Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta elektrotechniky a informatiky Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Přemysl Mer Autor textu: Přemysl Mer Marek Dvorský Ostrava 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Za odbornou náplň tohoto vydání odpovídají autoři. Přemysl Mer je odborným asistentem na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB - Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Přístupové sítě pro studenty bakalářského studia, kurz Přístupové sítě je na fakultě nabízen ve studijním programu Informační a komunikační technologie. Marek Dvorský je odborným asistentem na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB - Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Radiokomunikační technika pro studenty bakalářského studia. Kurz Radiokomunikační technika je na fakultě nabízen ve studijním programu Informační a komunikační technologie. Vznik skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou. Přemysl Mer, Marek Dvorský, 2014, VŠB - Technická univerzita Ostrava Autor: Přemysl Mer, Marek Dvorský Katedra: Katedra telekomunikační techniky Název: Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Místo, rok, vydání: Ostrava, 2014, 1. vydání Počet stran: 79 Vydala: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Náklad: elektronicky Neprodejné ISBN 978-80-248-3539-6

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 1 Předmluva Cílem tohoto skripta je shrnout učební text pro telekomunikační obory především pro předmět Přístupové sítě a související předměty. Obsah je přizpůsoben základnímu přehledu v problematice přístupových sítí. Jsou zde popsány základní vlastnosti a principy všech typů přístupových sítí, nicméně obsáhlejší část je věnována metalickým přístupovým sítím zejména technologiím xdsl. V rádiové oblasti je podrobněji popsána technologie Bluetooth. Věřím, že tento materiál poslouží k lepší přípravě studentů a lepšímu pochopení zpracované problematiky. Vedle vysokoškolských studentů i díky přehlednosti a ucelenosti učebního textu může najít čtenáře i z řad zájemců o problematiku telekomunikační techniky. Chtěl bych poděkovat svým kolegům a přátelům, kteří svými i kritickými připomínkami přispěli k dokončení tohoto skripta. Také děkuji doc. Ing. Jiřímu Sýkorovi, CSc., který provedl recenzi.

2 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obsah 1 ÚVOD... 4 2 TELEKOMUNIKAČNÍ SÍTĚ A SLUŽBY... 5 2.1 TELEKOMUNIKAČNÍ SLUŽBY... 5 2.2 PŘENOS ZPRÁV... 6 2.2.1 Zvukové zprávy... 6 2.2.2 Obrazové zprávy... 6 2.2.3 Textové informace a data... 7 2.3 KVALITA SLUŽEB... 8 2.4 STRUKTURA TELEKOMUNIKAČNÍ SÍTĚ... 9 3 PŘÍSTUPOVÉ METODY A ZPŮSOBY PŘENOSU... 14 3.1 STOCHASTICKÉ A DETERMINISTICKÉ PŘÍSTUPOVÉ METODY... 14 3.2 PŘÍSTUPOVÁ METODA TDMA... 15 3.3 FREKVENČNĚ DĚLENÝ VÍCENÁSOBNÝ PŘÍSTUP FDMA... 15 3.4 VLNOVĚ DĚLENÝ VÍCENÁSOBNÝ PŘÍSTUP WDMA... 16 3.5 PŘÍSTUPOVÁ METODA SCMA... 16 3.6 PŘÍSTUPOVÁ METODA CDMA... 17 3.7 SROVNÁNÍ PŘÍSTUPOVÝCH METOD... 18 4 METALICKÉ PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ... 19 4.1 ROZHRANÍ MEZI PŘÍSTUPOVOU SÍTÍ A MÍSTNÍ ÚSTŘEDNOU... 19 4.1.1 Linková vrstva protokolu rozhraní V5... 21 4.1.2 Síťová vrstva protokolu rozhraní V5... 22 4.2 PŘENOSOVÁ TECHNOLOGIE TYPU XDSL... 22 5 TECHNOLOGIE XDSL PRACUJÍCÍ V ZÁKLADNÍM PÁSMU... 23 5.1 DIGITÁLNÍ ÚČASTNICKÁ PŘÍPOJKA TYPU IDSL... 23 5.2 DIGITÁLNÍ ÚČASTNICKÁ PŘÍPOJKA TYPU HDSL... 24 5.2.1 Rámec HDSL... 25 5.2.2 Struktura HDSL systému... 25 5.2.3 Využití HDSL... 26 5.3 DIGITÁLNÍ ÚČASTNICKÁ PŘÍPOJKA TYPU SHDSL... 27 6 TECHNOLOGIE XDSL PRACUJÍCÍ V PŘELOŽENÉM PÁSMU... 31 6.1 DIGITÁLNÍ ÚČASTNICKÁ PŘÍPOJKA TYPU ADSL... 31 6.1.1 ADSL modem... 34 6.1.2 Přenosové rámce ADSL... 35 6.1.3 Vývoj ADSL přípojek... 37 6.2 DIGITÁLNÍ ÚČASTNICKÁ PŘÍPOJKA TYPU VDSL... 39 6.3 POROVNÁNÍ TECHNOLOGIÍ XDSL... 43 6.4 DIGITÁLNÍ ÚČASTNICKÁ PŘÍPOJKA TYPU BDSL... 44 7 OPTICKÉ PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ... 46 7.1 REFERENČNÍ KONFIGURACE OPTICKÉ PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ... 46 7.2 VŠEOBECNÉ VLASTNOSTI ZAKONČENÍ OLT A ONU... 47 7.3 OPTICKÁ DISTRIBUČNÍ SÍŤ... 48 7.4 ÚZKOPÁSMOVÉ OPTICKÉ SÍTĚ, VLASTNOSTI A ŘÍZENÍ... 50 7.4.1 Funkční bloky a konfigurace úzkopásmové optické sítě... 50

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 3 7.5 MULTIFUNKČNÍ ŠIROKOPÁSMOVÉ PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ... 52 7.5.1 ATM buňky přes přístupovou síť... 53 7.5.2 Přístupové protokoly... 53 7.5.3 Rozhraní V B... 54 8 RADIOVÉ PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ... 56 8.1 ROZDĚLENÍ RÁDIOVÝCH PŘÍSTUPOVÝCH SÍTÍ... 57 8.1.1 Mikrovlnné rádiové spoje... 57 8.1.2 Přístupový systém FWA... 59 8.1.3 Systémy standardu 802.1x... 61 8.2 BEZDRÁTOVÉ OSOBNÍ SÍTĚ (WPAN)... 61 8.2.1 Technologie ZigBee... 62 8.2.2 Technologie Bluetooth... 62 8.3 PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ WLAN... 73 8.4 BEZDRÁTOVÉ METROPOLITNÍ SÍTĚ (WMAN)... 75 8.5 BEZDRÁTOVÉ ROZLEHLÉ SÍTĚ (WWAN)... 76 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 78

4 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 1 Úvod Moderní telekomunikační sítě jsou schopné poskytovat široký rozsah služeb. Nové informační technologie pronikly do oblasti spojovacích a transportních sítí, takže je velmi důležitý rozvoj a nasazování moderních systémů v oblasti mezi operátorem a uživatelem. Tato oblast je obecně nazývána přístupové sítě. A právě poptávka po nových a moderních telekomunikačních službách, dnes převážně ve formě multimediálních dat, je cílem telekomunikačních operátorů nabídnout je koncovým uživatelům. Problematika přístupových sítí je úzce spjata s přenosovým médiem a jeho přenosovou kapacitou. Proto lze přístupové sítě, z tohoto hlediska, rozdělit na metalické, optické a bezdrátové. Metalická vedení jsou z historického hlediska nejstarší a zatím nejrozšířenější. Díky již vybudované rozsáhlé metalické sítě se vyvíjejí systémy a technologie, které dokáží využít a zefektivnit její možnosti a uspokojit koncové uživatele. Tento vývoj se realizuje hlavně u technologií z rodiny xdsl. V optických sítích je ukrytý obrovský přenosový potenciál, ovšem právě výstavba optických přenosových cest ke koncovým uživatelům jej ještě nedokázala využít. Bezdrátové sítě jsou z ekonomického hlediska nejvýhodnější, její přenosová kapacita ve volném prostoru má také svá specifika. Při realizaci přístupových sítí se běžně využívají tzv. hybridní sítě, které jsou tvořeny kombinacemi přenosových cest. Patří sem sítě PON a AON, které jsou pro většinu potenciálních uživatelů dobojovány metalickými sítěmi, nebo překlenutí určitých úseků pomocí bezdrátových směrových spojů. Existuje tedy celá škála možností pro výběr a způsob pro realizaci a používání telekomunikačních služeb.

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 5 2 Telekomunikační sítě a služby Základní úlohou telekomunikačních sítí je zprostředkování a přenos informací. Zpracování a přenos informací se uskutečňuje pomocí signálů, které mají v zařízeních telekomunikační techniky většinou elektrickou podobu. Na potřebnou vzdálenost se signál přenáší prostřednictvím elektromagnetické vlny, která má určitý kmitočet a vlnovou délku, která závisí na rychlosti šíření vlny v prostoru. Základní vztah pro délku vlny s frekvencí f je [m; m/s; Hz] (1) kde c je rychlost šíření elektromagnetické vlny ve volném prostoru (kolem 300 000 km/s). Pro šíření elektromagnetické vlny v telekomunikačních sítích slouží přenosové cesty, které mohou být tvořeny různými typy přenosových médií. Jejich vlastnosti a parametry pak určují vznik, vývoj a využití různých technologií a systémů, které přenášejí informace a služby. Mezi základní typy přenosových médií patří metalická vedení (symetrické páry, koaxiální kabely), optické vlnovody (vlákna) a využití volného prostoru (radiový přenos). Každý druh přenosové cesty má své přednosti a limity, proto se vzájemně doplňují. [1] 2.1 Telekomunikační služby Telekomunikační síť je souborem technických prostředků, sloužících k vysílání, přenosu, přeměně, příjmu a zpracování signálu, ale také souborem telekomunikačních zařízení (koncových, přenosových, spojovacích a pomocných), potřebných k poskytování telekomunikačních služeb. Službu v telekomunikacích můžeme definovat jako schopnost uspokojit předem stanovené a dohodnuté požadavky mezi subjektem, který službu poskytuje (operátor) a subjektem, který službu požaduje (uživatel). Rozdělit telekomunikační služby lze podle několika hledisek, např.: dostupnost (veřejná, neveřejná) stupeň regulace státem (pověření, povolení, registrace) vtah k síti (základní, přídavná, doplňková) obsluhované území (místní, národní, mezinárodní) účel (hovorová, datová, multimediální atd.) způsob poskytování (účastnická, uživatelská, podavatelská) stupeň volnosti terminálu (pevná, mobilní) Z hlediska uživatele je asi nejzajímavější hledisko podle účelu služby. Dnes můžeme takto služby rozdělit na hovorové a nehovorové. Zvláště pak nehovorové služby začínají dominovat v podobě přenosu dat. Nehovorové služby mohou být interaktivní nebo distribuční. Lze je také kategorizovat na služby textové, obrazové, multimediální a datové. Multimediální služby v sobě zahrnují kombinaci více druhů forem informace. Jsou to hlavně zvuk, obraz i text, které je schopen člověk vnímat svými smysly. Pokud tyto služby pracují v interaktivním režimu, stávají se z nich atraktivní komodita pro telekomunikační operátory a telekomunikační sítě. [2]

6 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 2.2 Přenos zpráv Specifikace nároku na přenosovou kapacitu může rozdělovat závislost informačních zdrojů na formě předávané informace (zprávy). Každý typ telekomunikační služby vyžaduje určité nároky na přenosovou kapacitu sítě a tudíž i přenosovou rychlost. Různá technická řešení pro přenos určitého druhu informace (služby) může zefektivnit přenosové parametry a tím zvýšit dostupnost služby s požadovanou kvalitou. 2.2.1 Zvukové zprávy Mezi základní rozdělení zvukových zpráv patří hlasová služba, věrný přenos zvuku a přenos hudební informace. Každá z těchto forem vyžaduje specifické parametry pro svou funkčnost. Hlasová služba (voice) vychází z tradiční a nejstarší služby telefonie. Jejím hlavním cílem je přenést hovorové pásmo od 300 až do 3400 Hz. Pro moderní digitální formy přenosu se využívá pulzně kódová modulace PCM (Pulse Code Modulation dle doporučení ITU-T G.711), kde jednomu telefonnímu kanálu odpovídá 64 kbit/s. Právě používání audio kodeků přináší úspory přenosové rychlosti. V případě adaptivní diferenciální pulzně kódové modulaci ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation dle dop. ITU-T G.721) je přenosová rychlost kanálu 32 kbit/s. Při použití metody LD-CELP (Low Delay Code Excited Linear Prediction dle dop. ITU-T G.728) je digitální kanál o přenosové rychlosti 16 kbit/s a u CS- ACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction dle dop. ITU-T G.729) dokonce jen 8 kbit/s. V mobilních sítích se využívá standardizované kódování RPE/LTP (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction) s přenosovou rychlostí 13 kbit/s. Pomocí zdrojového kódování lze snižovat přenosové rychlosti ovšem za cenu ztráty přirozeného zabarvení hlasu. Věrný přenos zvuku (audio) má za cíl přenést zpravidla celé slyšitelné pásmo s dostatečnou dynamikou, což se dá porovnat s kvalitou kompaktního disku CD (20 20000 Hz, dynamika až 90 db). Tato služba je vyžadována především u digitálního rozhlasu DAB (Digital Audio Broadcasting) či jako zvukový doprovod digitální televize DVB (Digital Video Broadcasting). Vzorkování pomocí PCM je 48 khz a 20 bitů (24 bitů) na vzorek což vytváří přenosovou rychlost 960 kbit/s (1152 kbit/s) na jeden zvukový kanál. Pro rozhlasové pásmo velmi krátkých vln VKV 15 khz (z anglické VHF Very High Frequency) stačí vzorkovací frekvence 32 khz pro kódování na 12 bitů na přenosovou rychlost 384 kbit/s, nebo varianta pro 16 bitů s rychlostí 512 kbit/s. Pro běžné aplikace postačí přenášet zvuk do kmitočtu 14 khz, což odpovídá přenosové rychlosti 96 kbit/s. Hudební informace se skládá pouze z hudebních tónů, které slouží pro komunikaci mezi elektronickými hudebními nástroji. Jednotlivé tóny jsou popsány notovou stupnicí a dynamikou, zabarvení se pak vybírá z množiny definovaných zvukových barev. Pro tyto účely je standardizované rozhraní MIDI (Musical Instrumental Digital Interface) s přenosovou rychlostí 31,25 kbit/s. 2.2.2 Obrazové zprávy Obrazová informace vychází z rozložení plochy obrazu na řádky a body, které jsou popsány jasem a barvou, kde počet bodů vychází z požadovaného rozlišení. Barevný model CMYK ( cyan, magenta, yellow a black) se využívá především pro tiskové zpracování, model RGB (red, green, blue) pak pro zobrazování na monitory, televize apod. Každá barva se vyjadřuje pomocí jasu, proto 8 bitová (PCM) informace jasu jedné barvy pak plně popisuje RGB model pomocí 24 bitů.

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 Statický obraz (grafika) používá pro přenos komprimované formáty (např. JPEG) založené na rozdělení obrazu do bloku a jejich vektorového popisu. Bitmapové formáty (bmp, TIF apod.) svou velikostí vyžadují větší nároky na přenosovou rychlost vzhledem k časovému intervalu přenosu. Služby dokumentové telegrafie (faksimile) nejčastěji využívají rozlišování pouze černé a bílé obrazové prvky, případně odstíny šedé. Velikost stránky formátu A4 při rozkladu 3,85 bodů na mm je zhruba 1 Mbit. Pro přenosovou rychlost 4,8 kbit/s a s použitím komprese trvá přenos asi jednu minutu (skupina fax 3). Animovaná grafika je jakýsi mezistupeň mezi přenosem statických obrázku a pohyblivých obrázků. Používá se zejména k zábavním a didaktickým účelům (elektronické hry apod.), kde jsou definovány jednotlivé objekty a jejich pohyb v prostoru. Díky vektorovému popisu je nárok na přenos animovaného obrazu nižší než přenos úplného pohyblivého obrazu. Pohyblivý obraz díky požadavku doručení v reálném čase klade vysoké nároky na přenosové parametry telekomunikačního systému. Typickou službou je přenos televizního signálu. Potřebná šířka pásma pro evropsky formát (systém PAL) je 6,5MHz při rozkladu obrazu na 625 řádků s kmitočtem 15,625 khz. Přenáší se jasový signál (Y), řádkové a snímkové zatemňovací a synchronizační impulzy, barevný signál (RGB) se řeší přenosem rozdílových složek R-Y a B-Y. Pro přenos signálu digitální televize DVB (Digital Video Broadcasting) se využívá komprese pohyblivého obrazu standardizovaným formátem MPEG 2. Jsou definované různé úrovně kvality, kdy pro nízkou kvalitu LDTV (Low Definition TV) nepřekročí špičková rychlost dynamické pasáže 4 Mbit/s (průměr 2Mbit/s), u střední kvality SDTV (Standard Definition TV) je špička kolem 15 Mbit/s (průměr 8 Mbit/s) a televize s vysokým rozlišením HDTV (High Definition TV) má špičku kolem 80 Mbit/s (průměr několik desítek Mbit/s). Pro běžné sledování televizních programů v různých kvalitách jsou pak datové toky ještě nižší než uváděné průměry. Např. u SDTV postačí datový tok 4 6 Mbit/s. Další kategorií služeb přenosu pohyblivého obrazu telekomunikačními sítěmi jsou videokonference a video telefonie. Specifické požadavky vycházejí z nízkých přenosových rychlostí, které nabízí telefonní sítě ISDN (Integrated Services of Digital Network) v základní přípojce a mobilní síť GSM (Global System of Mobile), které se pohybují v rozmezí od 4,8 kbit/a až po 64 kbit/s. 2.2.3 Textové informace a data Přenos textových informací vychází z mezinárodní abecedy č. 5 (MA 5), kdy jeden znak je kódován do 8 bitů (včetně jednoho paritního). Historická služba účastnického dálnopisu TELEX se provozuje v telegrafních sítích s přenosovou rychlostí 50 bit/s, textová komunikace TELETEX využívá hostitelských sítí, u telefonních sítí využívá přenosovou rychlost 2400 bit/s. Největší rozšíření dosahuje služba elektronické pošty e-mail, která je poskytována v rámci Internetu, u mobilních sítí je to služba posílání krátkých textových zpráv SMS (Short Message System). Přenos dat je v dnešní době honě spojován nejčastěji v digitálních telekomunikačních systémech, kdy v podstatě každá zpráva je vyjádřena pomocí souboru dat. Dá se tedy hovořit o přenosu digitálních dat, která pak reprezentují hovorové služby, přenos obrazu či textu. Proto specifikace nároků na přenosové parametry pro přenos dat je různorodý. Podrobnější informace lze nalézt např. v [2], [3].

8 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 2.3 Kvalita služeb Velká poptávka po telekomunikačních službách a zejména jejich kombinace v podobě multimediálních služeb vede k nárůstu požadavků na přenosové kapacity. Zejména paketový způsob přenosu protokolem IP (Internet protokol) způsobuje obrovský rozvoj Internetu. Pro správné dimenzování telekomunikačních sítí a požadavků na její služby je třeba nastavit správné hodnoty přenosových parametrů: Přenosová rychlost konstantní, proměnná, max., min., garantovaná Symetrie služby datový tok od a k účastníkovi Možný stupeň komprese digitálního toku Maximální přístupová chybovost Maximální akceptovatelné zpoždění Míra využití přenosového kanálu Průměrná délka relace Poptávka po službě Úroveň poskytované služby telekomunikační sítí se posuzuje na základě kvality služeb QoS (Quality of Service), který je pro přenosové sítě a prostředky definován v doporučení ITU-T G.1000. Mezi základní kritéria patří: rychlost (speed) přesnost (accuracy) dosažitelnost (availability) spolehlivost (reliability) bezpečnost (security) jednoduchost (simplicity) pružnost (flexibility) Tyto kritéria hodnotí všechny funkce související se službou (service management). Sem patří proces nabízení, zřizování a rušení služeb, provádění údržby a vlastní kvalita spojení (connection quatity) zahrnující sestavení, komunikaci rozpad spojení, účtování a řízení služby účastníkem. Kvalitativní požadavky jsou shrnuty v tab. 1. Tab. 1: Základní kvalitativní předpoklady pro různé skupiny služeb Charakter vyžadující interaktivní doručování odpověď včasné není kritické zpoždění << 1s ~ 2s ~ 10s >> 10s Konverzace pomocí hlasu a Hlasové a Audio a video na obrazu (telefon, obrazové zprávy přání telefax videotelefon) tolerance chyb do určité výše nutný přenos bez chyb Povely a řízení (např. Telnet, interaktivní hry) Transakce a hledání informací (browsing) Zasílání zpráv a stahování souborů Stahování souborů a přenos na pozadí Kvality služby se uplatňuje zejména na straně účastníka. Kombinace různých typů služeb v paketových sítích je shrnuto v doporučení ITU-T G.1010, jsou popsána základní kritéria vedle přenosové rychlosti, která mají vliv na charakter služeb:

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 9 Zpoždění (delay) Kolísání zpoždění (delay variation) Ztrátovost informace (infermation loss) V tabulce 2 a 3 jsou podrobněji vyjádřené informace základních kvalitativních ukazatelů pro různé typy aplikací a jim odpovídající datové toky. PLR (Packet Loss Rate vyjadřuje četnost ztracených paketů při krátkodobém výpadku spojení. Aplikace v tabulce 3 nemají uvedeny hodnoty pro kolísání zpoždění, jelikož tento parametr není podstatný, avšak význam parametr BER (Bit Error Rate) je téměř nulový. [2] Tab. 2: Základní kvalitativní ukazatele pro přenos zvukové a obrazové informace Přenos zvukové informace (voice, audio) Přenos obrazové informace (video) aplikace symetrie typická rychlost [kbit/s] telefonie symetricky 4 až 64 hlasové zprávy rozhlasové pořady (audio na přání) zpoždění [s] <0,4 preferováno <0,15 kolísání zpoždění [ms] PLR <1 <3% jednosměrně 4 až 32 <1 <1 <3% jednosměrně 16 až 128 <10 <<1 <1% videotelefon symetricky 16 až 384 aplikace TV pořady (video na přání) Tab. 3: jednosměrně 16 až 384 kvalitní až Mbit/s <0,4 preferováno <0,15 <1% <10 <1% Základní kvalitativní ukazatele pro přenos dat typická symetrie objem zpoždění [s] dat [kb] hledání informací (browsing) asymetricky ~10 stahování souborů a statických obrázků asymetricky 10 až 1000 obchodní transakce symetricky <10 <2 přípustné <4 <15 přípustné <60 <2 přípustné <4 četnost chyb BER dálkové řízení a interaktivní hry asymetricky <1 <0,2 ~0 e-mail (přístup k serveru) jednosměrně <10 <2 přípustné <4 e-mail (mezi servery) jednosměrně <10 několik minut ~0 telefax jednosměrně ~10 několik minut ~10 6 ~0 ~0 ~0 ~0 2.4 Struktura telekomunikační sítě S nástupem moderních komunikačních technologií se mění požadavky na charakter a vlastnosti telekomunikačních sítí. Změny v architektuře sítí a jejich hlavní vlastnosti jsou vyvolané novými nároky ze strany uživatelů, ale také ze strany síťových operátorů. Mezi nejvýznamnější faktory ovlivňující architekturu patří: Nárůst počtu účastníků a jejich požadavky na zavádění nových služeb.

10 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Prudký nárůst požadavků na objem datových komunikací. Nárůst nároků na zabezpečení personální mobility. Podpora pro vznik konkurenčního prostředí pomocí demonopolizace služeb telekomunikačních operátorů. Na zabezpečení nejen všech výše uvedených požadavků se struktura moderních telekomunikačních sítí člení na tyto části (obr. 2.1): Síť koncových zařízení koncové zařízení (terminály) a přenosová síť k rozhraní. Přístupová síť přístup terminálu ke spojovací síti. Spojovací síť propojovací funkce. Transportní síť propojení všech spojovacích uzlů Signalizační síť výměna řídících informací. Inteligentní síť funkční rozšíření k poskytování služeb celosíťového charakteru. Telekomunikační řídící síť TMN (Telecomunication Management Network) integrace jednotlivých dohledových a řídicích systémů všech síťových prvků. [4] Inteligentní síť T N M Signalizační síť Transportní síť Spojovací síť Přístupová síť Obr. 2.1: Architektura telekomunikační sítě Z hlediska poskytování různých druhů služeb se může struktura telekomunikační sítě rozdělit na tyto části: Zařízení síťových uzlů (spojovací zařízení ústředny, přepínače, směrovače a informační zdroje servery, databanky) Páteřní síť - přenos signálů mezi uzly Přístupová síť přenos signálů mezi uzly a účastníky Struktura telekomunikační sítě je znázorněna na obr. 2.2, kde označení WAN (Wide Area Network) představuje přenos informací na velkou vzdálenost, metropolitní síť MAN (Metropolitan Area Network) obsahuje různé typy a formy přístupových sítí, lokální sítě LAN (Local Area Network) tvoří síťovou strukturu u účastníka, dále se můžeme setkat s osobními

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 sítěmi PAN (Personal Area Network), které jsou především tvořeny rádiovými systémy Bluetooth či ZigBee. Přenosové cesty v páteřní síti jsou tvořeny různými způsoby (metalika, optika nebo rádiové spoje), ovšem vzhledem k velkým objemům přenášených dat se dnes budují především optické trasy. Mezi jednotlivými telekomunikačními uzly se využívají opakovače či zesilovače k regeneraci a zesílení přenášených signálu Součástí uzlů jsou linková zakončení LTE (Line Terminal Equipment), která přizpůsobují signály pro další přenos. Pro páteřní sítě platí: Přeprava užitečné zátěže mezi uzly Přenosové rychlosti od stovek Mbit/s až po stovky Gbit/s Transport na velké vzdálenosti Přenosová zařízení u provozovatelů Přístupová síť radioreléový spoj uzel informační zdroje přenosové zařízení LTE linkový trakt zesilovač úsek vedení (opakovač) uzel spojovací zařízení LTE zesilovací (opakovací) úsek LTE LAN pronajatý okruh Páteřní síť PAN MAN WAN Obr. 2.2: Struktura telekomunikační sítě Přístupové sítě provádějí sběr provozu v dané oblasti k a od telekomunikačního uzlu a jednotlivých účastníků, přenosové rychlosti odpovídají telekomunikačním službám a přenosová zařízení jsou dislokována u uživatelů. Její funkce se dají popsat pomocí následujících bodů: Přenos (transport) signálů Sdružování (multiplexování) signálů Třídění provozu (grooming) Přizpůsobení (adaptaci) účastnického rozhraní Přizpůsobení (adaptaci) síťového rozhraní

12 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Přístupová síť AP (Access Network) je hierarchicky nejnižší, ale významnou částí moderní telekomunikační sítě (obr. 2.3). Na přenos signálů mezi koncovými body přístupové sítě a spojovací sítě používá všechny druhy přenosových médií, metalické, optické i rádiové. [2] Síť nové generace GSM síť Management a signalizace Aplikace a služby Přístupová síť Brána Telefonní/ ISDN síť Brána Multiservisní síť Brána Brána UMTS Obr. 2.3: Moderní telekomunikační síť Logická architektura přístupové sítě s ohledem na to, že jedna z úloh je koncentrace provozu z účastnických terminálů do spojovací sítě, je stromová nebo hvězdicová. Je tedy možné ji rozdělit na dvě úrovně, primární a sekundární (obr. 2.4). Primární úroveň zabezpečuje transport informačního toku společným přenosovým prostředím mezi jednotku zakončení LT (Line Termination) a distribučním bodem DP (Distribution Piont). Distribuční bod je možné chápat jako vnitřní rozhraní přístupové sítě. Sekundární síť zabezpečuje transport toků k zakončení přístupové sítě NT (Network Termination), ke které jsou přes účastnické rozhraní připojena koncová zařízení. [4] Rozhraní DP NT NT LT DP Spojovací síť NT Primární síť Sekundární síť Síť koncových zařízení Obr. 2.4: Všeobecná architektura přístupové sítě

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 13 Funkční architektura přístupové sítě představuje soubor nezbytných funkcí, které se vykonávají v přístupové síti. Mohou se rozdělit na: Přenosové funkce, kam patří transport informačních toků mezi spojovací sítí a účastnickými zařízeními, koncentrace provozního zatížení, multiplexování, grooming. Funkce systémových portů standardizované rozhraní SNI (Service Network Interface) Funkce účastnických portů standardizované rozhraní UNI (User Network Interface) Společné funkce řízení, dohled, konfigurace, podpora TMN (Telecommunication Manegement Network)

14 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 3 Přístupové metody a způsoby přenosu V telekomunikačních sítích, bez ohledu na přenosová média, je nutné zabezpečit efektivní využití přenosové kapacity. Každá metoda vícenásobného přístupu na společné médium rozděluje přenosovou kapacitu na části, které přidělují jednotlivým spojením. Přístupové metody můžeme rozdělit na metody stochastické, využívající náhodný proces jako metodu přístupu, což zvyšuje riziko vzniku kolize, metody s minimalizací kolize, které používají částečné řízení přístupu na přenosové médium a metody deterministické, které zabezpečují bezkonfliktní přidělování přístupového práva. 3.1 Stochastické a deterministické přístupové metody Nejjednodušším přístupovým mechanismem je plně stochastická metoda náhodného začátku vysílání dat terminálem a náhodným časem čekání při vzniku kolize. Zdroj začíná vysílat bez ohledu na situaci na společném médiu a očekává potvrzení přenosu zprávy. Pokud do stanoveného času nedostane potvrzení, po náhodném čase opakuje vysílání. S rostoucím provozem však roste riziko vzniku kolize, zvyšuje se počet opakování a tím i další růst provozu. Zlepšení propustnosti se dá dosáhnout zavedením deterministických prvků ro řízení přístupu. Jednou z možností je vymezení periodicky se opakujících krátkých časových úseků, ve kterých je možné začít vysílání. Vytvoří se časový rastr společně s požadavkem pevné délky přenášených paketů a nutnosti synchronizace terminálů. Zásadním problémem stochastickým metod je minimalizace vzniku kolizí. Jedna z možností je rezervace, kdy je přenos organizovaný v rámcích, které jsou děleny na jednotlivé kanálové intervaly. Jejich počet je stejný anebo vyšší, než je počet terminálů, přičemž každý terminál má předdefinovaný kanálový interval s prioritou. Významnou skupinou metod minimalizujících vznik kolizí jsou metody, které před začátkem vysílání monitorují stav přenosového média. Tyto metody se značí jako CSMA (Carrier Sense Multiplex Access). Pro zvýšení efektivity této metody se po zjištění kolize vysílá speciální signál, který rozpoznají všechny terminály včetně vysílacího, který bez čekání přeruší vysílání a po náhodném čase a ověření stavu média se pokusí opakovat vysílání. Tato metoda je známá jako CSMA/CD (CSMA Colision Detection) detekce kolize a byla přijatá jako standard IEEE 802.3 pro lokální datové sítě typu Ethernet. V přístupových sítích se však využívá především deterministických metod, které zabezpečují bezkonfliktní přidělování přístupových práv na společné médium. Podle způsobu řízení přístupu můžeme deterministické metody rozdělit: s pevným přiřazením přenosové kapacity s přiřazením přenosové kapacity ne požadavek s rezervací přenosové kapacity. Metody s pevným přiřazením vychází z multiplexních metod pro spojení typu bod bod a je možné je rozdělit se segmentací přenosové kapacity v časové oblasti, frekvenční oblasti či v oblasti vlnové délky nebo na bázi kódování signálů. V dalších kapitolách jsou uvedeny ty nejvýznamnější přístupové metody, které se používají v přístupových sítích. Podrobnější informace o přístupových metodách lze nalézt např. v [2], [4].

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 15 3.2 Přístupová metoda TDMA Přístupová metoda TDMA (Time Division Multiplex Access) je časově dělený vícenásobný přístup na přenosové médium. Multiplexování údajů z jednotlivých terminálů do společného toku směřujícího k centrálnímu uzlu mohou být: Bitově orientované datový tok se vytváří multiplexováním příspěvkových bitů jednotlivých terminálů. Blokově orientované uživatelské data jsou seskupené v blocích navzájem oddělených mezerou buď s pevným přidělením přenosové kapacity, nebo s dynamickým přidělováním kapacity. Na obrázku 3.1 je jednoduchá síť se stromovou architekturou, která zabezpečuje obousměrný přenos mezi centrálním uzlem N a terminály A, B, C. Při použití synchronního přenosového módu probíhá přenos v rámcích začínající kanálovým intervalem nesoucím slovo rámcové synchronizace (S), podle které se terminály zasynchronizují, a každý má potom přidělený příslušný kanálový interval. TDM S A B C A N S A B C S A B C B A A S A B C C B B A B C N C C TDMA Obr. 3.1: Přístupové metody TDM a TDMA 3.3 Frekvenčně dělený vícenásobný přístup FDMA Frekvenčně dělený vícenásobný multiplex FDMA (Frekvency Division Multiplex Access) pracuje podobně jako časově dělený multiplex, pro dělení celkové kapacity přenosového média používá větší počet frekvenčně dělených segmentů. Každý segment je pevně přiřazený jednomu přenosovému kanálu. Vzhledem na stabilitu frekvence je třeba mezi jednotlivými segmenty vynechat ochranné frekvenční pásmo, čímž se sníží efektivita využití kapacity kanálu. Její hlavní použití je v oblasti rádiových přístupových systémů. Technika frekvenčního multiplexu se často používá v kombinaci s jinými metodami.

16 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 3.4 Vlnově dělený vícenásobný přístup WDMA Vlnově dělený vícenásobný přístup WDMA (Wavelength Division Multiplex Access) využívá na přenos jednotlivých kanálů různé optické vlnové délky. V nejjednodušším případě se používá optický vlnový multiplex na oddělení dopředné a zpětné přenosové cesty, přičemž každá probíhá v jiné vlnové délce. Pro vytvoření vícekanálového přenosového systému je třeba vytvořit větší počet optických nosných umístěných v optickém okně. Podobně jako při frekvenčně děleném přístupu FDMA je možné na společném médiu vytvořit spojení bod bod nebo bod více bodů. Pro spojení bod bod se používá samostatná optická vlnová délka pro každý přenášený kanál, což vytváří jednoduchý optický multiplex. Jednotlivé optické signály jsou sloučené do celkového toku pasivním multiplexorem a na straně přijímače se podobným multiplexorem rozdělí optické nosné k jednotlivým přijímačům. Pro vícenásobný přístup se jednotlivým kanálům přidělují optické vlnové frekvence multiplexně, což znamená zařadit přeladitelné členy alespoň na jeden konec přenosové cesty. Principiálně lze použít: Přeladitelný vysílač a pevně naladěné selektivní přijímače Přeladitelný přijímač a pevně naladěné vysílače Laditelné přijímače i vysílače Ve všech případech se slučování toků do jednotlivých vysílačů a směrování k přijímačům zabezpečuje neselektivním optickým dělícím / slučovacím prvkem (např. optický hranol). Takováto síť pracující na tomto principu se nazývá Broadcast and Select [5]. Na obrázku 3.2 je znázorněn princip sítě s laditelnými prvky v přijímačích u terminálů a v síťovém zakončení na straně sítě. TE NT TE TE 1 TE TE 2 NT TE n Směr přenosu Obr. 3.2: Pasivní síť s laditelnými přijímači 3.5 Přístupová metoda SCMA Přístupová metoda SCMA (SubCarrier Multiple Access) využívá principy frekvenčně děleného vícenásobného přístupu v elektrické i optické oblasti. Jednotlivé přenášené kanály jsou, stejně jako u FDM, modulované na elektrické subnosné frekvence, které následně

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 17 modulují optické nosné. Na rozdíl od WDM je separace kanálů přesunutá do elektrické oblasti, což umožňuje nahradit optické laditelné prvky elektronickými obvody. V současnosti umožňuje vysokofrekvenční technika: Rychlejší laditelné přijímače i vysílače Lepší využití přenosové kapacity média mnohostavovými modulacemi Vyšší stabilitu generovaných frekvencí Zachování optického přenosového média na transport signálu Metody SCMA se dělí na jedno nebo vícekanálové. U jednokanálové metody se ve směru bod více bodů používá skupinové oslovení terminálů (Broadcast), kdy příspěvkové signály jednotlivých terminálů jsou namodulovány na elektrické subnosné a sloučeny do širokopásmového toku FDM. Ten se moduluje na optickou nosnou a je přenesen ke všem terminálům, které obsahují širokopásmové optické přijímače a selektivním výběrem oddělí příslušný datový tok v elektrické oblasti. V opačném směru (obr. 3.3) používá terminál vlastní optickou vlnovou délku a přidělenou frekvenci pro elektrickou subnosnou. Vlnové délky terminálů jsou si podobné, ne však stejné, aby se superpozicí optických příspěvkových toků optickým slučovačem vytvořil výsledný kompozitní signál, který se na přijímací straně mění na signály elektrické a příslušné kanály se vyberou selektivním výběrem (např. filtr nebo synchronní demodulátor). TE E/O- X f j O/E LF SD TE E/O- Y f k f k Obr. 3.3: Princip SCMA pro směr bod více bodů Možnosti použití ovlivňuje požadovaná hodnota odstupu signál šum. Použití této přístupové metody je vhodné nejlépe v případech, kdy se optickou trasou nahradí rádiová část. Za nevýhody můžeme považovat citlivost a nelinearitu, už zmiňovaný dostatečný odstup signál šum a u jednokanálové varianty SCMA malé využití kapacity přenosového média. 3.6 Přístupová metoda CDMA Přístupová metoda CDMA (Code Division Multiplex Access) patří do metod pracujícím s rozprostřeným spektrem [x]. Na rozdíl od TDMA a FDMA, které využívají časovou nebo frekvenční oblast, při metodě CDMA používají všechny terminály stejnou frekvenční i časovou oblast. Jednotlivé kanály se oddělují přiřazením specifického kódového slova každému spojení. Kódové slovo obsahuje n bitů, jehož hodnota definuje tzv. faktor rozprostření, který se také nazývá systémový zisk (Spread Factor). Přenos kódových signálů vyžaduje podstatně větší šířku pásma a její podstatnou výhodou je minimalizace rizika příjmu signálu neoprávněným přijímačem. Systémy s rozšířeným spektrem můžeme podle použité modulační metody rozdělit na: Systémy s přímým vytvářením pseudonáhodné posloupnosti (Direct Sequence, Pseudo Noise)

18 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Systémy pracující se změnou spektra ve frekvenční nebo časové oblasti (Frequency Hopping, Time Hopping) 3.7 Srovnání přístupových metod Na obrázku 3.4 můžeme graficky porovnat tři základní přístupové metody na společné médium v časové a frekvenční ose. Jedná se o zjednodušený přehledný popis rozdílů mezi těmito metodami. Zatímco u FDMA probíhá komunikace ve stejném čase pro všechny komunikační kanály, přičemž každý z nich využívá jiné frekvenční pásmo, u TDMA je komunikace rozdělena do jednotlivých časových slotů, které se periodicky opakují. Frekvenční kanály mají mezi sebou ochranné pásmo z důvodu možné interference, časové kanály následují těsně za sebou. U metody CDMA pak komunikace probíhá ve stejném čase i frekvenčním spektru, jednotlivé komunikační kanály se liší kódovým slovem. FDMA TDMA Časová okna N B N Frekvence... 3 B 3 B Frekvence 1 2 3 N 1...... 2 B 2 1 B 1 T s t t kód CDMA... kód N N...... čas kód 2 2... kód 1 1 frekvence Obr. 3.4: Srovnání přístupových metod

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 19 4 Metalické přístupové sítě Metalické přístupové sítě patří historicky k nejstarším telekomunikačním sítím. Jejich počátek nastal s vynálezem prvních telefonů, které způsobili obrovský nárůst metalických vedení a využívání jejich služeb. K těm nejstarším zcela určitě patří telefonní síť. Základ takovéto sítě tvoří telefonní kabel (dvojlinka), která spojuje fyzicky uživatele s místní ústřednou. Ty pak přes tranzitní ústředny a mezinárodní ústředny spojují všechny telefonní uživatele. Nejprve vyrostla analogová síť, která postupem času byla nahrazována sití digitální. Ve většině případů se modernizovali jen ústředny, uživatelská vedení zůstala a mohou sloužit ještě dnes nejčastěji k datovým službám. Význam a využitelnost metalických vedení zaslouží více pozornosti, některé z těchto informací lze nalézt v literatuře [2]. A právě oblast mezi uživatelem a prvním síťovým bodem (ústřednou) řeší problematika přístupových sítí. 4.1 Rozhraní mezi přístupovou sítí a místní ústřednou Jednou ze základních požadavek při koncepci přístupové sítě je systémová nezávislost na technologii účastnického spojovacího systému. To předpokládá použití standardního mezinárodně normalizovaného rozhraní mezi oběma systémy. Rozhraní je situováno do referenčního bodu V, který leží mezi modulem zakončení digitálního spojovacího systému ET (Exchange Termination) a modulem linkového rozhraní na přenosové prostředí LT (Link Termination) obr 4.1. Místní spojovací systém U LT V ET Obr. 4.1: Referenční bod V V úzkopásmové ISDN je několik typů digitálních rozhraní V: V1 rozhraní digitální účastnické přípojky základního přístupu V2 rozhraní pro připojení vzdálené účastnické jednotky RSU (Remote Subscriber Unit) V3 rozhraní digitální privátní ústředny primárním multiplexem V4 rozhraní digitálního multiplexního přenosového systému s kapacitou 12xBRA (Basic Rate Access) V5 připojení zařízení, které umožňuje připojit analogové i digitální účastnické přípojky přes multiplexní digitální trakt případ přístupové sítě Všechny rozhraní V s výjimkou V1 pracují na fyzické vrstvě s multiplexním tokem PCM (Pulse-Code Modulation) 1. řádu s přenosovou rychlostí 2,084 Mbit/s (označuje se jako signál E1). Po funkční stránce musí rozhraní V5 zabezpečit přenos pro tyto informační toky:

20 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava informační kanály, signalizační kanály D pro BRA nebo PRA (Primary Rate Access), signalizaci analogových účastnických přípojek, řídící informace pro řízení účastnických portů, řídící informace pro řízení přístupové sítě. Navíc může rozhraní V5 podporovat dynamické přidělování volného kanálového intervalu a zvyšování spolehlivosti přenosu řídících informací rozšířeným řízením komunikačních kanálů. [4] Architektura rozhraní V5 je na obr. 4.2. V současnosti jsou definované dva typy rozhraní V5. Rozhraní V5.1 je jednoduché vytvořené jedním multiplexním tokem E1 bez možnosti koncentrace, rozhraní V5.2 logicky kombinuje do jediného logického celku větší počet digitálních okruhů se strukturou E1. BRA D B 1 B 2 S/T Informační kanály PRA D B 1... B 30 S 2M. BRA AP Místní ústředna Sig. B BKS Rozhraní V5 Obr. 4.2: Architektura rozhraní V5 Řídící kanály Architektura protokolů na rozhraní V5 probíhá na úrovni prvních třech vrstev modelu OSI. Na obrázku 4.3 jsou zobrazeny částečné funkce protokoly v obou vrstvách, které zabezpečují signalizace pro jednotlivé typy spojení, jako je analogový účastník PSTN (Public Subscrieber Telephone Network), ISDN porty, porty dynamického přidělování volného kanálu BCC (Bearer Chanel Control protokol), řízení přístupové sítě CRTL (Control) řízení datového okruhu LC (Lin Control a rekonfiguraci řídících kanálů při poruše PC (Protect Control). Jsou zde uvedeny i hodnoty adres, které jsou pak zapsány v binární podobě. Každý protokol se přenáší samostatnou logickou cestou. Tato protokolová architektura odpovídá rozhraní V5.2, pro V5.1 pak budou chybět části podporující dynamické přidělování kanálů BCC a přídavné řídící signalizační kanály PC a LC. [2]

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 21 Terminály ISDN BRA - PRA Analogové účastnické terminály Spojovací systém Řízení přístupové sítě Řízení přístupové sítě PSTN L3 CTRL L3 BCC L3 PC L3 LC L3 L3 ISDN SIG PSTN SIG CTRL L3 BCC L3 PC L3 LC L3 ISDN 0-8175 PSTN 8176 CTRL 8177 BCC 8178 PC 8179 Fyzická vrstva přístupové sítě LC 8180 L2 ISDN 0-8175 PSTN 8176 CTRL 8177 BCC 8178 PC 8179 Fyzická vrstva přístupové sítě LC 8180 Obr. 4.3: Architektura protokolů rozhraní V5.2 4.1.1 Linková vrstva protokolu rozhraní V5 Linková vrstva protokolu V5, tedy LAPV5 (Link Access Procerure V5) se člení do třech podvrstev: Podvrstva funkcí obálky LAPV5 EF (Envelope Function Sublayer) Podvrstva všeobecné linkové vrstvy LAPV5 DL (Data Link Sublayer) Podvrstva pro transparentní přenos rámců LAPV5 FR (Frame Relay Sublayer) Podvrstva obálky vytváří z přenášených údajů rámce (složen z oktetů) se standardním úvodním a koncovým návěštím (7E 10000001), kontrolním 16-bitovým součtem FCS (Frame Check Sequence) a přídavným řídícím polem. Do informačního pole s délkou 3 533 oktetů se vkládají protokolové zprávy ze síťové vrstvy viz. tabulka 4. Tab. 4: Formát rámce LAPV - EF Návěští (7EH) Adresa EF 0 EA=0 Adresa EF EA=1 INFO... FCS FCS Návěští (7EH) Podvrstva všeobecné linkové vrstvy LAPV5 DL (tabulka 5) doplňuje přenášenou zprávu o standardní záhlaví, které tvoří adresové pole s délkou dva oktety a řídící pole. Vzniknou tak dva typy rámců, a to řídící rámec, který neobsahuje informační pole a slouží jako dohledový a informační rámec, který informační pole obsahuje, a do něj se potom vkládají protokoly síťové vrstvy.

22 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Tab. 5: Formát rámce LAPV - DL Adresa Adresa Řídící pole Řídící pole Informační pole... Informační pole Adresní pole specifikují adresy spojení v linkové vrstvě, pomocí řídících procedur se vytváří a ruší logické spojení na úrovni 2 vrstvy. Pro případ přenosu signalizace pro ISDN se podvrstva LASPV - DL přenáší transparentně pomocí LAPV5 FR podvrstvy, kdy rámce protokolu LAPD splynou s adresami v LAPV FR. 4.1.2 Síťová vrstva protokolu rozhraní V5 Do informačního pole rámce LAPV5 DL se vkládají protokolové zprávy nadřízené vrstvy. Formát záhlaví zprávy obsahuje tyto prvky: diskriminátor protokolu s délkou jeden oktet, adresa s délkou dva oktety, typ zprávy s délkou jeden oktet, přídavné informační prvky pokud jsou potřebné. Prvky se pak liší podle toho, k jakému částečnému protokolovému souboru patří. Obecně však tyto protokoly zajišťují sestavení, uvolnění a řízení spojení v přístupové síti, přenos řídících informací, vytváření komunikačních cest mezi účastnickými porty, a to jak analogovými, ale i digitálními, a ústřednou přes přístupovou síť. [4] 4.2 Přenosová technologie typu xdsl Vývoj technologie digitální účastnické přípojky DSL (Digital Subscriber Loop) směřuje od obyčejných DSL na základní přístup ISDN až po vysokorychlostní typy přístupů na multimediální aplikace. Mimo poskytování šířky přenosového pásma je možné přístupové technologie rozčlenit na přípojky symetrické, které poskytují v obou směrech přenosu stejnou kapacitu, a nesymetrické s přenosovou kapacitou rozdělenou tak, že ve směru síť účastník poskytuje větší kapacitu, než ve směru opačném. Na metalických párech se používají i tyto přenosové technologie: Digitální účastnická přípojka základního přístupu IDSL (ISDN DSL). Přenosový systém HDSL (High-bitrate DSL), a jeho modifikace. Asymetrická účastnická přípojka ADSL (Asymetrical DSL). Vysokorychlostní účastnické přípojky VDSL (Very high-bitrate DSL). Digitální účastnická přípojka s funkcí distribuce TV/R signálů BDSL (Broadcast DSL).

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 23 5 Technologie xdsl pracující v základním pásmu Technologie xdsl patří k velmi rozšířeným technologiím díky už vybudované metalické síti, kterou lze využít. Jedná se především o využití symetrických kroucených párů, které slouží nebo sloužili pro pevnou telefonní síť. V případě systémů pracujících v základním pásmu však nasazení této technologie neumožňuje nadále využívat telefonní síť. Mezi takovéto systémy patří především technologie IDSL, HDSL a jejich vývojové varianty. 5.1 Digitální účastnická přípojka typu IDSL Digitální účastnická přípojka základního přístupu ISDN-BRA, kterou ukazuje zjednodušený referenční model na obr. 5.1, představuje přenosové prostředí mezi přípojným místem účastnického terminálu (rozhraní S) a spojovací sítí (linkové zakončení LT). Přístupová sekce digitální přípojky je definovaná mezi referenčními body V1 a T, přenosové prostředí probíhá LT a NT1. Přenosovým médiem je metalické dvojdrátové vedení, přes které probíhá přenos rychlostí 160kb/s v plném duplexu. Použitá technologie umožňuje provoz plně symetrického toku po běžném vedení do délky 10 12 km. [4] V1 U T S ET LT NT1 NT2 TE Obr. 5.1: Zjednodušený referenční model přípojky BRA Technologie IDSL v porovnání se systémem ISDN představuje přímé (permanentní) připojení na datovou síť, kde odpadá prodleva při vytáčení spojení. Koncentrátor využívá statického multiplexování paketů, přenos probíhá v základním pásmu s využitím linkového kódu 2B1Q ovšem bez možnosti hlasových služeb (viz. obrázek 5.2). [2] Internet ISDN přípojka ústředna Síť ISDN ISP Internet IDSL přípojka koncentrátor Datová síť ISP Obr. 5.2: Porovnání technologií ISDN a IDSL

24 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 5.2 Digitální účastnická přípojka typu HDSL Zařízení HDSL patří do kategorie datových měničů signálu v základním pásmu s potlačenou stejnosměrnou složkou. HDSL systémy se používají pro přenos dat s maximální přenosovou rychlostí E1 2048 kbit/s (nebo T1 specifikováno podle ANSI) po nestíněných metalických párech v místních kabelech. Pro přenos bitového toku se u HDSL používá linkový kód 2B1Q. Při jejím použití již není možno na stejném symetrickém páru souběžně využívat ISDN nebo telefonní frekvenční pásmo. Doporučení připouští alternativně modulaci CAP (Carrierless Amplitude Phase modulation), pomocí které se dociluje většího překlenutelného útlumu a u níž lze pro přenos využít pouze jednoho páru. Při použití CAP je možné souběžně využívat na stejném vedení telefonní pásmo nebo ISDN. Nicméně v České republice i v celé Evropě má převahu využívání HDSL s kódem 2B1Q. Přenos digitálního signálu probíhá v místní rozvodné síti telefonních kabelů (symetrických párech) označovaných jako vedení DLL (Digital Local Loop). HDSL umožňuje plně duplexní přenos dat, který je dosažen použitím metody potlačování ozvěn EC (Echo Cancellation). Duplexní symetrický přenos je možné realizovat pomocí dvou nebo tří párů vedení DLL. V tabulce 6 je uvedeno srovnání některých parametrů pro 2 a 3 páry HDSL vysílačů. [2] páry Tab. 6: Porovnání HDSL na 2 a3 párech Služební TU-12 v p v kanál p v m A [kbit/s] [kbit/s] [kbit/s] [kbit/s] [kbd] [150kHz] 2 2304 1152 16 1168 584 27 db 3 2304 768 16 784 392 31 db HDSL je symetrický širokopásmový přenosový systém. To znamená, že datové rychlosti pro upstream a downstream jsou stejné. Většinou využívá dva metalické páry pro T1 bitové rychlosti a dva nebo tři páry pro E1 bitové rychlosti jak je vidět na obr. 5.3. Místní síť Internet/ Společná síť Server Směrovač s HDSL rozhraním 2 nebo 3 metalické páry (2 páry pro T1 3 páry pro E1) Místní ústředna (T1/E1, rozdělovací a slučovací multiplexor) Přepínač Směrovač Obr. 5.3: Základní architektura HDSL Typický dosah takových systémů je okolo 2,7 až do 3,6 km. HDSL byla zpočátku užívána telekomunikacemi na E1 služby ve většině případů pro propojení PbX.

Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 25 HDSL neobsahuje podporu klasické telefonie, protože využívá pásmo frekvencí překrývající hlasové pásmo. Pro tento důvod je HDSL architektura z podstaty bez mikrofiltrů (splitter). 5.2.1 Rámec HDSL Vlastní rámec u technologie HDSL má jmenovitou délku 6 ms a přenáší přicházející rámce z toků 1. Řádu (E1) nebo ISDN PRA. Tento datový tok 2048 kbit/s je mapován do kontajneru C-12 (z SDH Synchronous Digital Hierarchy), přidáním záhlaví cest vzniká virtuální kontejner VC-12 a dále příspěvková jednotka TU-12 s přenosovou rychlostí 2304 kbit/s. Ty se pak rozdělují na příslušný počet párů bajtovým demultiplexováním (tzv. inverzní multiplex) a tvoří bloky dat v rámci HDSL (obr. 5.4). [5] 6 ms Synchro skupina H Blok 1-12 H Blok 13-24 H Blok 25-36 H Blok 37-48 H S Datové bloky BI 0 BI 1 BI 2... BI 10 BI 11 1. pár Zn 1. 3. 5.... 33. 35. H - služební bity HDSL S - vyrovnávací symboly stuffingu Zn - bity pro identifikaci páru datového bloku bajt bajt 2. pár Zn 2. 4. 6.... 34. 36. Obr. 5.4: Složení rámce HDSL pro dva páry Rámec je rozdělen do čtyř částí. Synchronizační slovo (synchroskupina) se přenáší na začátku každého rámce, pak následuje záhlaví H a 12 datových bloků, kterých je celkem 48, přičemž každých 12 bloků má své záhlaví. Záhlaví obsahuje synchronizační, poplachové a stavové bity, provozní kanál a zabezpečovací slovo CRC-6. Každý datový blok obsahuje na začátku identifikaci čísla bloku (1 48) a číslo páru (1 3) pomocí Zn. Pro vyrovnání taktovací frekvence přenášeného toku a zařízení HDSL se používá metoda stuffingu. Složení rámců je rozdílné pro různé počty párů, datový tok se rovnoměrně rozděluje po bajtech mezi všechny páry. 5.2.2 Struktura HDSL systému V doporučeních jsou definovány dva typy jednotek HDSL. Ústřednová část LTU (Line Termination Unit) zajišťuje generování taktu ze svého vnitřního zdroje, popřípadě jeho odvození z taktu sítě a koncová část NTU (Network Termination Unit) odvozuje taktovací