- Witamy na części 5. wykładu z Sieci Transmisji Danych.
- Tematem dzisiejszego spotkania są sieci telefoniczne i ich ewolucja.
- Omówimy klasyczne sieci POTS i PSTN oraz ich architekturę.
- Poznamy historię telekomunikacji w USA oraz w Polsce.
- Zrozumiemy rolę modemów i techniki modulacji sygnału (ASK, FSK, PSK, QAM).
- Na koniec przeanalizujemy cyfrowe technologie dostępowe rodziny xDSL.
- PSTN (Public Switched Telephone Network) to globalna publiczna sieć telefoniczna.
- Pierwotnie zaprojektowana wyłącznie do analogowej transmisji głosu w czasie rzeczywistym.
- Opiera się na technologii komutacji łączy (Circuit Switching).
- Zapewnia dedykowany, fizyczny (lub logiczny) kanał komunikacyjny na czas trwania połączenia.
- Gwarantuje stałe pasmo, ale nieefektywnie zarządza zasobami w przypadku braku transmisji.
- POTS to klasyczna, analogowa usługa telefoniczna świadczona w ramach PSTN.
- Wykorzystuje dwużyłową skrętkę miedzianą (pętlę abonencką) łączącą abonenta z centralą.
- Napięcie w linii wynosi typowo 48 V prądu stałego (-48 V DC).
- Zaprojektowana głównie dla optymalnego przenoszenia częstotliwości ludzkiego głosu.
- Medium to stało się później podstawą dla pierwszych szerokopasmowych usług transmisji danych.
- Abonencka linia telefoniczna nie przenosi całego widma częstotliwości.
- Dla optymalizacji urządzeń zwielokratniających w centralach zastosowano filtry pasmowoprzepustowe.
- Pasmo akustyczne ograniczone jest do zakresu od 300 Hz do 3400 Hz.
- Daje to szerokość pasma (bandwidth) wynoszącą zaledwie 3,1 kHz.
- Takie ograniczenie stanowiło ogromne wyzwanie dla cyfrowej transmisji danych z komputerów.
- Komputery generują sygnały cyfrowe, czyli binarne przebiegi prostokątne.
- Sygnał prostokątny posiada teoretycznie nieskończone widmo (szerokie pasmo harmonicznych).
- Próba przesłania go bezpośrednio przez kanał POTS (3,1 kHz) skutkuje całkowitym zniekształceniem.
- Rozwiązaniem jest użycie urządzeń zwanych modemami.
- Modem to skrót od Modulator-Demodulator.
- Modulacja: Proces nakładania informacji cyfrowej (bitów) na analogową falę nośną, mieszczącą
się w paśmie 300-3400 Hz.
- Modem nadawczy zamienia 'zera' i 'jedynki' na specyficzne tony akustyczne.
- Demodulacja: Proces odwrotny realizowany przez modem odbiorczy.
- Analizuje on odebrane tony i odtwarza z nich pierwotny ciąg bitów.
- Umożliwia to dwukierunkową komunikację cyfrową po analogowej linii telefonicznej.
- Aby przenieść informację, modem musi modyfikować (kluczować) właściwości fali nośnej.
- Fala sinusoidalna posiada trzy podstawowe parametry:
- Amplitudę (A) - maksymalne wychylenie od położenia równowagi (głośność dźwięku).
- Częstotliwość (f) - liczbę pełnych okresów w jednostce czasu (wysokość dźwięku).
- Fazę (φ) - przesunięcie kątowe fali w danej chwili.
- Modyfikacja tych parametrów daje początek różnym technikom modulacji cyfrowej.
- ASK (Amplitude-Shift Keying) to podstawowa technika modulacji cyfrowej.
- Informacja cyfrowa reprezentowana jest za pomocą zmian amplitudy fali nośnej.
- Bit '1' może być reprezentowany przez obecność fali o dużej amplitudzie.
- Bit '0' przez słabą amplitudę lub całkowity zanik nośnej (tzw. OOK - On-Off Keying).
- Niestety ASK jest bardzo podatne na zakłócenia i tłumienność linii miedzianej.
- FSK (Frequency-Shift Keying) to technika polegająca na zmianie częstotliwości fali nośnej.
- Amplituda sygnału pozostaje stała.
- Logiczne '1' i '0' są reprezentowane przez dwa różne tony (np. 1270 Hz i 1070 Hz).
- FSK jest znacznie bardziej odporne na szumy i tłumienie amplitudy niż ASK.
- Było powszechnie stosowane w pierwszych modemach (np. standard Bell 103 do 300 b/s).
- PSK (Phase-Shift Keying) opiera się na skokowych zmianach fazy fali nośnej.
- Początek nowego bitu wyznacza nagła zmiana fazy sygnału (np. o 180 stopni dla BPSK).
- Pozwala to na znacznie oszczędniejsze wykorzystanie dostępnego pasma niż technika FSK.
- Rozbudowane wersje tej modulacji to QPSK (Quadrature PSK), używająca 4 zmian fazy (0, 90, 180, 270 stopni).
- QPSK pozwala przesłać 2 bity informacji w jednym skoku fazy (kombinacje 00, 01, 10, 11).
- Wraz z rozwojem zaawansowanych modulacji zaistniała potrzeba rozróżnienia tych pojęć.
- Bod (bod, ang. baud): prędkość modulacji – liczba zmian stanu linii (symboli) na sekundę.
- Bity na sekundę (b/s): prędkość transmisji – faktyczna liczba cyfrowych informacji docierających do użytkownika.
- W najprostszym FSK jeden symbol przenosił 1 bit (1 bod = 1 b/s).
- W technice QPSK (4 stany fazowe) jeden symbol przenosi 2 bity. Wtedy 1200 bodów = 2400 b/s.
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) to połączenie modulacji amplitudy (ASK) i fazy (PSK).
- Zwiększa drastycznie liczbę bitów przesyłanych w ramach jednego symbolu (bodu).
- Do obrazowania używa się diagramów konstelacji (Constellation Diagram) z punktami w przestrzeni.
- Np. 16-QAM posiada 16 stanów, co pozwala zakodować 4 bity w każdym symbolu.
- 256-QAM definiuje 256 stanów, przenosząc 8 bitów na symbol. Wymaga jednak bardzo 'czystej' linii.
- Claude Shannon, pionier teorii informacji, sformułował prawo opisujące pojemność kanału.
- Przepustowość C = B * log2(1 + S/N), gdzie B to szerokość pasma (Hz), a S/N to stosunek sygnału do szumu (SNR).
- Dla kanału analogowego telefonu B wynosi zawsze około 3100 Hz.
- Biorąc pod uwagę typowy szum linii POTS, maksymalna granica transferu wynosi ułamki Mb/s.
- Z tego powodu klasyczne modemy analogowe osiągnęły w pewnym momencie nieprzekraczalną barierę technologiczną.
- Pierwsze komercyjne modemy powstały w USA w latach 50. dla potrzeb wojska (system SAGE).
- Na rynek cywilny w 1962 r. trafił standard Bell 103 firmy AT&T.
- Działał on z prędkością 300 b/s, wykorzystując modulację FSK w trybie Full-Duplex.
- Stał się podstawą komunikacji dla wczesnych terminali BBS i systemów uniwersyteckich.
- Ze względu na koszty i ograniczenia prawne, początkowy rozwój był powolny.
- Do końca lat 60. monopolista AT&T zabraniał podłączania 'obcych' urządzeń do swoich linii
telefonicznych.
- W 1968 roku FCC (Federal Communications Commission) wydała przełomową decyzję w sprawie 'Carterfone'.
- Pozwolono abonentom na podłączanie sprzętu, który nie powodował zakłóceń w pracy centrali.
- Decyzja ta pobudziła konkurencję i przyspieszyła rozwój niezależnych producentów urządzeń.
- Zanim gniazda RJ-11 stały się powszechne, modemy często nie były wpinane bezpośrednio do linii.
- Używano tzw. sprzęgaczy akustycznych (Acoustic Couplers).
- Użytkownik kładł klasyczną słuchawkę telefoniczną na gumowych elementach z mikrofonem i głośnikiem.
- Sygnał dźwiękowy modemu fizycznie wydobywał się z głośnika sprzęgacza i trafiał do mikrofonu
słuchawki.
- To rozwiązanie było bardzo wrażliwe na szumy otoczenia (np. rozmowy osób postronnych).
- W 1981 r. firma Hayes zaprezentowała Smartmodem – urządzenie po raz pierwszy w pełni kontrolowane programowo.
- Nie wymagał ręcznego wykręcania numeru, posiadał wbudowany mikrokontroler.
- Opracowano zestaw poleceń Hayes (tzw. komendy AT – od słowa Attention).
- Użytkownik z poziomu terminala mógł wpisać np. 'ATDT 1234567' aby modem wybrał numer tonowo.
- Komendy AT do dziś stanowią standard zarządzania nowoczesnymi modemami komórkowymi (LTE, 5G).
- Aby ujednolicić technologię w skali globalnej, organizacja ITU-T wprowadziła rekomendacje z serii V.
- V.22bis (1984) – pierwszy standard 2400 b/s wykorzystujący modulację QAM.
- V.32 (1989) – standard 9600 b/s; wprowadzono mechanizmy tłumienia echa (Echo Cancellation).
- V.34 (1994) – maksymalne wykorzystanie toru analogowego z wynikiem 28,8 kb/s, a potem 33,6 kb/s.
- Na tym etapie zakończyły się możliwości dwukierunkowej, czysto analogowej komunikacji.
- Przełamano barierę prędkości zauważając, że centrale telefoniczne od pewnego etapu używają szkieletu
cyfrowego.
- Modemy V.90 (1998) obsługiwały pobieranie (downstream) asymetrycznie do 56 kb/s.
- Możliwe to było dzięki wyeliminowaniu konwersji analogowo-cyfrowej po stronie serwera u operatora.
- Użytkownik dysponował standardową prędkością wysyłania 33,6 kb/s.
- Standard ten stanowił szczyt możliwości wysyłania danych przez połączenia dzwonione (dial-up).
- W Polsce początki sieci w latach 80. i 90. to systemy BBS (Bulletin Board System).
- Korzystanie z BBS wiązało się z wysokimi kosztami impulsów telefonicznych za czas spędzony online.
- Pierwsze stałe łącza między Wydziałem Fizyki UW a Europą pojawiły się na przełomie 1990/1991 (NASK).
- Powszechny dostęp do sieci dla użytkowników domowych opierał się na modemach i taryfikacji minutowej.
- W kwietniu 1996 r. Telekomunikacja Polska (TP S.A.) wprowadziła usługę dostępową o numerze '0202122'.
- Nie wymagała ona osobnej umowy – logowanie odbywało się przy użyciu loginu 'ppp' i hasła 'ppp'.
- Płatność 'za impulsy' generowała często ogromne rachunki na bilingach telefonicznych.
- Linia w domu pozostawała zablokowana na czas przeglądania stron internetowych.
- Było to rozwiązanie przełomowe pod względem dostępności, ale kosztowne dla użytkownika.
- ISDN (Integrated Services Digital Network) to pierwszy powszechny standard cyfryzacji pętli abonenckiej.
- Wykorzystywano istniejącą infrastrukturę miedzianą, ale sygnał był w pełni cyfrowy.
- Dostęp podstawowy BRA (Basic Rate Access) oferował dwa cyfrowe kanały 'B' po 64 kb/s (na dane lub głos).
- Możliwe było połączenie obu kanałów w celu uzyskania przepustowości 128 kb/s.
- Umożliwiało to jednoczesne korzystanie z internetu i prowadzenie rozmowy telefonicznej.
- Technologia wdrożona w Polsce przez TP S.A., rozwiązująca problem taryfikacji impulsowej.
- Wprowadzono stały abonament miesięczny bez limitów czasowych (brak protokołu PPP).
- Wymagany był modem HIS (firmy Ericsson) podłączany do dedykowanego portu na centrali.
- Prędkość wynosiła 115,2 kb/s zarówno dla pobierania, jak i wysyłania (tryb symetryczny).
- Opierała się na specyficznych modulacjach nad kanałami nieużywanymi dla mowy.
- Wraz z upowszechnieniem multimediów i dużych plików, SDI i ISDN stały się niewystarczające.
- Potrzebowano rozwiązania dostarczającego prędkości rzędu megabitów nad istniejącą siecią miedzianą.
- Wymiana okablowania w całym kraju na światłowód była wówczas ekonomicznie nieuzasadniona.
- Inżynierowie zdecydowali o usunięciu wąskich filtrów mowy z linii telefonicznych.
- xDSL (Cyfrowa Linia Abonencka) to rodzina technologii szerokopasmowych wykorzystujących miedzianą pętlę.
- Założenie: ominięcie filtrów pasmowych, co pozwala wykorzystać szersze widmo częstotliwości kabla.
- Dolne pasmo (0 - 4 kHz) zachowano dla klasycznej analogowej usługi głosowej (POTS).
- Pasmo wyższe (od ok. 25 kHz do ponad 1,1 MHz) przeznaczono na szerokopasmową transmisję danych.
- Wysokie częstotliwości ulegają jednak silniejszemu tłumieniu, co ograniczyło zasięg do kilku kilometrów.
- Wprowadzenie sygnałów wysokiej częstotliwości ADSL powodowałoby zakłócenia w telefonie.
- Stąd konieczność stosowania rozdzielaczy sygnału (tzw. splittery).
- Urządzenie to separuje sygnały wysokiej częstotliwości dla modemu DSL i niskiej częstotliwości dla telefonu POTS.
- Po stronie operatora podobną funkcję pełni agregujący sprzęt DSLAM.
- DSLAM to urządzenie na węźle operatora agregujące tysiące połączeń pętli abonenckich.
- Oddziela sygnał mowy i przesyła go do klasycznej centrali POTS.
- Dane cyfrowe są demodulowane i kierowane do szkieletowej sieci światłowodowej.
- DSLAM odpowiada również za negocjację parametrów połączenia i jakości sygnału (tzw. trening linii).
- Asymetria (Asymmetric) wynika z typowego profilu korzystania z sieci przez internautów.
- Pobieramy znacznie więcej danych, niż faktycznie wysyłamy do sieci.
- Standard ADSL1: do 8 Mb/s (pobieranie) i maksymalnie 1 Mb/s (wysyłanie).
- Pasmom o niższym tłumieniu przypisano kierunek do użytkownika (downstream) w celu zwiększenia prędkości.
- Klasyczna Neostrada TP opierała się w pierwotnej fazie właśnie na technologii ADSL.
- Wprowadzona na szeroką skalę ok. 2002 roku Neostrada oferowała prędkości 128 kb/s, 256 kb/s czy 512 kb/s.
- Użytkownicy otrzymywali m.in. charakterystyczne modemy firm Sagem czy Thomson SpeedTouch.
- Usługa pozwalała na stałe połączenie bez blokowania rozmów głosowych, dzięki splitterowi.
- Pojawienie się Neostrady zapoczątkowało profesjonalizację powszechnego dostępu do internetu w polskich domach.
- Standardy ADSL2 (G.992.3) i ADSL2+ (G.992.5) wprowadziły optymalizację przesyłu.
- ADSL2+ zwiększa wykorzystywane pasmo z 1,1 MHz do 2,2 MHz dla kierunku pobierania.
- Pozwala na osiągnięcie prędkości do 24 Mb/s (pobieranie) i do ok. 2 Mb/s (wysyłanie).
- Wprowadzono tryby oszczędzania energii oraz lepsze algorytmy korekcji błędów transmisji.
- Maksymalny zasięg przy wysokich prędkościach wynosi ok. 2 km kabla od centrali.
- DMT (Discrete Multi-Tone) to rodzaj wielotonowej modulacji stosowanej w systemach DSL.
- Dostępne pasmo dzielone jest na wiele niezależnych podkanałów (tzw. 'bins') o szerokości 4,3125 kHz.
- Każdy podkanał jest osobno modulowany przy użyciu techniki QAM.
- Adaptive Bit Loading: system analizuje szumy i decyduje, ile bitów dany podkanał może bezpiecznie przenieść.
- Jeśli podkanał jest silnie zakłócony (np. przez radiostację), zostaje automatycznie wyłączony z transmisji.
- VDSL2 (G.993.2) to obecnie jedna z najszybszych technologii wykorzystujących pętlę miedzianą.
- Wykorzystuje szersze pasmo częstotliwości – nawet do 17 MHz lub 30 MHz (zamiast 2,2 MHz w ADSL2+).
- W profilach 17a i 30a pozwala uzyskać sumaryczną prędkość do 100 Mb/s (a teoretycznie nawet 200 Mb/s).
- Wymaga bardzo krótkiej pętli abonenckiej (zazwyczaj poniżej 500 metrów dla pełnej wydajności).
- W Polsce technologia ta była wdrażana jako powszechna oferta 'do 80 Mb/s'.
- W kablach wieloparowych występuje zjawisko wzajemnej indukcji elektromagnetycznej.
- Crosstalk (Przesłuchy): sygnał z jednej pary przewodów 'przenika' do sąsiednich par, generując zakłócenia.
- NEXT (Near-End Crosstalk): zakłócenia mierzone po stronie nadajnika.
- FEXT (Far-End Crosstalk): zakłócenia docierające do odbiornika po przejściu przez cały kabel.
- Im wyższa częstotliwość transmisji, tym silniejsze są przesłuchy, co drastycznie ogranicza zasięg i prędkość.
- Wektoring (G.993.5) to zaawansowana technika obróbki sygnału eliminująca przesłuchy (FEXT).
- DSLAM analizuje w czasie rzeczywistym szumy w wiązce kablowej i generuje sygnały przeciwstawne.
- Działa to podobnie jak system ANC w słuchawkach – szum jest matematycznie odejmowany od sygnału użytecznego.
- Pozwala to na stabilizację prędkości VDSL2 i osiągnięcie realnych transferów bliskich 100 Mb/s.
- Technika wymaga, by wszystkie modemy w wiązce były kontrolowane przez jeden węzeł DSLAM.
- G.fast (G.9700/G.9701) to standard dostarczający prędkości rzędu 500-1000 Mb/s po miedzi.
- Wykorzystuje ekstremalnie wysokie częstotliwości: 106 MHz, a nawet 212 MHz.
- Z powodu ogromnego tłumienia takich fal, zasięg jest ograniczony do maksymalnie 100-250 metrów.
- Technologia idealna dla budynków wielorodzinnych (FTTB) – światłowód dociera do piwnicy, dalej miedź.
- Zastosowano transmisję TDD (Time Division Duplexing), co pozwala elastycznie dzielić pasmo góra/dół.
- FTTx (Fiber to the x) to rodzina architektur szerokopasmowych opartych na światłowodach.
- FTTH (Fiber to the Home): światłowód doprowadzony bezpośrednio do mieszkania (ONT).
- FTTB (Fiber to the Building): światłowód do budynku, dalej np. Ethernet lub VDSL2.
- Optyka eliminuje wady miedzi: tłumienie zależne od dystansu i podatność na zakłócenia.
- Standardy GPON pozwalają na osiąganie prędkości rzędu Gb/s.
- FTTC (Fiber to the Cabinet) to rozwiązanie, w którym światłowód dociera do szafy ulicznej.
- W szafie znajduje się szafa dsl (DSLAM), zamieniająca sygnał optyczny na elektryczny VDSL2.
- Pętla miedziana skraca się do kilkuset metrów, co umożliwia skuteczne działanie Wektoringu.
- Jest to relatywnie tani i szybki sposób modernizacji sieci w gęstej zabudowie miejskiej.
- Większość polskich ofert VDSL 80-100 Mb/s opiera się właśnie na architekturze FTTC.
- Era miedzi w telekomunikacji dobiega końca ze względu na fizyczne bariery technologiczne.
- Miedź jest ograniczona przez: tłumienie, przesłuchy oraz wrażliwość na warunki atmosferyczne.
- Światłowód oferuje niemal nieograniczoną przepustowość i brak zakłóceń elektromagnetycznych.
- Inwestycje w FTTH/GPON są priorytetem, a stare sieci miedziane (PSTN) są sukcesywnie wygaszane.
- Możliwości oferowane przez optykę zostaną szczegółowo omówione w kolejnych częściach wykładu.
- Równolegle do telefonii, transmisję danych wdrożyły sieci telewizji kablowej.
- Wykorzystują standard DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification).
- Oparte na strukturze sieci hybrydowej światłowodowo-koncentrycznej HFC.
- Sygnał kablowy pozwala ominąć wady cienkiej skrętki, oferując wysokie prędkości transmisji.
- Ograniczenia kanału 3,1 kHz na starych centralach wymusiły ewolucję zaawansowanych modemów.
- Techniki modulacji ASK, FSK, PSK i QAM stanowią fundament przesyłania danych.
- Zidentyfikowaliśmy kluczową różnicę między prędkością symbolową (bod) a transmisją w b/s.
- Przeszliśmy przez historię Neostrady TP aż do kresu możliwości sieci miedzianych (VDSL/G.fast).
- Nowoczesna telekomunikacja to przede wszystkim FTTH i Era Sieci Optycznych.
