Slika: a) potpuno povezana mreža, b) centralizirano prospajanje, c) dvorazinska hijerarhija (Tanenbaum, 1996)

• danas višerazinske hijerarhije
• telefon svakog pretplatnika ima 2 bakrene žice koje idu do najbliže lokalne centrale (end office); ta dvožičana veza naziva se lokalna petlja (local loop) - medij za prijenos je parica
• udaljenosti lokalne petlje tipično 1-10 km
• ako pretplatnik poziva drugog pretplatnika koji je priključen na istu lokalnu centralu, uspostavlja se izravna električna veza između 2 lokalne petlje
• svaka je lokalna centrala povezana sa 1 ili više međugradskih centrala (toll offices) pomoću daljinskih vodova (toll connecting trunks) - koaksijalni kabeli, optička vlakna ili mikrovalovi
• primarne, sekundarne, regionalne... centrale povezane vodovima sa velikom propusnošću

Slika: Primjer povezivanja za poziv na srednjoj udaljenosti (Tanenbaum, 1996)

• 3 glavne komponente koje čine tel. mrežu:

1. lokalne petlje (local loops) - analogni prijenos
2. daljinski vodovi (trunks) - uglavnom digitalni prijenos (optička vlakna, mikrovalovi)
3. centrale za prospajanje (switching offices)

• danas tel.mreža uglavnom digitalna, osim analogne lokalne petlje
• prednosti digitalnog prijenosa:
  • nema gubitaka informacija zbog slabljenja analognih signala.
  • jeftiniji način prijenosa: ne treba reproducirati analogni signal uz pomoć skupe opreme
  • jednostavnije održavanje - lakše se pronalazi problem: bit je ili nije primljen ispravno
  • kombinirano prenošenje glasa, podataka, slika, muzike te veće brzine prijenosa

a. Lokalne petlje (local loops) 

Komunikacija računala preko telefonske linije (slanje digitalnih podataka):

• digitalne podatke modem pretvara u analogne za prijenos po lokalnoj petlji,
• ti analogni signali pretvaraju se u digitalne za prijenos po daljinskim digitalnim vodovima,
• zatim se opet pretvaraju u analogne za prijenos po lokalnoj petlji na strani primaoca
• na kraju se pretvaraju u digitalne za pohranu na odredišno računalo

Slika: Korištenje analognog i digitalnog prijenosa pri povezivanju računala (Tanenbaum, 1996)

• kod analognih signala primljeni signal nije isti kao i poslani zbog nesavršenosti medija za prijenos - takve razlike uzrokuju pogreške za digitalne podatke

• osnovni problemi na prijenosnim linijama su:

1. prigušenje (attenuation) - gubitak energije do koje dolazi kako se signal širi; signal se može zamisliti kao niz Fourierovih komponenti od kojih svaka slabi za određenu količinu što dovodi do različitog signala na strani primaoca
2. izobličavanje zbog kašnjenja (delay distortion) - uzrokuje ga to što različite Fourierove komponente putuju različitim brzinama
3. smetnje (noise) - neželjena energija iz nekog izvora koji nije pošiljaoc signala

 MODEMI

• kod digitalnih podataka gdje je riječ o kvadratnim valovima posebno jako dolazi do slabljenja i izobličenja signala
• za transformaciju digitalnih podataka u analogne signale koriste se 3 osnovne modulacijske tehnike pri čemu se uvodi sinusni nosioc  (sine wave carrier) - kontinuirani ton u rasponu od 1000-2000 Hz kojem se mijenja amplituda, frekvencija ili faza
• prijenos se izvodi moduliranjem sinusnog nosioca

1. amplitudna modulacija - frekvencija i faza su konstantne, amplituda prenosi informaciju; 2 različite binarne vrijednosti (0 i 1) predstavljene su sa 2 različita nivoa napona
2. frekvencijska modulacija - koriste se 2 različite frekvancije
3. fazna modulacija - pomiče se val sinusnog nosioca za 45, 135, 225 ili 315 stupnjeva u jednakim intervalima

Slika: Primjeri modulacija (Tanenbaum, 1996)

• modem (modulator-demodulator) prihvaća kao input niz bitova i proizvodi kao output modulirani nosioc (ili obrnuto)
• postavlja se između (digitalnog) računala i (analognog) telefonskog sistema
• brzina modema - ovisi o načinu modulacije (nastoji se postići da se prenosi više bitova po uzorku, tj. po baudu - baud je mjera za broj promjena vrijednosti signala po sekundi) i definirana je jednim od standarda koji definiraju brzinu prijenosa
• neke standardne brzine prijenosa: 9600, 14.400, 28.800, 33.600, 56.000 b/s
• osim standarda koji definiraju brzinu prijenosa, važni su i standardi koji definiraju sažimanje (compression) podataka i kontrolu greški (error correction); najviše se koriste 2 standarda za sažimanje: MNP5 (sažimanje u prosjeku 2:1) i V.42 bis (4:1)  

DCE-DTE sučelje

• nazivi:
  • DTE (Data Terminal Equipment) - računalo ili terminal
  • DCE (Data Circut-Terminating Equipment) - modem
• sučelje između DTE i DCE (tj. računala ili terminala i modema) je primjer protokola fizičkog nivoa (mehaničko električko, funkcijsko i proceduralno sučelje)
• standard V.24 (ili u USA RS-232-C te noviji RS-232-F tj. EIA-232-F)
• RS-232 - sučelje za povezivanje DTE s modemima na analognim telekomunikacijskim sustavima:

mehanička specifikacija

• 25-pinski konektor točno propisanih dimenzija s pinovima 1-13 u gornjem i 14-25 u doljnjem redu

Slika: Raspored pinova za V.24/EIA-232 (Stallings, 2004)

električka specifikacija

• napon manji od -3 volta je binarno 1, a veći od +4 je binarno 0
• dozvoljena količina za prijenos 20 kb/s
• dužina kabela do 15 m

funkcijska specifikacija

• definira koji je krug (circut) tj. signal povezan na svaki od 25 pinova i što taj krug znači
• 9 pinova je gotovo uvijek implementirano
• primjeri:
  • kad se računalo uključi, postavi na logičko 1 Data Terminal Ready (pin 20)
  • kad se modem upali, postavi se Carrier Detect (pin 8)
  • Request to Send (pin 4) označava da DTE želi slati podatke
  • Clear to Send (pin 5) znači da je DCE spreman primiti podatke
  • podaci se šalju po Transmit krugu (pin 2)
  • podaci se primaju po Receive krugu (pin 3)

Slika: Osnovni V.24/EIA-232 krugovi i pinovi (u zagradi) (Tanenbaum, 1996)

proceduralna specifikacija

• protokol tj. dozvoljeni niz događaja
• zasniva se na parovima akcija-reakcija
• npr. računalo postavlja Request to Send, a modem odgovara sa Clear to Send ako može prihvatiti podatke

• RS-499 standard - nastao da bi se prevladali nedostaci starijeg RS-232-C standarda

• dozvoljava brzine do 2 Mb/s po 60 metarskom kabelu

NUL- MODEM

• često se dva DTE trebaju povezati pomoću V.24, niti jedan od njih nije modem (nema DCE)
• problem sučelja: priključci na oba DTE predviđeni su za spoj na DCE i ne mogu se prospojiti izravno
• zato se uključuje nul-modem - uređaj (kabel) koji vrši potrebna križanja te povezuje liniju za prijenos jednog DTE s linijom za primjer drugog

Slika: Primjer nul-modema (Stallings, 2004)

• multipleksiranje - više razgovora ide po istom vodu (zbog ekonomičnosti)
• 2 kategorije shema:

1. FDM (Frequency Division Multiplexing)

• spektar frekvencije podijeljen je na logičke kanale i svaki korisnik tako dobija dio frekventnog pojasa samo za sebe

Slika: Multipleksiranje pomoću FDM (Tanenbaum, 1996)

2. TDM (Time Division Multiplexing)

• svaki korisnik periodički dobija čitavu širinu kanala na određeno vrijeme
• mogu ga vršiti računala - u zadnje vrijeme se sve više koristi i to za digitalne podatke
• analogni podaci se moraju digitalizirati, tehnike:
• PCM (Pulse Code Modulation)
  • čini osnovu telefonskog sustava
  • codec (coder-decoder) - uređaj koji digitalizira analogne signale praveći 8000 uzoraka u sekundi (125 mikrosec/uzorak) - to je dovoljno da se sačuvaju sve informacije koje se prenose 4000 Hz-nim telefonskom kanalom
  • međunarodni standard, ali postoje još i druge nekompatibilne sheme u različitim zemljame svijeta npr. T1 carrier u Sj. Americi

c. Prospajanje veze (switching)
 

• lokalne petlje i daljinski vodovi čine vanjski dio, a sklopke (switches) unutrašnji dio telefonskog sistema (nalaze se unutar centrala)
• 2 različite osnovne tehnike:

  1. prospajanje kanala (circuit switching) - koristi ga današnji tel. sistem
  2. prospajanje paketa (packet swiching) - koristi ga ISDN (“nova generacija” tel. sistema)

PROSPAJANJE KANALA (komutacija kanala - circuit switching)

• uspostavlja se fizički put između pošiljaoca i primaoca poziva koji postoji sve do kraja komunikacije
• vrijeme između završetka biranja tel. broja i početka zvonjenja (tj. vrijeme uspostavljanja veze) može biti dugo (10 sek. i više) - nepoželjno za mnoge računarske aplikacije
• karakteristika: uspostavlja se put od jednog do drugog kraja prije nego što se počnu slati podaci
• posljedica: kad se veza uspostavi, jedino kašnjenje je vrijeme širenja elektromagnetskog signala, te nema opasnosti od zagušenja

Slika: Pojednostavljeni modeli prospajanja kanala i paketa (Tanenbaum, 1996)

PROSPAJANJE PORUKA (komutacija poruka - message switching)

• ne uspostavlja se fizički put između primaoca i pošiljaoca
• blok podataka koji se šalje se cijeli sprema u centrali (ruteru), provjerava se da li je došlo do greški i zatim se šalje dalje (store-and-forward)
• kako veličina blokova nije ograničena, ruteri moraju imati spremnik (disk) za veće blokove, a takav blok duže zauzima ruter-ruter vezu

 

PROSPAJANJE PAKETA (komutacija paketa - packet switching)

• veličina blokova je ograničena (paketi), pa se spremaju u glavnu memoriju rutera, a ne na disk
• prednost: prvi paket se može proslijediti dalje prije nego što je drugi potpuno stigao (veća propusnost)

5. KOMUNIKACIJSKI SATELITI (Communication Satellites)
 

• prvi satelit je lansiran 1962. godine
• ponašaju se kao velika pojačala mikrovalova na nebu; imaju nekoliko transpondera od kojih svaki osluškuje dio spektra, pojačava dolazeći signal i ponovo ga šalje na drugoj frekvenciji kako ne bi došlo do interferencije s dolaznim signalom
• poslani signali mogu biti širokopojasni (pokrivaju veći dio Zemljine površine) ili uskopojasni (pokrivaju područje od stotinjak km)

• tradicionalni sateliti su geostacionarni - geosinhroni (geosynchronous)
  • sateliti se nalazi u orbiti 36,000 km iznad ekvatora i kruže istom brzinom kao Zemlja, pa djeluju kao da su nepomični
  • kako moraju biti na određenom razmaku (2 stupnja), može ih biti 180, ali svaki od njih može imati nekoliko tokova podataka u oba smjera na različitim frekvencijama
  • međunarodni dogovori o korištenju satelita
• niskoorbitni (low-orbite) sateliti
  • sateliti koji brzo kruže, primjeri:
  • Iridium projekt: kada se jedan satelit makne sa vidika, zamjenjuje ga drugi (satelit pokriva više ćelija (cell ) na koje je Zemlja podijeljena)
  • Globalstar sustav satelitske telefonije - pruža usluge mobilne (bežične) telefonije i druge telekomunikacijske usluge po čitavom svijetu; 48 niskoorbitnih satelita; svaki korisnik pokriven istovremeno 2 ili 3 satelita; Globalstarov telefon podržava komunikaciju sa dva različita telekomunikacijska sustava (satelit i GSM); komunikacija satelita i stanice na tlu (kod Iridium međusobno komuniciraju sateliti)
     
• prednosti satelita: zaobilazi se telefonski sistem za prijenos podataka (veća propusnost), svugdje su dostupni, pogodni su za broadcasting, pogodni i za telefonski promet u zemljama sa lošom konfiguracijom terena, tamo gdje je problem dobiti pravo za postavljenje optičkih kabela...

6. SUSTAVI MOBILNIH TELEFONA

• 2 oblika bežičnih telefona:

  • stanica s odvojenom slušalicom : osnovna stanica priključena žicom na telefonski sistem i telefon koji s njom komunicira slabom radio vezom do udaljenosti od oko 100 - 300 m; frekvencija se obično odabire pri izradi u tvornici, nema standardizacije; kućna uporaba

  • mobilni uređaji - telefoni (mobile phones)

• 3 različite generacije mobilnih telefona koje koriste različite tehnologije, za:

  1. analogno prenošenje govora

  2. digitalno prenošenje govora

  3. digitalno prenošenje govora i podataka (Internet, e-mail, itd.)

a. Mobilni telefoni prve generacije (analogno prenošenje govora)

• u početku se koristio jedan odašiljač na visokoj zgradi i jedan kanal za slanje i primanje poruka (push-to-talk: pritiskom na gumb isključio se odašiljač i korisnik je mogao govoriti) - 50-ih godina za taxi, policijske aute...

IMTS (Improved Mobile Telephone System)

• razvoj 1960-ihh godina
• odašiljač ima dvije frekvencije, jednu za slanje, drugu za primanje poruke
• podržavao je mali broj kanala (23)- korisnici moraju dugo čekati na slobodni
• susjedni sistemi moraju biti jako udaljeni zbog jačine odašiljača (kako bi se izbjegla interferencija)
• ograničeni kapaciteti, nepraktičan sistem

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

• koristi se u USA od 1980-ih
• "cell phones": zemljopisno područje dijeli se na ćelije (cells) (oko 10 - 20 km u promjeru) od kojih svaka koristi neki skup frekvencija
• iste frekvencije mogu se ponovo koristiti u ćelijama koje nisu susjedne, a potrebna je i manja snaga odašiljača te manji prijemni uređaju; što su ćelije manje, mogućih korisnika je više -> povećan kapacitet sustava
• handoff - proces promjene "glavne" bazne stanice
• u središtu svake ćelije je osnovna stanica prema kojoj podatke odašilju svi telefoni u ćeliji, kako se telefon pomiče iz ćelije u ćeliju, kontrolu nad njim preuzimaju osnovne stanice u njima - uvijek kontrolu ima bazna stanica u onoj ćeliji u kojoj je signal najjači
• ako se obavlja poziv, vrši se prebacivanje na novi kanal frekvencije
•  sve osnovne stanice povezane su na uređaj MTSO (Mobile Telephone Switching Office) ili MSC (Mobile Switching Center) koji vrši dodjelu kanala
• za veće sustave postoji hijerarhija povezenih MTSO
• u Hrvatskoj se od kraja 1990. koristio sustav javne pokretne radiotelefonije na NMT 450 (Nordic Mobile Telephony) standardu (komercijalni naziv Mobitel mreža)
• nedostatak mobilnih telefona 1. generacije: nesigurni su (mogu se slušati razgovori, “ukrasti” brojevi telefona)

b. Mobilni telefoni druge generacije (digitalno prenošenje govora)

• nema standardizacije, koriste se 4 standarda: D-AMPS, GSM, CDMA, PDC

D-AMPS (Digital advanced Mobile Phone System)

• 2. generacija AMPS, potpuno digitalni sustav

• građen tako da u ćeliji mogu istovremno raditi i AMPS i D-AMPS

• koristi iste kanale i frekvencije kao AMPS - jedan kanal može biti analogni, a susjedni digitalni

• MTSO u ćeliji određuje koji su kanali analogni, koji digitalni na osnovu broja analognih ii digitalnih telefona u ćeliji - tip kanala može se dinamički mijenjati kako se mijenja omjer anal. i dig. telefona

• D-AMPS mobilni telefon prima mikrofonom glasovni signal, digitalizira ga i komprimira -> reducira se broj bitova koji se šalju zračnom vezom: brzina prijenosa 8 kb/s (nije dovoljno za podatke!)

• korištenjem TDM (multipleksiranje) 3 korisnika mogu dijeliti par frekvencija (boljim algoritmima kompresije i 6 korisnika)

• razlika između AMPS i D-AMPS u handoff procesu: D-AMPS sam utvrđuje kad signal slabi i javlja MTSO

GSM (Global System for Mobile Communications)

• sličan D-AMPS - oba koriste ćelije, koriste FDM i TDM (multipleksirenje) za podjelu spektra na kanale i kanala na vremenske slotove, telefoni odašilju signale na jednoj frekvenciji, a primaju ih na drugoj (višoj)

• osnovna razlika: GSM kanali su širi (200 kHz), pa je viša brzina prijenosa po korisniku

CDMA (Code Division Multiple Access)

• osnova za mobilne sustave 3. generacije

• koristi se i za 2. generaciju najviše u SAD, te za Globalstar sustav satelitske telefonije

• osnovna razlika s D-AMPS i GSM: ne dijeli rang frekvencije na kanale, nego dozvoljava da svaka stanica cijelo vrijeme emitira po čitavom spektru frekvencije

• višestruki istovremeni prijenosi sa odvajaju pomoću korištenja teorije kodiranja (coding theory)

c. Mobilni telefoni treće generacije (digitalno prenošenje govora i podataka)

• povezivanje prijenosnih uređaja koji objedinjuju osobine telefona, e-mail terminala, CD ili DVD playera,...

• 1992. specificiran standard IMT-2000 koji je trebao omogućiti:

  • visokokvalitetni prijenos glasa

  • slanje poruka (zamjena za SMS, fax, chat, ...)

  • multimediju (muzika, video, filmovi, TV,...)

  • pristup Internetu (Web pristup i stranicama s zvukom i videom)

• prijedlozi 3G standarda: CDMA2000, W-CDMA (u EU ime UMTS)

• između 2G i 3G mobilnih sustava: "2.5G sustavi", na pr.

  • GPRS (General Packet Radio Service) - omogućuje slanje i primanje informacija mobilnom mrežom tako što mobilne stanice mogu primati i slati IP pakete u ćelijama s prijenosom govora; dopunjuje postojeću mobilnu mrežu
    
     

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

• univerzalni mobilni telekomunikacijski sustav 

• UMTS mreže proširit će i izgraditi današnje mogućnosti mobilne telefonije (GSM, GPRS) povećanjem kapaciteta, većom količinom podataka i većom ponudom usluga