Část II.- Digitalizace telefonní sítě

Naše povídání o vývoji, který dal vzniknout technologiím ADSL, jsme opustili v době kdy celá telefonní síť fungovala čistě analogově. I lidé od spojů si však brzy uvědomili, že digitální přenos a zpracování má proti analogovému celou řadu výhod a předností. Fakticky sice digitální přenos spotřebovává větší šířku přenosového pásma, ale na druhou stranu je digitální zpracování jednodušší a nabízí řadu možností které v analogovém světě vůbec nepřipadají v úvahu nebo jsou nesmírně komplikované. V neposlední řadě digitální způsob přenosu může být ideální (přijatá data jsou identická s odeslanými), zatímco analogový přenos ideální být nikdy nemůže (vždy zavádí nějaké zkreslení přeneseného signálu, přičemž zmenšování tohoto zkreslení je velmi drahé).

Pro ilustraci jeden názorný příklad "rozdílu v kvalitě" mezi analogovým přenosem a digitálním přenosem obrázku.

Vlevo originál, uprostřed obrázek po analogovém přenosu, vpravo po digitálním přenosu (zdroj). Oba přenosy byly realizovány se stejným výkonem zdroje signálu a za stejné intenzity šumu (4 dB pro signál/šum)

Jak se digitalizovala telefonní síť?

Veřejná telefonní síť se začala měnit z analogové na digitální postupně, směrem od svého středu k okrajům. Jako první byly digitalizovány telefonní ústředny a jejich vzájemné propojení, a teprve následně (vlastně až v rámci sítí ISDN) došlo i na digitalizaci okrajů sítě - tedy místních smyček a koncových uzlů (jednotlivých telefonů). Příslušné přechodné období bylo velmi dlouhé a trvá dodnes - pokud vlastníte pevný telefon ale nikoli ISDN přípojku, pak vlastně stále komunikujete s veřejnou telefonní sítí analogově, zatímco tato síť uvnitř sebe sama již funguje plně digitálně (samozřejmě pokud trochu přimhouříme oko nad stále ještě nedokončenou digitalizací sítě Českého Telecomu, který původně měl za úkol vše stihnout do roku 2000, ale dnes hovoří o předstihu, když to stihne alespoň do konce pololetí letošního roku 2002).

Časový multiplex místo frekvenčního

Přechod na digitální způsob fungování (vnitřku) telefonní sítě vedl i ke změně některých základních principů, které jsme si popisovali v minulém dílu. Z našeho pohledu, který směřuje k pochopení principů ADSL, je asi nejvýznamnější změna vzájemného propojení mezi ústřednami. Minule jsme si řekli, že toto propojení bylo řešeno tak, aby dokázalo přenášet současně několik telefonních hovorů - a že v době analogové telefonní sítě, kdy každý hovor měl podobu analogového signálu a "zabíral" určité frekvenční pásmo (300 až 3400 Hz), se vše řešilo pomocí tzv. frekvenčního multiplexu.

Jakmile ale telefonní ústředny přešly na digitální způsob fungování, každý hovor již měl podobu proudu bitů, a ten ke svému přenosu vyžadoval digitální přenosovou cestu o určité konkrétní přenosové rychlosti (měřenou v bitech za sekundu, zatímco analogový signál vyžadoval určité přenosové pásmo měřené v jednotkách Hz (Herz)). Původní technika frekvenčního multiplexu, která je technikou analogovou, proto musela být nahrazena jinou technikou. Použita byla technika tzv. časového multiplexu (TDM, Time Division Multiplexing), která již je v zásadě digitální technikou.

Jak funguje časový multiplex?

Podstatu časového multiplexu si lze představit tak, že společná (sdílená) přenosová cesta se "nařeže" v čase na malé úseky, označované obvykle jako (časové) sloty, a ty jsou předem a pevně vyhrazeny pro jednotlivé dílčí přenosy. Lze se na to dívat i tak, že přenosová cesta se vždy po určitý krátký časový úsek (odpovídající jednomu časovému slotu) věnuje celá jednomu dílčímu přenosu, tj. přenese určitý počet "jeho" bitů, pak se po další časový usek se věnuje jinému dílčímu přenosu (přenese zase "jeho bity") atd., a vše se v cyklu neustále opakuje. Důležité přitom je, že podoba cyklu je fixována, tj. je předem známo, jak se budou v čase střídat jednotlivé dílčí přenosy.

Představa časového multiplexu

Představu časového multiplexu ukazuje předchozí obrázek, jeho začlenění do telefonní sítě pak obrázek následující.

Představa tel. sítě s časovým multiplexem

Časový multiplex je tedy v zásadě velmi jednoduchá technika, která z jedné přenosové cesty (o určité konkrétní přenosové rychlosti, měřené v bitech za sekundu) dokáže vytvořit několik funkčně samostatných přenosových kanálů, z nichž každý má určitou konkrétní (samozřejmě menší) přenosovou rychlost. Přenosové rychlosti odpovídající jednotlivým dílčím kanálům mohou, ale také nemusí být stejné. Vždy ale platí, že jejich součet musí být menší (max. rovný) přenosové rychlosti "celé" přenosové cesty před jejím rozdělením pomocí techniky časového multiplexu.

Kolik bitů za sekundu na jeden hovor?

Pro naše povídání je velmi důležité, s jak velkou přenosovou rychlostí bylo při digitalizaci veřejné telefonní sítě počítáno pro každý jednotlivý hovor. Odpověď na tuto otázku je naprosto zásadní a klíčovou záležitostí pro sítě ISDN, je důležitá i pro datové přenosy skrze digitální veřejnou telefonní síť, ale je vcelku nevýznamná pro nasazení technologie ADSL. Jak tedy zní odpověď?

Na každý hlasový hovor je v digitální pevné telefonní síti vyhrazeno 64 kilobitů za sekundu (přesněji: 64 000 bps). S ohledem na to je řešen i časový multiplex na spojích mezi ústřednami, a dokonce jsou podle toho dimenzovány i nejrůznější datové spoje, které se ve světě telekomunikací nabízí operátorům i koncovým zákazníkům.

Zkusme si jenom letmo naznačit podobu tzv. digitální hierarchie - později nám to umožní pochopit, proč u nás máme euroISDN a v čem se liší zejména od ISDN v zámoří, bez předpony "euro".

U nás i v zámoří nabízí telekomunikační společnosti svým zákazníkům různě rychlé přenosové okruhy, dimenzované vždy na určitý počet hlasových hovorů v digitální podobě (tj. v násobcích 64 kbps). V USA je používána hlavně "řada" T, přičemž např. okruh T1 je dimenzován pro přenos 24 hlasových kanálů á 64 000 bps, a spolu s určitou režií na synchronizaci vychází jeho kapacita na 1,544 Mbps. V Evropě se používá řada E, a okruh E1 je dimenzován na 30 hlasových hovorů (plus další dva pro služební účely), a jeho celková kapacita 2,048 Mbps.

Dnešní stav veřejné telefonní sítě je takový, že mezi ústřednami jsou vedeny velkokapacitní datové spoje, dimenzované na určité počty současně vedených hovorů. Tyto počty vychází z dimenzování celé telefonní sítě na určité průměrné a maximální počty hovorů, zahrnující jak tradiční hlasové hovory, tak i "internetové hovory", a samozřejmě i hovory vedené v rámci sítí ISDN. Kapacita těchto propojení mezi ústřednami bývá velká, ale rozhodně není dimenzována na vysokorychlostní datové přenosy, pro jaké je nasazována technologie ADSL. To má jeden naprosto zásadní důsledek pro ADSL, na který ještě opakovaně narazíme v dalších pokračováních: datové přenosy, realizované v rámci nasazení ADSL, již neprochází mezi telefonními ústřednami!!!

Naproti tomu hovory či datové přenosy, které jsou realizovány v rámci digitálních telefonních sítí či sítí ISDN, jsou vedeny mezi telefonními ústřednami, a to právě po přenosových kanálech, dimenzovaných na rychlost 64 kbps (resp. 64 000 bps). Jak uvidíme příště, je přesně toto důvod, proč sítě ISDN nabízí přenosové kanály (typu B) o rychlosti 64 kbps.

Jak se digitalizuje hlas?

Zajímá vás, kde se vzalo oněch 64 000 bitů za sekundu, od kterých je pak odvozena celá řada dalších věcí? Pravdou je, že toto magické číslo nevzniklo náhodou, ale jako přímý důsledek aplikace jedné konkrétní metody jak zdigitalizovat lidský hlas (neboli: jak převést analogový signál, reprezentující lidský hlas, do digitální podoby, neboli do určité posloupnosti digitálních dat). Jde konkrétně o techniku označovanou jako PCM (Pulse Coded Modulation, pulzně kódová modulace).

Představa techniky PCM

Podstatu techniky PCM si lze představit tak, že s určitou pravidelností (konkrétně 8000x za sekundu, neboli každých 125 mikrosekund) sejme vzorek momentálního stavu analogového signálu reprezentujícího lidský hlas, a jeho amplitudu (velikost) vyjádří jako 8-bitové číslo. Vzhledem k počtu vzorků a "spotřebě" 8 bitů na každý vzorek to dává 8000 x 8 bitů za sekundu, neboli oněch magických 64 000 bps.

Technika PCM je už hodně stará (pochází z roku 1937, v telefonní síti se používá od šedesátých let), a tak se asi nelze moc divit, že z dnešního pohledu je značně neefektivní. Dnes se používají takové techniky, které dokáží vystačit s podstatně nižšími přenosovými rychlostmi, a to při zachování srovnatelné kvality zvuku, resp. hlasu. Nejlepším příkladem mohou být mobilní sítě GSM, které také fungují digitálně a na přenos jednoho hovoru alokují cca 13 kilobitů za sekundu. Konkrétně codec FR (Full Rate) generuje proud dat s rychlostí 13 kbps přesně, codec HR (Half Rate) jen 6,5 kbps, a z hlediska věrnosti hlasu nejkvalitnější codec EFR (Extended Full Rate) 12,2 kbps. V rámci internetové telefonie se pak používají ještě nižší přenosové rychlosti, díky možnosti nasadit ještě efektivnější metody komprese a optimalizace, náročné na výpočetní kapacitu.

Datové přenosy skrz digitální síť

Na závěr si ještě naznačme, jak je to s tím, co by nás mělo zajímat nejvíce - s přenosy dat skrz veřejnou telefonní síť. Dokud tato byla celá analogová, bylo vše principiálně jednoduché: telefonní síť jako taková vytvářela analogový přenosový okruh o šířce pásma 3,1 kHz. Na oba konce tohoto kanálu si uživatelé museli sami osadit své vlastní modemy, které zajišťovaly převod mezi digitální formou komunikace modemu s počítačem a analogovou mezi modemy navzájem. Dosažitelná přenosová rychlost zde byla ovlivněna kvalitou linky, schopnostmi použitým modemů, ale v první řadě zmiňovanou šířkou přenosového pásma (3,1 kHz). Proto nejlepší modemy pro takovýto "analogový" způsob komunikace, vycházející ze standardu V.34, dosahují v optimálním případě přenosové rychlosti 33,6 kbps.

Představa přenosu dat skrz analogovou telefonní síť

V případě digitální telefonní sítě je situace na straně koncových uživatelů stále stejná - oni stále používají svou přípojku (místní smyčku) analogovým způsobem, a stále na ni musí nasadit svůj vlastní modem. Rozdíl je naopak v tom, co se děje "uvnitř" telefonní sítě. Jelikož ta již je digitální, je příslušný "datový hovor" veden skrz telefonní síť v digitální podobě. K tomu ale musí být nejprve převeden z analogové do digitální podoby (na vstupu do tel. sítě), a obráceně na výstupu z ní. Vše ukazuje následující obrázek, ze kterého je názorně vidět, že zde dochází vlastně ke čtyřem konverzím mezi analogovým a digitálním tvarem. Nepříjemným důsledkem toho je skutečnost, že maximální dosažitelná rychlost je zde stále cca 30 kbps (resp. 33,6 kbps), a to i přesto, že uvnitř telefonní sítě je digitální podoba hovoru vedena kanálem se standardizovanou rychlostí 64 kbps.

Představa (analogového) datového přenosu skrz digitální telefonní síť

Pokud bychom chtěli efektivněji využít přenosových schopností digitální sítě, museli bychom odstranit alespoň některé z konverzí. To je možné, a právě to dělají dnes používané modemy pro 56 kbps. Jak naznačuje následující obrázek, je efektivně eliminována dvojice konverzí na straně jednoho z komunikujících účastníků, čímž vzniká nesymetrická situace: postavení obou komunikujících stran je odlišné, musí používat jiné provedení modemů, a odlišné jsou také maximální dosahované rychlosti. Tolik propagovaných 56 kbps lze dosáhnout jen v jednom směru (zatímco ve druhém směru jde stále o "klasických" 33,6 kbps, alespoň podle standardu V.90, případně o 48 kbps podle novějšího standardu V.92).

Představa přenosu dat skrz digitální síť, s modemy 56 kbps

Typické využití v praxi je pro připojování k Internetu, a dvojice konverzí je eliminována na straně internetového providera. Z pohledu uživatele to znamená, že musí být připojen k digitální ústředně (provider samozřejmě také), a že oněch 56 kbps dosáhne v optimálním případě směrem k sobě (na tzv. downloadu).

Možná vás v tuto chvíli napadne, proč nejít ještě dál a nezbavit se omezujícího vlivu konverzí také na straně uživatele, na jeho přípojce (místní smyčce), která by také mohla fungovat plně digitálně. Máte pravdu, i toto jde - vlastně se tím jen "protáhnou" ony 64 kbps přenosové okruhy z vnitřku telefonní sítě až k uživateli. Problém je v tom, že toho nemůžete dosáhnout sami, ale musí to pro vás udělat provozovatel telefonní sítě. No a ten si za to samozřejmě nechá náležitě zaplatit. Ale to už se jedná o sítě ISDN, a o těch si povíme příště.