 a ještě v témţe roce byla podepsána také první roamingová dohoda mezi sítěmi mobilních operátorů Telecom Finland (Finsko) a Vodafone (Anglie). [50] Technologie GSM sítě představuje jiţ plně digitální mobilní síť pracující v pásmu 900 MHz. Vyuţívají se kmitočty v rozsahu 890 aţ 960 MHz, přičemţ uplink probíhá v pásmu 890 aţ 915 MHz a downlink v pásmu 935 aţ 960 MHz. Pásmo je rozděleno na 124 kanálů, z nichţ kaţdý má šířku 200 khz. Na radiovém rozhraní se kromě kmitočtového dělení pouţívá pro kaţdý rádiový kanál ještě časové dělení TDMA (Time Division Multiple Access). Tento princip se nazývá TDMA over FDMA (Frequency Division Multiple Access). [43] Díky velkému úspěchu GSM sítí a tedy i dodatečné potřebě rozšíření kapacity sítí došlo k rozšíření standardu o verzi pro pásmo 1800 MHz. Pro uplink se pouţívají kmitočty od 1710 aţ 1785 MHz a pro downlink 1805 aţ 1880 MHz. Rozšířením šířky pásma vyuţitelné pro komunikaci byl zvýšen počet kanálů na celkových 374. Nevýhodou GSM pásma 1800 MHz je menší dosah (způsobený horším šířením radiových vln). Další verze standardu GSM byla upravena pro pásmo 1900 MHz, zejména pro pouţití v USA

51 V GSM je pouţita modulační technika GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), díky které kaţdý kanál zabírá jen úzké pásmo o šířce 200 khz. Na kaţdém kanálu zajišťuje přístupová metoda TDMA přenos pomocí stále se opakujících rámců, které tvoří 8 časových slotů, kde kaţdý slot představuje uţivatelský kanál. Tímto kanálem je přenášen digitalizovaný hlas, který tvoří datový tok pouze 13 kbps (tzv. Full Rate). Malého datového toku je docíleno kódováním řečového signálu pomocí kodeku 5 RPE-LTP (Regular Pulse Excitation, Long Term Prediction). Obr. 8: Model infrastruktury sítě GSM [51] Strukturu GSM sítí tvoří tři části subsystém základnových stanic (Base Station Subsystem, BSS), síťový spojovací subsystém (Network Switching Subsystem, NSS) a operační a podpůrný subsystém (Operation Support Subsystem, OSS). Jednotlivé subsystémy včetně jejich součástí jsou znázorněny na obrázku 8. Mobilní uţivatelské stanice MS (Mobile Station) udrţují radiovou komunikaci s dostupnými základnovými stanicemi. Součástí mobilních telefonů je také SIM karta (Subscriber Identification Module), která obsahuje informace potřebné pro přihlášení do sítě. V rámci BSS jsou jednotlivé základnové stanice BTS (Base Transceiver Station) řízeny základnovou řídící jednotkou BSC (Base Station Controller). Transkódovací jednotka TC (TransCoder) má na starosti přizpůsobení rychlostí mezi rozhraními. Radiové 5 Kodek je softwarová implementace transformace signálu na datový proud a opačně (sloţenina slov kodér a dekodér)