Osnove prenosa podataka

Zavod za telekomunikacije

Osnove prijenosa podataka

Prof.dr.sc. Alen Baant

oujak 2006.

1 od 92

Predgovor Ova je skripta prvenstveno namijenjena predmetu Prijenos podataka, izbornom predmetu etvrte godine smjera Telekomunikacije i informatika Fakulteta elektrotehnike i raunarstva u Zagrebu. U skripti su obraeni osnovni pojmovi koji se koriste u transportu informacija telekomunikacijskim mreama. Poseban je osvrt dan na digitalne komunikacijske sustave i model otvorenih komunikacijskih sustava, OSI RM. Unutar tog modela detaljno su obraeni fiziki sloj i sloj informacijskog linka. Takav pristup odgovara nazivu predmeta (Prijenos podataka) kojem je ova skripta i namijenjena. Konvencije koritene u ovoj skripti: prijevod termina na hrvatski (engleski termin) veina strunih naziva napisana je zajedno s izvornim nazivom na engleskom, pri emu je hrvatski pojam masno otisnut, a engleski napisan u zagradi kurzivom; znaenje skraenice na hrvatskom (skraenica znaenje skraenice na engleskom) u ovoj je skripti veina skraenica prevedena na hrvatski (masno otisnuto), a sama skraenica je napisana velikim slovima u zagradi zajedno s izvornim engleskim znaenjem pisanim kurzivom). Na mjestima gdje nisam smatrao potrebnim prevoditi skraenicu ona je napisana samostalno (bez prijevoda), a odmah u zagradi do nje i znaenje na engleskom: skraenica (znaenje na engleskom).

1

Osnovni model digitalnog komunikacijskog sustavaZavod za telekomunikacije

smetnje predajnik (transmitter) m izvor informacija g(t) koder izvora i(t) koder kanala k(t) pretvara s(t) n(t) prijenosni medij

r(t) pretvara

p(t)

dekoder kanala

d(t)

dekoder izvora

o(t)

odredite informacija

m'

prijemnik (receiver)

m informacija na izvoru; g(t) signal izvora; s(t) poslani signal; r(t) primljeni signal;

o(t) signal na odreditu; m informacija na odreditu; n(t) signal smetnje; i(t) d(t) - zbog smetnji u prijenosu;2 od 92


oujak 2006.

Osnovni zadatak komunikacijskog sustava (communication system) je omoguiti razmjenu informacija izmeu izvora i odredita. Komunikacijski sustavi mogu biti analogni i digitalni. U potpuno analognom komunikacijskom sustavu signal se na cijelom komunikacijskom putu od izvora do odredita transportira u analognom obliku. Primjer takvog sustava je analogni telefonski sustav (POTS Plane Old Telephone System) koji prua osnovnu telefonsku uslugu (POTS Plane Old Telephone Service). U dananje vrijeme se potpuno analogni komunikacijski sustavi iznimno rijetko koriste. Suvremeni su komunikacijski sustavi uglavnom digitalni. Informacija se cijelim komunikacijskim putem (communication path) od izvora do odredita transportira u digitalnom obliku ili se koristi kombinacija digitalne i analogne komunikacije, to znai da je na pojedinim segmentima komunikacijskog puta signal koji prenosi informaciju digitalni, a na ostalim dijelovima analogni. U ovoj e skripti biti razmatrani iskljuivo digitalni komunikacijski sustavi. Na poetku komunikacijskog puta u osnovnom modelu digitalnog komunikacijskog sustava (DCS Digital Communication System) nalazi se informacijski izvor koji generira signal izvora, g(t). Informacija (information, na gornjem slajdu oznaena kao m) moe biti govorna ili glasovna (voice), podatkovna (data, npr. podaci upisani u bazu ili datoteku pohranjenu na vrstom disku raunala), video, audio i dr. Signal na izlazu izvora moe biti kontinuiran (analogni; amplituda signala poprima kontinuirane vrijednosti) ili diskretan (amplituda signala poprima diskretne vrijednosti). Signal u openitom smislu predstavlja fizikalni (elektriki, optiki) prikaz informacije koju prenosi. Digitalni signal je diskretan signal koji se u pravilu sastoji od slijeda pravokutnih impulsa definirane amplitude i trajanja.

2

Prijenosni kanalZavod za telekomunikacije

pretvara u predajniku k(t) linijski koder ili modulator a(t) predajni filtar s(t)

smetnje n(t) prijenosni medij prijenosni kanal r(t)

pretvara u prijemniku prijemni filtar b(t) linijski dekoder ili demodulator p(t)

prijenosni kanaljednosmjerni prijenos od predajnika do prijemnika;

pretvara u predajnikulinijski koder pretvara binarni kod u linijski kod; predajni filtar ograniava spektar signala u smjeru predaje;

pretvara u prijemnikulinijski dekoder pretvara linijski kod u binarni kod; prijemni filtar ograniava spektar primljenog signala;


oujak 2006.

3 od 92

Zadatak je kodera izvora (source coder) da signal izvora pretvori u digitalni signal i(t), pogodan za daljnju obradu i prijenos, tj. transmisiju (transmission). Koder izvora je u veini digitalnih komunikacijskih sustava binarni i sve kodne rijei na izlazu kodera izvora imaju u pravilu jednaku duljinu izraenu brojem bita. Sukladno teoriji informacije, koder izvora mora djelovati na takav nain da prosjena koliina bita po svakoj kodnoj rijei bude to manja (donja je granica odreena entropijom izvora). Nadalje, koder kanala (channel coder) preuzima formirane kodne rijei i dodaje im zalihost (redundanciju) koja u prijemu omoguava raspoznavanje simbola primljenih s pogrekom. Pogreke na simbolima nastaju uslijed djelovanja smetnji u prijenosu (signal n(t)). Zadatak je pretvaraa da izlaz iz kodera kanala, signal k(t), pretvori u signal s(t) pogodan za prijenos medijem. Pretvara tu pretvorbu moe obavljati na dva bitno razliita naina: digitalna modulacija (digital modulation) i linijsko kodiranje (line coding). Nakon djelovanja pretvaraa signal se prenosi prijenosnim medijem do prijemnika. Pretvara u prijemniku pretvara signal primljen s medija, r(t), u digitalni signal p(t). Predajni filtar u predajniku i prijemni filtar u prijemniku ograniavaju prijenosni pojas signala i oblikuju njegov spektar na takav nain da se na izlazu prijemnog filtra postigne dovoljno veliki odnos srednje snage signala i srednje snage uma kako bi se ostvarila eljena kvaliteta prijenosa signala. Dekoder kanala otkriva pogreke simbola (symbol error), koje nastaju tijekom prijenosa. Ovisno o vrsti primijenjenog koda neki koderi kanala mogu i ispravljati pogreke simbola (samo idealan kod kanala omoguava otkrivanje i ispravljanje svih pogreaka simbola). Ako prilikom prijenosa nije bilo pogreaka, ili ako je dekoder kanala uspio ispraviti sve pogreke, tada e vrijediti i(t+) = d(t), pri emu je kanjenje u prijenosu i obradi signala koje unose pojedini dijelovi DCS-a. 3

Kodni kanalZavod za telekomunikacije

predajnik i(t) koder kanala k(t) pretvara s(t)

smetnje n(t) prijenosni sustav kodni kanal r(t) pretvara

prijemnik p(t) dekoder kanala d(t)

prijenosni kanalciljevi:minimizirati tetni utjecaj meusimbolne interferencije (ISI intersymbol interference) i postii maksimalni odnos snage signala u trenutku uzimanja uzorka i srednje snage uma na izlazu prijemnog filtra;

kodni kanalcilj: minimizirati tetni utjecaj smetnji na prijenosni sustav;oujak 2006. 4 od 92


Izlaz dekodera kanala, d(t), u obliku kodnih rijei fiksne duljine dolazi na ulaz dekodera izvora koji kodne rijei pretvara u signal o(t) (vidi sliku modela digitalnog komunikacijskog sustava) i alje ga odreditu. Na odreditu se signal o(t) pohranjuje kao informacija m. Stupanj podudarnosti informacija m i m najvie ovisi o pogrekama simbola, a dijelom i o vrsti signala izvora, g(t). Prilikom pretvorbe analognog signala izvora u digitalni na odreditu e vrijediti: o(t+) g(t), ak i kad nema smetnji u prijenosu. U literaturi se vrlo esto za signal koji ima oblik slijeda pravokutnih impulsa koristi naziv digitalna podatkovna poruka (digital data message), odnosno skraeno podaci (data, njemaki Daten). U teoriji komunikacijskih sustava pojam podaci odnosi se na zapis informacije. Otuda i potjee naziv podatkovne komunikacije (data communications), odnosno prijenos podataka (data transmission). Na primjer, neiji govor je informacija, a uzorak govornog signala (npr. elektrikog signala na izlazu mikrofona) je podatak o trenutnoj amplitudi govora. Kad se taj uzorak pretvori u slijed binarnih simbola (bita), nastaje digitalna podatkovna poruka, odnosno digitalni podaci. Nasuprot tome, pojam podaci oznaava i vrstu informacije generirane u izvoru, npr. podaci o osobama spremljeni u bazu podataka (database) ili podaci u tekstualnoj datoteci (file). Zbog izbjegavanja mogue dvoznanosti pojma podaci u danom kontekstu (vrsta informacije na izvoru i zapis informacije) u ovoj je skripti koriten pojam informacija (osim na mjestima gdje je koritenje pojma podaci nuno). Dakle, od izvora do odredita transportira se informacija. Komunikacijski sustav ne obavlja obradu informacije ve iskljuivo njen transport s kraja na kraj komunikacijske mree (communication network). Jedan od osnovnih ciljeva u suvremenim komunikacijama je integracija svih vrsta usluga (govornih, podatkovnih, video i dr.) u jedinstvenu komunikacijsku mreu. 4

Prijenosni medijiZavod za telekomunikacije

frekvencija (Hz)

102 ELF

103 VF

104 VLF

105 LF

106 MF

107 HF

108 VHF

109 UHF

1010 SHF

1011 EHF

1012

1013

1014

1015

energetska mrea i telefonija

radiopodruje (radioureaji, TV-ureaji, elektronike komponente)upredena parica

mikrovalno podruje (mikrovalne antene, radari)

infracrveno podruje vidljiva (laseri, diode LED) svjetlost

koaksijalni kabel

optike niti

AM radio

FM radio i TV

zemaljski i satelitski prijenos

valna duljina (m)

106

105

104

103

102

101

100

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-65 od 92


oujak 2006.

Na gornjoj slici prikazan je dio spektra elektromagnetskog (EM) zraenja koji se koristi u pojedinim prijenosnim medijima. Prijenosne medije je mogue podijeliti u dvije skupine: omeeni (guided) i neomeeni (unguided). U omeene medije ubrajamo upredene parice (twisted pair), koaksijalne kabele (coaxial cable) i optike niti (optical fiber). Zajedniki naziv za prijenos signala upredenim paricama i koaksijalnim kabelima je ini prijenos. Za prijenos neomeenim medijem (zrak) koristi se naziv beini prijenos (wireless transmission), koji pak moe biti radijski, infracrveni i dr. Dva najvanija prijenosna parametra koji opisuju prijenosni medij su prijenosna brzina (transmission rate) i domet prijenosa (transmission range). Domet prijenosa mogue je definirati kao najveu udaljenost do koje je izvediv prijenos danim medijem uz zadovoljavajuu i unaprijed definiranu kvalitetu prijenosa. Kvaliteta prijenosa se najee odreuje pomou vjerojatnosti pogreke binarnih simbola, tj. vjerojatnosti pogreke bita (BER Bit Error Ratio). Sljedei imbenici utjeu na brzinu i domet prijenosnog medija. irina prijenosnog pojasa (bandwidth) to je irina prijenosnog pojasa vea to je mogue postii veu prijenosnu brzinu. Izoblienja u prijenosu izoblienja signala smanjuju domet prijenosa. Kod omeenih prijenosnih medija najvee je priguenje signala u upredenim paricama, a najmanje u optikim nitima. Interferencija smetnje koje potjeu od drugih signala (npr, presluavanja) imaju za posljedicu izoblienje korisnog signala u prijenosu. Najvee smetnje uslijed interferencije javljaju se u beinom prijenosu, ali ih ima i u omeenim medijima (parice, koaksijalni kabel). Broj prijemnika prijenosnim medijem moe biti meusobno povezano dva ili vie mrenih ureaja, pri emu svaki prikljuak prijemnika doprinosi poveanju priguenja i izoblienja signala u prijenosu, to dodatno ograniava domet prijenosa i prijenosnu brzinu.

5

Linijsko kodiranje i modulacijski postupciZavod za telekomunikacijeA P korisniki signal 0 fg f predajnik P modulacija ili linijsko kodiranje f1 prijenosni medij f2 f prijemnik P korisniki signal 0 f2 f signal na ulazu prijenosnog medija f1 0 P - razina snage signala A - priguenje signala u mediju fg f

cilj: uskladiti spektar signala s raspoloivom irinom prijenosnog pojasa prijenosnog medija; metode: linijsko kodiranje i modulacijski postupci;oujak 2006. 6 od 92


Jedan od vanih ciljeva koje je potrebno ostvariti kako bi prijenos medijem bio uinkovit je prilagodba spektra signala raspoloivoj irini prijenosnog pojasa prijenosnog medija. U fazi proizvodnje kreiraju se ini i optiki prijenosni mediji eljenih karakteristika. Meutim, kad se takav prijenosni medij jednom instalira, njegove se karakteristike vrlo sporo mijenjaju pod utjecajem okoline (temperatura, vlaga i dr.). Iznimku ine zrani vodovi (postavljaju se na stupove iznad zemlje) koji se danas iznimno rijetko koriste u telekomunikacijama. Najizloeniji utjecajima okoline je neomeeni medij, tj. zrak, a realizacija beinih komunikacija je najsloenija. Predajnik mora omoguiti da se karakteristike signala prilagode karakteristikama prijenosnog medija. To je mogue postii digitalnim modulacijskim postupcima i linijskim kodiranjem. Digitalni modulacijski postupci koriste digitalni signal kao modulacijski signal pomou kojeg djeluju na neko od obiljeja (amplituda, frekvencija, faza) analognog (sinusnog) signala nosioca (carrier), uslijed ega nastaje modulirani signal, koji se prenosi medijem. Dakle, jedan ili vie bita zajedno ine simbol koji se prenosi pomou odreene kombinacije amplitude, frekvencije i faze signala nosioca. Digitalni modulacijski postupak ima za posljedicu pomicanje spektra digitalnog signala iz osnovnog pojasa (baseband) u vie frekvencijsko podruje smjeteno oko frekvencije signala nosioca. Linijsko kodiranje pretvara slijed binarnih simbola u slijed simbola koji je pogodan za prijenos (npr. u slijed ternarnih simbola 1, 0 i -1). Linijski kod ne izaziva pomicanje spektra signala koji dolazi na ulaz linijskog kodera, ve iskljuivo suavanje, a u nekim situacijama i proirenje spektra tog signala. U prijemniku pretvara obavlja obrnuti postupak, tj. demodulaciju, odnosno pretvorbu linijskog koda u binarni kod.

6

Informacijski kanalZavod za telekomunikacije

definicija informacijskog kanala:sredstvo za transport informacija od jedne do druge toke u komunikacijskoj mrei; slijed simbola koji se alju na ulaz informacijskog kanala mora biti slian (ne nuno identian) slijedu simbola na izlazu informacijskog kanala; obuhvaa sljedee komponente:ureaji za pretvorbu formata informacije, tj. poretka bita ili znakova unutar odreenog slijeda simbola, koderi i dekoderi, spremnici, ureaji za segmentiranje i ponovno sastavljanje informacijskog slijeda, multipleksori i demultipleksori, modulatori i demodulatori, prospojnici, pojaala, obnavljai (regeneratori), prijenosni mediji, komutatori i druge komponente;

informacijski kanal moe biti jednosmjeran ili dvosmjeran;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 7 od 92

U osnovnom modelu DCS-a izvor i odredite informacije meusobno su povezani prijenosnim medijem koji obavlja iskljuivo funkciju prostiranja signala od predajnika do prijemnika koji se nalaze na meusobno odvojenim fizikim lokacijama. Informacijski kanal (information channel) je mogue openito definirati kao sredstvo za transport informacija izmeu dvije toke u mrei, npr. A i B. Informacijski kanal je u pravilu jednosmjeran (transport informacija mogu samo u smjeru od A do B, ili od B do A, ali ne i u oba smjera). Nadalje, mogue je definirati i dvosmjerni informacijski kanal, to znai da su u stvari uspostavljena dva informacijska kanala, jedan omoguava transport informacija od A do B, a drugi od B do A (pri tome nije nuno da oba informacijska kanala budu izgraena nad istim fizikim putovima kroz komunikacijsku mreu). Informacijski kanal je mogue promatrati na razliitim razinama mree (podrobniji opis razina bit e opisan u modelu OSI RM). Sam prijenosni medij takoer predstavlja informacijski kanal. Takav se informacijski kanal obino naziva kanal. Dakle, svaki informacijski kanal promatran na vioj razini mree sastoji se na fizikoj (ili fizikalnoj) razini od lanca kanala. Jedan od osnovnih parametara kanala je njegova irina prijenosnog pojasa (bandwidth) koja se mjeri jedinicom herc (Hz). Prijenosni pojas, kojeg je mogue nazvati i propusni pojas, je onaj dio frekvencijskog podruja unutar kojeg kanal proputa frekvencijske komponente sa svog ulaza na izlaz s priguenjem koje je manje od neke definirane vrijednosti. Prijenosni pojas se odreuje u odnosu na prijenosnu funkciju kanala. Prijenosna funkcija openito opisuje frekvencijsku ovisnost omjera napona na izlazu linearnog vremenski nepromjenjivog sustava (LTI system linear time-invariant system) i napona na ulazu tog sustava. Kanal i prijenosni kanal mogue je u veini realnih komunikacijskih sustava tretirati kao LTI sustav. 7

Kanal i rasprezanje kanalaZavod za telekomunikacije

kanal = prijenosni medijinformacijski kanal na najnioj, tj. fizikoj razini mree;

irina prijenosnog pojasa kanala B [Hz]odreuje se pomou prijenosne funkcije kanala;

unutar jednog prijenosnog medija moe egzistirati nekoliko kanalakanali se meusobno raspreu,kanali ne smiju jedni druge ometati,

rasprezanje kanala se obavlja pomou osnovnih koordinata prijenosafrekvencija, vrijeme, dinamika i prostor;

multipleksiranje tehnika rasprezanja kanala;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 8 od 92

Veina realnih kanala ima obiljeje niskog propusta (proputa signale ija se frekvencija nalazi unutar pojasa od 0 Hz pa sve do neke granine frekvencije fg) ili pojasnog propusta (proputa signale ija se frekvencija nalazi unutar pojasa od f0 fg do f0 + fg, pri emu je f0 dovoljno velika frekvencija). Dakle, irina prijenosnog pojasa tako definiranih kanala je sljedea: za niski propust B = fg [Hz], a za pojasni propust B = 2fg [Hz]. Postoji vie naina kako definirati graninu frekvenciju. U realnim se kanalima najee koristi metoda tzv. 3-dB toke, tj. frekvencije u kojoj vrijednost amplitudnog spektra padne na (1/2)1/2 od vrne vrijednosti. Jednim je prijenosnim medijem mogue istovremeno prenositi i vie od jednog kanala. Te kanale moemo smatrati i potkanalima (subchannel) glavnog kanala, tj. prijenosnog medija. Kanale unutar jednog prijenosnog medija potrebno je meusobno raspregnuti kako ne bi ometali jedni druge. Kanali se meusobno raspreu pomou jedne od etiri koordinate prijenosa: prostor, frekvencija, vrijeme i dinamika. Ako se radi o rasprezanju po frekvencijama, vremenu ili dinamici, tada u jednom prijenosnom mediju egzistira istovremeno nekoliko frekvencijskih kanala, vremenskih kanala, odnosno kanala raspregnutih po dinamici. U sluaju prostornog rasprezanja, vie prijenosnih medija (svaki u svojstvu potkanala) tvori jedan glavni (skupni) kanal. Multipleksiranje (multiplexing) je naziv za tehniku rasprezanja kanala. Prijenos signala omeenim prijenosnim medijem moe biti jednosmjeran ili dvosmjeran. Prilikom dvosmjernog prijenosa signala jednim omeenim medijem (jedna upredena parica, jedan koaksijalni kabel ili jedna optika nit) potrebno je raspregnuti smjerove prijenosa. U inom se prijenosu to ini pomou sklopa nazvanog ralje (hybrid), dok se u optikom prijenosu koriste razliite valne duljine za svaki smjer prijenosa.

8

Informacijski kapacitetZavod za telekomunikacije

bezmemorijski Gaussov kanal X(t)

N(t) AWGN

Y(t)

opis kanalaB irina prijenosnog pojasa kanala [Hz], P srednja snaga predajnika, N0 spektralna gustoa snage uma,

informacijski kapacitet: P C = B log2 1 + N B [bit s] 0


oujak 2006.

9 od 92

Promatrajmo sluajni proces X(t) frekvencijski ogranien na pojas od 0 do B [Hz]. Diskretni uzorci tog procesa, Xk, uzimaju se frekvencijom 2B [Hz] (sukladno Nyquistovom teoremu uzimanja uzoraka). Svaki uzorak Xk predstavlja kontinuiranu sluajnu varijablu. Uzorci Xk se dovode na ulaz kanala koji ima karakteristiku niskog propusta, ogranienog na frekvencijski pojas od 0 do B [Hz], i prenose se tim kanalom brzinom 1/T uzorak/s. Dakle, broj uzoraka sluajnog procesa, K, odreen je izrazom: K = 2BT. U kanalu djeluje aditivni bijeli Gaussov um (AWGN aditive white Gaussian noise) spektralne gustoe snage N0/2, pojasno ogranien na podruje frekvencija od 0 do B [Hz]. Za uzorke sluajnog procesa Y(t) na izlazu kanala vrijedi: Yk = Xk + Nk, k = 1, 2, ..., K. Svaki uzorak uma, Nk, ima Gaussovu funkciju gustoe vjerojatnosti, srednja mu je vrijednost jednaka nuli, a varijanca odreena izrazom: 2 = N0B. Pretpostavka je da su uzorci Yk meusobno statistiki neovisni. Kanal opisan prethodnim izrazima naziva se bezmemorijski Gaussov kanal s diskretnim vremenom (discretetime, memoryless Gaussian channel). Predajnik ima ogranienu snagu, varijanca uzorka Xk iznosi E[Xk2] = P. P ujedno predstavlja srednju snagu predajnika, tj. srednju snagu signala na ulazu kanala. Informacijski kapacitet tako definiranog kanala odreen je izrazom: C = Blog2(1 + P/2) [bit/s].

9

Teorem o informacijskom kapacitetuZavod za telekomunikacije

Informacijski kapacitet kontinuiranog kanala irine prijenosnog pojasa B [Hz], u kojem djeluje smetnja u obliku bijelog Gaussovog uma spektralne gustoe snage N0/2 i pojasno ogranienog na B [Hz], dan je izrazom:

P C = B log2 1 + N B [bit s] 0 pri emu je P srednja snaga predajnika, tj. srednja snaga signala na ulazu kanala.oujak 2006. 10 od 92


Na temelju prethodno definiranog informacijskog kapaciteta Claude Shannon je definirao svoj trei teorem, odnosno teorem o informacijskom kapacitetu (information capacity theorem). Izraz za informacijski kapacitet kanala C = Blog2[1 + P/(N0B)] [bit/s], mogue je napisati i na sljedei nain: C = Blog2(1 + S/N) [bit/s], pri emu S oznaava srednju snagu signala predajnika (S = P), a N oznaava srednju snagu uma u kanalu (N = N0B). Nadalje, esto se Shannonov izraz za informacijski kapacitet kanala zapisuje i u sljedeem obliku: C = 2Blog2(1 + S/N)1/2 = 2BD [bit/s], pri emu veliina D oznaava dinamiku: D = (1/2)log2(1 + S/N) [bit/s/Hz] ili [bit/prijenos]. Informacijski kapacitet kanala lake je poveati proirenjem propusnog pojasa kanala, nego poveanjem odnosa S/N. Teorem o informacijskom kapacitetu kanala implicira da je kanalom irine prijenosnog pojasa B [Hz], na ijem ulazu djeluje predajnik ija je srednja snaga P, mogue slati informacije brzinom C [bit/s] uz proizvoljno malu vjerojatnost pogreke simbola u prijemu, Pe, naravno, uz primjenu sustava kodiranja informacije koji posjeduje zadovoljavajuu razinu sloenosti. Ukoliko se informacije alju kanalom brzinom koja je vea od kapaciteta kanala, u prijemniku e se javljati pogreke simbola bez obzira na razinu sloenosti sustava kodiranja. Dakle, teorem o informacijskom kapacitetu predstavlja fundamentalno ogranienje brzine prijenosa informacija pojasno ogranienim Gaussovim kanalom na ijem ulazu djeluje predajnik signala ograniene snage, i pri kojoj je mogue izbjei pogreke simbola u prijemu.

10

Primjena Shannonovog treeg teorema na realne kanaleZavod za telekomunikacije

informacija se realnim sustavima alje brzinom R manjom od kapaciteta kanala C: R < C;kodiranje informacija u realnim sustavima nije idealno, nemogue je postii da Pe bude jednaka nuli, manjkavost sustava kodiranje opisujemo smanjenjem odnosa S/N (signal-to-noise ratio gap), :

S R = B log2 1 + [bit s] N B irina prijenosnog pojasa realnog kanala, S/N odnos srednje snage signala i srednje snage uma na ulazu u prijemnik;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 11 od 92

Smanjenje odnosa srednje snage signala i srednje snage uma, izraeno faktorom , funkcija je dozvoljene vjerojatnosti pogreke simbola (BER, BER je definiran kao omjer broja bita primljenih s pogrekom prema ukupnom broju primljenih bita) i sustava kodiranja informacije koji se koristi u realnom (ostvarivom) kanalu. Faktor odreuje uinkovitost sustava kodiranja u odnosu na idealni prijenosni sustav. Koritenjem npr. reetkastog koda (trellis code) mogue je faktor smanjiti na 1 dB. Decibel je jedinica za logaritamski omjer dviju snaga. Omjer snage P1 i snage P2, zadanih u vatima [W], mogue je zapisati kao: A = 10log10(P1/P2) [dB]. Potrebno je napomenuti da se prilikom prorauna informacijskog kapaciteta kanala u izraz za kapacitet kanala unosi apsolutni iznos omjera srednje snage signala i srednje snage uma zadanih u vatima, a ne logaritamski iznos tog omjera u decibelima.

11

Nyquistovo ogranienje prijenosne brzineZavod za telekomunikacije

Nyquistov prvi kriterij za prijenosnu brzinukanal ima karakteristiku idealnog niskog propusta, irina prijenosnog pojasa kanala B [Hz], prijenos vierazinski, tj. M-narnina ulaz kanala se dovode simboli odreenom brzinom, svaki simbol prenosi informaciju o log2M bita;

u prijemu se uzimaju uzorci signala jednakom brzinom kojom se i alju u kanal (sinkronizacija prijenosa); maksimalna brzina R kojom je mogue slati simbole kroz takav kanal bez utjecaja meusimbolne interferencije u trenucima uzimanja uzoraka iznosi R = 2B [simbol/s] = 2Blog2M [bit/s]Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 12 od 92

Harry Nyquist je definirao maksimalnu prijenosnu brzinu kojom je mogue slati simbole kroz kanal ija je karakteristika jednaka karakteristici idealnog niskog propusta irine prijenosnog pojasa B [Hz]. Na ulaz takvog kanala dovode se uzorci signala, tj. simboli u obliku funkcija (t kT), k Z. Brzina prijenosa simbola kanalom jednaka je dakle R = 1/T [simbol/s]. U prijemniku se uzimaju uzorci primljenog signala. Trenuci uzimanja uzoraka moraju biti tono usklaeni s oblikom odziva kanala. S obzirom da je tako definirani kanal ujedno i LTI sustav, odziv na slijed simbola mogue je na izlazu kanala promatrati kao zbroj odziva na pojedinane simbole. Odziv kanala na svaki pojedinani simbol (t kT) je funkcija oblika sin(x)/x. Uz pretpostavku da je fazna karakteristika kanala jednaka nuli, odziv kanala na simbol (t kT) poprima maksimum u trenutku t = kT, a u tokama kT nT, k n, n Z, odziv kanala prolazi kroz nulu. Nyquist je dakle pokazao, promatrajui odziv kanala na svaki pojedinani simbol, da je na izlazu kanala mogue izbjei meusimbolnu interferenciju (ISI) u trenucima uzimanja uzoraka, ali samo ako se uzorci uzimaju u trenucima t = kT. Iz toga slijedi da maksimalna brzina kojom je mogue slati simbole kroz idealan niskopropusni kanal irine prijenosnog pojasa B [Hz] iznosi R = 2B [simbol/s]. Naravno, ako se simboli alju i manjom brzinom od R, tj. brzinom Rm = R/m, m N, ISI e biti izbjegnuta ukoliko se uzorci uzimaju u trenucima t = kmT [s]. S obzirom da idealan niskopropusni kanal nema znaaja za realne prijenosne sustave, Nyquist je svoja razmatranja proirio na kanal ija je prijenosna funkcija jednaka funkciji izdignutog kosinusa, i ija je irina prijenosnog pojasa dvostruko vea od irine prijenosnog pojasa idealnog niskog propusta. Ujedno je pokazao da takva prijenosna funkcija daje dodatna poboljanja glede otklanjanja tetnog utjecaja meusimbolne interferencije.

12

Usporedba prvog Nyquistovog kriterija i treeg Shannovog teoremaZavod za telekomunikacije

Nyquistov prvi kriterij:R = 2B [simbol/s] = 2Blog2M [bit/s]

Shannonov trei teorem:

S C = B log2 1 + [bit s] N

prvi Nyquistov kriterij za prijenosnu brzinu ne uzima u obzir smetnju, odnosno odnos S/N, ve samo irinu prijenosnog pojasa i broj bita po simbolukapacitet kanala po Nyquistu moe biti i beskonaan;

trei Shannonov teorem ima vei znaaj za kapacitet kanala, a prvi Nyquistov kriterij za sinkronizaciju prijenosa;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 13 od 92

Prilikom prethodnog razmatranja prvog Nyquistovog kriterija nije uzet u obzir odnos izmeu simbola i bita. Openito, ako se radi o vierazinskom, tj. M-narnom prijenosnom sustavu tada svaki uzorak, tj. simbol prenosi log2M bita informacije kroz kanal. Drugim rijeima, svaki uzorak moe poprimiti jednu od M vrijednosti (to mogu biti amplitude signala, frekvencije, faze ili kombinacija tih parametara). Dakle, u M-narnom sustavu maksimalna brzina slanja kroz idealni niskopropusni kanal irine prijenosnog pojasa B [Hz] iznosi 2Blog2M [bit/s]. Nyquist je svojim izrazom obuhvatio iskljuivo fenomen ISI-a, a nije uzeo u obzir djelovanje sluajnih smetnji u prijenosu, odnosno srednju snagu uma koja dodatno ograniava kapacitet kanala. Ako um ne uzmemo u razmatranje, tada broj naponskih razina po uzorku signala moe biti teoretski beskonaan, pa uslijed toga i kapacitet kanala moe biti neogranien. Naravno, prvi Nyquistov kriterij nema praktino znaenje za proraun kapaciteta kanala, ve samo objanjava nunost usklaivanja predaje i prijema signala s prijenosnom funkcijom kanala. Brzina predaje i frekvencija uzimanja uzoraka moraju biti meusobno jednake, a toan trenutak uzimanja uzoraka unutar simbolnog intervala (faza uzimanja uzoraka) mora biti usklaen s oblikom impulsnog odziva kanala, tj. s prijenosnom funkcijom kanala. U svim realnim kanalima postoji odreeni iznos ISI-a u trenucima uzimanja uzoraka u prijemu simbola. To je posljedica nepravilnosti prijenosne funkcije kanala (nije idealna, tj. amplitudna karakteristika nije jednaka izdignutom kosinusu i/ili fazna karakteristika nije linearna). tetni utjecaj ISI-a smanjuje se uporabom ekvilizatora (equalizer) u prijemniku koji ispravlja nepravilnosti prijenosne funkcije kanala. Ekvilizator se implementira kao dio prijemnog filtra. Drugi dio je usklaeni filtar (matched filter) koji omoguava postizanje to veeg omjera snage signala u trenutku uzimanja uzoraka i srednje snage uma.

13

Prijenosna brzina u prijenosnom sustavuZavod za telekomunikacije

osnovni informacijski element bit; signalni element fizikalni prikaz simbolapravokutni impuls, sinusni impuls; svaki simbol prenosi odreeni broj bita;

prijenosna brzina R [bit/s]trajanje bita = Tb R = 1/Tb;predajnik linijski koder ili modulator predajni filtar prijenosni medij prijemnik prijemni filtar linijski dekoder ili demodulator prijenosna brzina14 od 92

prijenosna brzinaOsnove prijenosa podataka

linijska brzinaoujak 2006.

U digitalnim komunikacijskim sustavima signal koji se prenosi medijem ima oblik slijeda sinusnih impulsa ili slijeda pravokutnih impulsa. Svaki impuls predstavlja fizikalni prikaz jednog simbola, odnosno svaki se simbol prenosi pomou odgovarajueg signalnog elementa (signal element). Slijed signalnih elemenata ini signal (signal, waveform). Svaki simbol prenosi jedan ili vie bita informacije. Prijenos pri kojem se koriste signalni elementi u obliku pravokutnih impulsa naziva se prijenos u osnovnom pojasu (baseband transmission). Izvorna informacija sadrana je u amplitudi signalnog elementa ili u promjenama amplitude na razini skupine signalnih elemenata. Prijenos pri kojem se koriste signalni elementi u obliku sinusnih impulsa naziva se prijenos u pomaknutom pojasu (passband transmission). Izvorna informacija sadrana je u amplitudi, frekvenciji ili fazi signalnog elementa, ili se prenosi kao kombinacija tih veliina. Prijenosna brzina (transmission rate) predstavlja maksimalan broj bita koje neki prijenosni sustav moe prenijeti u jedinici vremena izmeu predajnika i prijemnika na krajevima prijenosnog sustava. Prijenosna brzina obrnuto je proporcionalna trajanju bita, R = 1/Tb. U modelu prijenosnog kanala prijenosna brzina se mjeri na ulazu u pretvara u predajniku, odnosnu na izlazu pretvaraa u prijemniku. Prijenosna brzina nekog prijenosnog sustava determinirana je odabirom prijenosne tehnologije, tj. odgovarajuim standardom. Na primjer, prijenosna brzina PDH sustava razine E1 iznosi 2,048 Mbit/s. Prijenosna brzina je u stvari kapacitet prijenosnog sustava, a ne kanala. Prijenosna brzina ostvarivog sustava uvijek je manja od kapaciteta kanala odreenog treim Shannonovim teoremom o informacijskom kapacitetu. tetne posljedice eventualne neusklaenosti prijenosne brzine s rezultatima prvog Nyquistovog kriterija ispravlja ekvilizator u prijemniku.

14

Linijska brzinaZavod za telekomunikacije

linijska brzinaRL [baud] = R [bit/s]/(broj bita po simbolu); trajanje simbola = Ts, RL = 1/Ts; baud jedinica za linijsku brzinu = broj prenijetih simbola po jedinici vremena;

formati pravokutnog signalnog elementaU A NRZ U A RZ

TsOsnove prijenosa podataka

toujak 2006.

Ts

t15 od 92

Jednim signalnim elementom mogue je prenijeti i vie od jednog bita informacije. Stoga se linijska brzina (line rate, signaling rate, modulation rate) mjeri brojem simbola prenijetih izmeu predajnika i prijemnika u jedinici vremena, i u tu se svrhu koristi jedinica nazvana baud. Na primjer, ako se u prijenosu koristi linijski kod 4B3T, koji etiri bita pretvara u tri ternarna simbola koje prenosi medijem pomou pravokutnih RZ impulsa, i ako prijenosna brzina iznosi R bita po jedinici vremena, tada za linijsku brzinu vrijedi izraz: RL [baud]= R [bit/s] 3/4. Osim samog linijskog kodiranja u digitalnom prijenosu informacija koristi se i formatiranje pravokutnih signalnih elemenata. Postoje dva formata nazvana format signalnog elementa bez povratka razine na nulu (NRZ Nonreturn to Zero) i format signalnog elementa s povratkom razine na nulu (RZ Return to Zero). Treba napomenuti da razina signalnog elementa ovisi o vrsti prijenosa. Na primjer, ako se radi o binarnom prijenosu, koriste se razine 0 i A volta ili A i A volta. Ako se koristi ternarni prijenos, razine signalnih elemenata mogu biti A, 0 i A volta. Ako se prilikom linijskog kodiranja slijeda bita koristi format NRZ tada e spektar kodiranog signala biti ui nego u sluaju primjene formata RZ. Nasuprot tome, format RZ uinkovitije djeluje na smanjenje meusimbolne interferencije nego format NRZ. Sinusni signalni element ima stalnu frekvenciju, fazu i amplitudu unutar simbolnog intervala trajanja Ts.

15

Dizajniranje komunikacijskog sustavaZavod za telekomunikacije

cilj: konfigurirati sustav koji prenosi informacije odizvora kroz umni kanal do odredita;

informacija mora biti isporuena na odrediteuinkovito i pouzdano;

ogranienjadopustiva predajna snaga, raspoloiva irina prijenosnog pojasa kanala i trokovi izgradnje komunikacijskog sustava;

vjerojatnost pogreke simbola BERmjeri se na izlazu prijemnika ili kanala;oujak 2006. 16 od 92


Prilikom prijenosa signala transmisijskim sustavom vrlo esto se javljaju izoblienja signala (deterministike smetnje) i sluajne smetnje. Te dvije pojave rezultiraju degradacijom kvalitete prijenosa, to se u digitalnom prijenosu odraava u veem broju simbola koji u prijemnik dolaze s pogrekom. Izoblienja signala nastaju uslijed specifinih karakteristika medija. Izoblienja mogu biti linearna (amplitudna i fazna izoblienja) i nelinearna. U linearna izoblienja signala ubrajaju se priguenje signala (signal attenuation) i disperzija signala (signal dispersion), tj. proirenje signala. Signal se u vremenskoj domeni prikazuje najee kao promjena napona ili struje u vremenu. Istodobno, spektar signala (frequency spectrum) u frekvencijskoj domeni sastoji se od dvije komponente: amplitudni spektar i fazni spektar. Svaki prijenosni medij priguuje amplitudni spektar signala, a ujedno i utjee na njegov fazni spektar uslijed ega dolazi do disperzije signala. Uzrok disperziji signala lei u injenici da se sve frekvencijske komponente koje sainjavaju spektar signala ne rasprostiru jednakom brzinom kroz medij. Uslijed toga se javlja fazno kanjenje (phase delay) signala i grupno kanjenje (group delay) skupine signala razliitih frekvencija. Nelinearna izoblienja, koja se ponekad nazivaju i intermodulacijski um, nastaju na nelinearnim elementima u prijenosnom sustavu. Izravna posljedica nelinearnih izoblienja signala je generiranje novih harmonika koje signal u svom izbornom obliku ne sadri. Razlikujemo dvije vrste nelinearnih izoblienja: harmonika (od sinusnog signala frekvencije f0 nastaju sinusni signali frekvencije nf0, n ) i neharmonika (od dva sinusna signala frekvencije f1 i f2 nastaju sinusni signali ije frekvencije iznose mf1 nf1, m, n ). Za razliku od izoblienja koja je mogue opisati deterministikim modelima, sluajne smetnje nastaju stohastiki i oteavaju dimenzioniranje sustava.

16

Smetnje i izoblienja signala u prijenosuZavod za telekomunikacije

izoblienja signalalinearna: amplitudna i faznaamplitudna priguenje signala, fazna disperzija signala;

nelinearnaharmonika od f nastaje 2f, 3f, ...; neharmonika od f1 i f2 nastaje mf1 nf2, m, n N;

sluajne smetnjetermiki um N0 = kT [W/Hz], k = 1,380310-23 J/K,unutar frekvencijskog pojasa irine B: snaga uma N = kTB; na bliem kraju NEXT, i na daljem kraju FEXT;

presluavanja impulsni um uzrok: atmosferska pranjenja, kvarovi;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 17 od 92

U sluajne smetnje se ubrajaju um (noise), presluavanje (crosstalk), feding (fading), tj. iezavanje signala, i dr. Za razliku od uma koji je prisutan u svim komunikacijskim sustavima, presluavanja su dominantna sluajna smetnja u prijenosnim sustavima (transmission system) realiziranim pomou upredenih parica. U jednom parinom kabelu obino se nalazi nekoliko upredenih parica. Signal koji se prenosi jednom paricom prenosi se kapacitivnim i meuinduktivnim vezama i na ostale parice u zajednikom kabelu (ili na parice u susjednim kabelima; izvorni naziv na engleskom za takvu smetnju je alien crosstalk). Stoga se parice upredaju kako bi se smanjilo presluavanje. Ponekad se parini kabeli oklapaju kako bi se zatitili od vanjskih smetnji, pogotovo od impulsnog uma, ali i da bi sami manje ometali okolne sustave. U optikom prijenosu presluavanje izmeu optikih niti nije mogue. Pouzdanost digitalnih komunikacijskih sustava izraava se veliinom BER koja predstavlja vjerojatnost pogreke simbola na izlazu prijemnika, odnosno kanala. Npr. BER na izlazu prijenosnog kanala svakako je vei nego BER mjeren na izlazu kodnog kanala, jer dekoder kanala moe odreene pogreke simbola ispraviti. U idealnom sluaju, kad smetnje i izoblienja ne bi tetno djelovali na signal, BER bi na izlazu prijemnika bio jednak nuli. Meutim, u realnim komunikacijskim sustavima pogreke simbola su uvijek prisutne. Stoga je cilj dizajna digitalnog komunikacijskog sustava smanjenje vjerojatnosti pogrenog prijema simbola na ostvarivi minimum koji je iz opisanog razloga uvijek vei od nule (npr. BER = 10-11). BER u prijenosnom kanalu izravno je ovisan o omjeru energije simbola i spektralne gustoe snage uma na izlazu prijemnog filtra.

17

Pogreke simbolaZavod za telekomunikacije

predajnik generira signal s(t); uslijed izoblienja i smetnji s(t) mijenja obliksignal je priguen i proiren, signal na ulazu u prijemnik: r(t) s(t);

nakon dekodiranja u dekoderu kanalaprimljena informacija d(t) = poslana informacija i(t)pogreaka simbola u prijenosu nije bilo, ili prijemnik je otkrio sve pogreke simbola i otklonio ih;

primljena informacija d(t) poslana informacija i(t)prijemnik nije otkrio sve pogreke simbola, ili prijemnik otkrio sve pogreke, ali ih nije sve mogao ispravitiu nekim se komunikacijama manja koliina neispravljenih pogreka simbola tolerira (npr. paketski prijenos govora);Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 18 od 92

Na ulaz pretvaraa (vidi slajd 2) u predajniku dolazi signal k(t) koji se sastoji od slijeda binarnih simbola {ki}. Signal kojeg generira pretvara, s(t), prenosi informaciju iz izvora, m. Signal s(t) se sastoji od slijeda signalnih elemenata {si}. Tijekom prijenosa na signal s(t) djeluju izoblienja prisutna u mediju i smetnje, te se uslijed toga signal s(t) izoblii. Za nastavak razmatranja zanemarimo trajanje obrade signala i prostiranja signala medijem. Dakle, na ulazu u prijemnik vrijedi da je r(t) s(t). Odstupanje primljenog od poslanog signal ovisi o intenzitetu izoblienja i smetnji. Kao prvo, potrebno je definirati pojam pogreke bita (bit error, transmission error). U pretvarau, kao dijelu prijemnika, odvija se proces detekcije primljenog signala. Toan opis postupaka detekcije, bilo da se radi o prijenosu u osnovnom pojasu ili o primjeni modulacijskih postupaka, izlazi izvan okvira ove skripte. Neovisno o tijeku detekcije, pretvara pretvara primljeni signal prvo u slijed simbola, kojeg linijski dekoder potom pretvara u slijed bita, {pi}. Ako za neki i vrijedi da je pi ki, tada kaemo da je na i-tom binarnom simbolu nastala pogreka. Ako je djelovanje smetnji i izoblienja na signal bilo takve prirode da nakon detekcije vrijedi pi = ki, tada se radi o prijenosu bez pogreaka (BER na izlazu prijenosnog kanala jednak je nuli). Nadalje, dekoder kanala ima zadatak da koritenjem redundancije koja je ugraena u primljeni slijed bita otkrije to vie pogreaka. Dakle, dekoder kanala moe dodatno smanjiti vjerojatnost pogreke simbola. Svakako treba razlikovati pogreke koje objektivno postoje na nekim simbolima od pogreaka koje je prijemnik otkrio. Dakle, zbog nesavrenosti metoda za otkrivanje pogreaka mogue je da je pi ki, a da dekoder kanala to ne detektira kao pogreku. Prijemnik u realnom sustavu ne moe otkriti niti ispraviti sve pogreke tijekom duljeg promatranog razdoblja.

18

Osnovni elementi komunikacijske mreeZavod za telekomunikacije

prijenosni link

glavni link

C

X

krajnji ureaj X mreni vor N

operacije na linkulinijsko kodiranje, modulacija, multipleksiranje, prospajanje (crossconnection);

B

1

2 3 5 6 E F D

N

A

4

grane (linkovi)obiljeja: duljina, prijenosna brzina, BER;

operacije u vorukomutiranje, usmjeravanje;

vorovi (komutacije)

obiljeja: prijenosne brzine po prikljucima, dimenzije vora, vrijeme ekanja informacijskih jedinica u voru, propusnost vora;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 19 od 92

Komunikacijsku mreu je mogue definirati kao sustav koji ureajima na krajevima mree, nazvanim krajnji ureaji (end station, end system, host) prua uslugu transfera informacija. Strukturu komunikacijske mree ine dva osnovna elementa: (1) vor ili mreni vor (node, network node, communication node), (2) grana (link) ili prijenosni (transmisijski) link (transmission link). Krajnji se ureaji pomou prijenosnih linkova povezuju sa vorovima koji su meusobno povezani u mreu odreene topologije. Prijenosni linkovi koji meusobno povezuju vorove nazivaju se i glavni linkovi (trunk). U svakom mrenom voru implementirane su funkcije komutiranja (switching) i usmjeravanja (routing) informacijskih tokova. Komutiranje je mogue definirati kao operaciju pomou koje vor informaciju koju primi po nekom od svojih ulaznih prikljuaka (port) usmjeri i poalje na jedan ili vie izlaznih prikljuaka. Mreni ureaj koji obavlja funkciju komutiranja naziva se komutator (switch) ili komutacijski vor. Mehanizam komutiranja u voru ovisan je o tome da li se u mrei koristi naelo komutacije kanala (channel switching) ili komutacije paketa (packet switching). vorovi meusobno razmjenjuju informacije o smjerovima (route) koji su raspoloivi za transfer informacije kroz mreu i o raspoloivim prijenosnim kapacitetima na tim smjerovima. Na taj nain svaki vor moe uinkovito komutirati primljene informacijske tokove. Ta se funkcija vora naziva odreivanje smjerova transfera, odnosno usmjeravanje. U osnovna obiljeja mrenih vorova ubrajaju se brzine prijenosa na prikljucima vora, dimenzije vora (broj ulaznih i izlaznih prikljuaka), vrijeme ekanja informacijskih jedinica u memorijskim spremnicima (buffer) u vorovima, odnosno vrijeme ekanja informacijskih jedinica u voru (latency), i propusnost (throughput) vora, tj. ukupna koliina informacijskih jedinica koje vor moe u jedinici vremena preusmjeriti s ulaznih na izlazne prikljuke.

19

Javna telekomunikacijska mreaZavod za telekomunikacije

javne telekomunikacijske mreejavna zemaljska mobilna (pokretna) mrea PLMNtelekomunikacijska mrea s pokretljivim korisnicima; telekomunikacijska mrea s nepokretljivim korisnicima se esto naziva i fiksna (nepokretna) mrea;

mrea za prijenos podataka komutacijom kanala CSPDN, mrea za prijenos podataka komutacijom paketa PSPDN; digitalna mrea integriranih usluga ISDNuskopojasni ISDN (N-ISDN) i irokopojasni ISDN (B-ISDN) podrava prijenosne brzine vee od brzine primarnog pristupa ISDN-u (PRA Primary Rate Access);

javna komutirana telefonska mrea PSTN;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 20 od 92

Primjeri javnih telekomunikacijskih mrea (telecommunication network) su PSTN (Public Switched Telephone Network), PLMN (Public Land Mobile Network), CSPDN (Circuit-switched Public Data Network), PSPDN (Packetswitched Public Data Network), N-ISDN (Narrowband ISDN) i B-ISDN (Broadband ISDN), koji koristi prijenosne brzine vee od 2 Mbit/s. Za razmatranje prijenosa informacija PSTN-om posebno je zanimljiv pojam pretplatnika linija (subscriber line). Pretplatnika linija je preporukom G.101, nazvanom Transmisijski plan, definirana kao prijenosni link izmeu komutacijskog entiteta mree i krajnjeg ureaja (telefonska stanica, privatna telefonska instalacija ili neki drugi krajnji ureaj koji koristi signale kompatibilne s telefonskom mreom). Pretplatnika linija povezuje toku u kojoj se korisnik povezuje s mreom (NCP Network Connection Point) i napojni most (FB Feeding Bridge) u centrali.

20

Prijenos i transfer informacijaZavod za telekomunikacije

prijenos informacijaodvija se na komunikacijskom putu izmeu dvije toke u mrei na kojem nisu implementirane funkcije komutiranja; odvija se na fizikom sloju komunikacijske mree; funkciju prijenosa izmeu dvije ili vie toaka u mrei obavlja prijenosni (transmisijski) link;

transfer informacija = transport informacijaodvija se na komunikacijskom putu izmeu dvije toke u mrei na kojem su implementirane funkcije prijenosa i komutiranja; odvija se na viim slojevima komunikacijske mree;


oujak 2006.

21 od 92

Ako su na komunikacijskom putu izmeu dvije ili vie toaka u mrei implementirane iskljuivo prijenosne funkcije tada se izmeu tih toaka odvija prijenos (transmission) informacija, tj. transmisija informacija. Funkcije prijenosa su sljedee: prostiranje signala (signal propagation), razdjela signala (splitting), pojaavanje signala (signal amplification), obnavljanje signala (signal regeneration), multipleksiranje (multiplexing) i demultipleksiranje (demultiplexing), modulacija (modulation) i demodulacija (demodulation), linijsko kodiranje (line coding) i linijsko dekodiranje (line decoding), prospajanje (cross-connection) i dr. Funkcije prijenosa informacija u komunikacijskoj mrei obavljaju prijenosni linkovi (transmission link), tj. transmisijski linkovi. Sukladno nainu na koji prijenosni sustav, kao dio transmisijskog linka, tretira signal, prijenos moe biti analogni (analog transmission) ili digitalni (digital transmission). Pri tome signali u prijenosu mogu predstavljati analogne podatke (analog data) ili digitalne podatke (digital data). U ovom kontekstu pojam podatak oznaava zapis informacije. Ako su na komunikacijskom putu izmeu dvije ili vie toaka u mrei implementirane funkcije prijenosa i komutiranja informacija tada se izmeu dotinih toaka odvija transfer ili transport informacija. Funkciju komutiranja informacija u komunikacijskoj mrei obavljaju mreni vorovi, tj. komutatori. Funkciju transporta, odnosno transfera informacija obavljaju zajedno mreni vorovi i transmisijski linkovi.

21

Komutacija kanalaZavod za telekomunikacije

komunikacija ima tri fazeuspostava veze, prijenos informacija i raskid veze;

komunikacijski put izmeu izvora i odredita vezepostoji cijelo vrijeme trajanja veze, raskida se tek po zavretku veze;

uspostava vezedodatno kanjenje u prijenosu, nakon uspostave veze jedino signifikantno kanjenje prouzroeno je prostiranjem signala medijem;


oujak 2006.

22 od 92

Osnovna ideja komutacije kanala je sljedea. Nakon to se izmeu izvora i odredita informacije uspostavi veza, toj se vezi pridjeljuje komunikacijski put koji prolazi od izvora preko skupa linkova i mrenih vorova do odredita. U fazi uspostave neke veze mrea odreuje kojim e se tono prijenosnim linkovima, odnosno multipleksnim kanalima na tim linkovima, i vorovima informacija transportirati izmeu izvora i odredita te veze. Dakle, u toj se fazi obavlja zauzimanje mrenih resursa koji e vezi biti dodijeljeni za cijelo vrijeme njena trajanja, i koje ona nee dijeliti s drugim vezama. Svaki informacijski tok se cijelo vrijeme trajanja veze kojoj pripada prenosi uvijek istim komunikacijskim putem nad kojim je veza izgraena u fazi njene uspostave. Drugim rijeima, uspostavom veze uspostavlja se fiksni komunikacijski put (ne mijenja se) koji traje sve dok traje i veza. Vano je takoer istaknuti da sam transfer korisnikih informacija ne moe zapoeti prije nego se uspostavi spomenuti komunikacijski put. Nakon zavretka komunikacije izmeu izvora i odredita dotina se veza nuno raskida. Zahtjev za raskid dolazi iz izvora ili iz odredita, a mrea sukladno tome oslobaa sve resurse (kanale, linkove, spremnike u komutaciji, slogove u komutacijskim tablicama) koje je dotina veza koristila. Dakle, u budunosti e te resurse moi po potrebi koristiti druge veze koje mrea tek treba uspostaviti. Sama uspostava veze unosi odreeno kanjenje u transfer informacija izmeu izvora i odredita, naroito ako se radi o pozivima na meunarodnoj razini mree. Signal poziva mora doprijeti do odredita, koje potvruje da eli ili ne eli prihvatiti poziv (call), i ta se potvrda prostire natrag prema izvoru. Meutim, nakon to je veza uspostavljena, jedino znaajnije kanjenje transfera informacija potjee od prostiranja signala prijenosnim sustavima koji se nalaze na putu od izvora do odredita.

22

Komutacija poruka i paketaZavod za telekomunikacije

komutacija poruka (message switching)nema ogranienja na duljinu informacijskih jedinica pomou kojih se informacija transportira mreom; nedostatak:mreni vorovi moraju spremati poruke na diskove, i pojedine poruke mogu uzurpirati linkove dulje vrijeme;

posljedica: komutacija poruka se vie ne koristi;

komutacija paketainformacijske jedinice imaju ogranienu duljinu; mogua dinamika dodjela mrenih resursa vezama; nedostatak: mogunost pojave zaguenja u mrei; tehnike: virtualni kanali i datagramski transfer paketa;


oujak 2006.

23 od 92

Stariji oblik komutacije paketa nazvan je komutacija poruka. Poruka (message) je informacijska jedinica, odnosno blok uzastopnih informacijskih elemenata, ija duljina nije ograniena. Uslijed toga mreni vorovi koji prenose poruke moraju koristiti vrste diskove kako bi spremili te velike informacijske jedinice, to naravno poveava kanjenje prijenosa. Takoer, neke informacijske jedinice mogu zauzeti prijenosni link izmeu dva vora na dulje vrijeme, pa ostale informacijske jedinice, koje se takoer trebaju prenijeti tim istim linkom, moraju dugo ekati u spremnicima. Komutacija paketa izbjegava takve potekoe ograniavanjem duljine informacijske jedinice, koja se umjesto poruka naziva paket (packet). Na taj se nain skrauje ekanje informacijskih jedinica u mrenim vorovima, to je posebno povoljno za prijenos interaktivnog informacijskog prometa. Takoer, vor koji primi prvi paket neke veze moe proslijediti taj paket sljedeem voru i prije nego to primi sljedei paket. Na taj se nain smanjuje kanjenje i poveava propusnost mree. Kad na izvoru u mrei s komutacijom paketa postoje informacijske jedinice spremne za slanje, izvor ih poalje mrenom voru s kojim je povezan, vor provjerava da li poruka, odnosno paket, sadri pogreke bita, te ako je ispravan poalje ga do sljedeeg vora, i taj se proces nastavlja sve dok paket ne stigne do odredita. Ponekad, zbog zauzetosti linkova prema drugim vorovima pojedine informacijske jedinice moraju ekati u spremnicima mrenih vorova. Ovisno o stanju u mrei variraju i kanjenja transfera informacija s kraja na kraj mree (end-to-end delay). Tehnike komutacije paketa su virtualni kanali (virtual circuit) i datagramski transfer paketa.

23

Usporedba komutacije kanala i komutacije paketaZavod za telekomunikacije

kanjenje s kraja na kraj mreeu komutaciji kanala ovisi o trajanju uspostave veze; u komutaciji paketa varira ovisno o optereenju mree;

redoslijed primljenih informacijskih jedinicauvijek isti kod komutacije kanala; kod komutacije paketa mogu krivi redoslijed paketa na odreditu potrebno presloiti pakete dodatno kanjenje;

zaguenja u vorovima mreenema ih u komutaciji kanala;

iskoritenje mrenih resursapuno uinkovitije u komutaciji paketa;oujak 2006. 24 od 92


Trajanje uspostave veze ovisi o vrsti mree i usluge kojoj dotini poziv pripada. to se tie kanjenja u komutaciji paketa, tu je situacija puno neodreenija, jer kanjenje s kraja na kraj ovisi o dinamici svih prometnih tokova u mrei, pa su kolebanja kanjenja (delay jitter) nepredvidljiva. S obzirom da u komutaciji kanala sve informacijske jedinice koje pripadaju istoj vezi uvijek putuju istim komunikacijskim putom, one stiu na odredite uvijek po istom redoslijedu kojim su i poslane. Meutim, u mrei s komutacijom paketa koja koristi datagramski transfer individualni paketi iste veze mogu putovati mreom meusobno razliitim komunikacijskim putovima, pa je mogue da neki paketi stignu na odredite prije paketa koje je izvor poslao prije njih. U tom je sluaju potrebo na odreditu presloiti pakete to dodatno poveava kanjenje transfera. Glede zaguenja mree (network congestion) situacija je gotovo idealna u mreama s komutacijom kanala, dok se zaguenja smatraju normalnom i oekivanom pojavom u mreama s komutacijom paketa. Zaguenja svakako doprinose poveanju kanjenja i smanjenju propusnosti mree, a ponekad mogu dovesti i do gubitka paketa (packet loss). Osnovna prednost komutacije paketa u odnosu na komutaciju kanala je njena mogunost dinamikog dodjeljivanja raspoloivog dijela ukupnog kapaciteta prijenosnog linka pojedinim vezama (svakoj se vezi po potrebi pridjeljuje dio raspoloivog kapaciteta linka, a po potrebi nekoj je vezi mogue pridijeliti i sav raspoloivi kapacitet linka). U komutaciji kanala vrlo esto je dio kapaciteta prijenosnog linka neiskoriten, jer su svakoj vezi mreni resursi fiksno pridijeljeni, ak i u vremenskim intervalima kad nema informacija koje je potrebno prenositi tom vezom. Ako se takva situacija pojavi u mrei s komutacijom paketa, ona promptno dodjeljuje nekoriteni dio raspoloivog kapaciteta prijenosnog linka drugim trenutno aktivnim vezama, uslijed ega se poveava uinkovitost koritenja raspoloivih mrenih resursa i raste propusnost mree. 24

Informacijska brzina (bit rate)Zavod za telekomunikacije

informacijska brzina izvorakoliina bita koje izvor generira u jedinici vremena;

informacijska brzina na razini transfera informacijakoliina bita transportiranih izmeu izvora i odredita u jedinici vremena;

informacijska brzina na razini prijenosa informacijajednaka prijenosnoj brzini;

usluge transfera informacijausluga transfera informacija stalnom brzinomstalna informacijska brzina (CBR Constant Bit Rate);

usluga transfera informacija promjenjivom brzinompromjenjiva informacijska brzina (VBR Variable Bit Rate);Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 25 od 92

Prijenosna brzina i linijska brzina usko su vezane uz fiziki prijenos informacija i trajanje signalnih elemenata pomou kojih se simboli prenose transmisijskim sustavom. Meutim, u komunikacijskim sustavima esto se transfer informacija izmeu toaka u mrei razmatra na vioj razini koja nije izravno ovisna o samom prijenosu. Izvori informacija kategoriziraju se ne samo po vrsti informacija koje generiraju (govor, podaci, video i dr.) ve i po brzini kojom generiraju informacije. Ta se brzina naziva informacijska brzina izvora (ili skraeno brzina izvora) i izraava se jedinicom bit/s. Izvor koji informacije generira stalnom, nepromjenjivom brzinom, naziva se CBR izvor. Nasuprot tome, izvor koji informacije generira promjenjivom brzinom naziva se VBR izvor. Prilikom prijenosa informacija, bez obzira da li se radi o informaciji iz CBR ili VBR izvora, trajanje signalnih elemenata je ovisno o prijenosnom sustavu, tj. nije ovisno o promjeni informacijske brzine izvora. Nadalje, u modernim komunikacijskim sustavima sve ee se koriste pojmovi CBR usluga i VBR usluga (service). Radi se o uslugama transporta informacije stalnom, odnosno promjenjivom brzinom, koje odreeni komunikacijski protokoli pruaju nadreenim protokolima. Razliku izmeu informacijske i prijenosne brzine mogue je objasniti na sljedeem primjeru. Izvor A generira govornu informaciju brzinom 64 kbit/s (informacijska brzina izvora) i alje ju na odredite B. Na bilo kojem suelju na komunikacijskom putu od izvora do odredita koliina transportirane informacije koja pripada komunikaciji izmeu A i B iznosi 64 kbit/s. Nasuprot tome, prijenosna brzina je ovisna o prijenosnom sustavu kojim se govor prenosi. Ako je izvor A povezan s odreditem B pomou prijenosnog TDM sustava hijerarhijske razine E1, tada prijenosna brzina izmeu A i B iznosi 2,048 Mbit/s.

25

Kodiranje izvoraZavod za telekomunikacije

kodiranje govoraG.711 PCM informacijska brzina izvora iznosi 64 kbit/s; G.726 ADPCM 16, 24, 32 ili 48 kbit/s; G.728 LD-CELP 16 kbit/s; G.729 CS-ACELP 8 kbit/s;

kodiranje audiaG.722 i G.725 audio irine 7 kHz kodiranje do 64 kbit/s; MPEG-3;

kodiranje videaH.xxx kodiranje videa manjim brzinama; MPEG-1 i MPEG-2 (do 60 Mbit/s);


oujak 2006.

26 od 92

U prijenosu podataka svaki znak se kodira kodnom rijei fiksne duljine, a najee se koriste kodovi kao to su ASCII (American Standard Code for Information Interchange) i EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code). Jedna od starijih metoda kodiranja govora je PCM (Pulse Code Modulation), koja govorni signal irine spektra 4 kHz kodira brzinom 64 kbit/s. U mnogim paketskim mreama poeljno je kodirati govor manjom brzinom pa je ITU-T donio nekoliko takvih standarda. Za transport govorne informacije brzinom izmeu 16 kbit/s i 48 kbit/s koristi se ADPCM (Adaptive Differential PCM), za brzinu 16 kbit/s LD-CELP (Low-delay Code Excited Linear Prediction), a za brzinu 8 kbit/s CS-ACELP (Conjugate-structure Algebraic Code-excited Linear Prediction). Preporukom G.723.1 definirane su i nie brzine kodiranja govora: 5,3 kbit/s i 6,3 kbit/s. U podruju audia postoje dva rairena standarda: ITU-T G.722 i G.725, pomou kojih je definirano kodiranje audia irine spektra 7 kHz brzinom do 64 kbit/s, te MPEG-3 (MPEG Motion Picture Expert Group), kojim je definirano kodiranje audia varijabilnom brzinom. Koritenje postupaka kao to su PCM i ADPCM predstavlja temelj usluge transporta informacija stalnom brzinom (CBR), dok se na kodiranju MPEG kodom temelji usluga transporta informacija promjenjivom brzinom (VBR). U podruju kodiranja videa treba razlikovati kodiranje videa malom brzinom (npr, za videokonferencije ITU-T H.261 i H.263) i kodiranje videa velikom brzinom (npr, kodiranje HDTV signala brzinom i do 60 Mbit/s pomou standarda MPEG-2). Standard MPEG-1 definira kodiranje pohranjenog pokretnog videa (stored motion video) brzinom do 2 Mbit/s, a MPEG-4 kodiranje videa brzinom manjom od 64 kbit/s. Standard JPEG (Joint Photographic Experts Group) koristi se za kodiranje mirne slike u multimedijskom okruenju. Standard M-JPEG (Motion JPEG) definira nain kodiranja videa koji koristi saimanje slike pomou standarda JPEG. 26

Prijenosni linkZavod za telekomunikacije

stanica A fiziko suelje prijenosni (transmisijski) link

stanica B fiziko suelje

ureaji na krajevima prijenosnog linka stanice; segment prijenosnog linka = izravni link; obiljeja prijenosnog linka:duljina linka, prijenosne brzine po pojedinim segmentima, maksimalni dozvoljeni BER;


oujak 2006.

27 od 92

Prijenosni, odnosno transmisijski link je sustav sainjen od prijenosnih medija i prijenosnih ureaja koji meusobno povezuju komunikacijske ureaje na krajevima prijenosnog linka, nazvane stanice (station). U kontekstu prijenosnog linka stanica je ureaj koji obavlja iskljuivo komunikacijske funkcije (npr. mrena kartica u osobnom raunalu, a ne osobno raunalo u cjelini). Prijenosni link obavlja iskljuivo prijenosne funkcije. Na prijenosnom linku nisu implementirane funkcije komutiranja. Prijenosni se link sastoji od jednog ili vie segmenata nazvanih izravni linkovi (direct link). Osnovna obiljeja prijenosnog linka su njegova duljina, prijenosne brzine po pojedinim segmentima prijenosnog linka i maksimalna dozvoljena vjerojatnost pogreaka (BER) na prijenosnom linku. Temeljni dio prijenosnog linka ini prijenosni medij ili vie prijenosnih medija na komunikacijskom putu od izvora do odredita. Najee sam prijenosni medij nije dovoljan kako bi se povezale dvije toke u mrei, jer je domet prijenosa medija prekratak. Domet prijenosa kojeg omoguavaju ini i optiki prijenosni mediji mogue je poveati koritenjem pojaala (amplifier) u analognom prijenosu, odnosno obnavljaa (regenerator) u digitalnom prijenosu signala. Prijenosna funkcija pojaala, odnosno obnavljaa mora biti takva da ne naruava prijenosna obiljeja medija sukladno zahtjevima postavljenim na kvalitetu prijenosnog linka u kojem je dotini prijenosni medij implementiran. Mutlipleksor (MUX multiplexer) je ureaj koji omoguava istovremeni prijenos veeg broja kanala jednim prijenosnim medijem. Demultipleksor (DEMUX demultiplexer) je ureaj koji obavlja vaenje kanala iz agregatnog informacijskog toka koji se medijem prenosi izmeu multipleksora i demultipleksora.

27

Elementi prijenosnog linkaZavod za telekomunikacije

prijenosni medij; pojaalokoristi se u analognom prijenosu,

obnavlja = regeneratorkoristi se u digitalnom prijenosu;

multipleksorobavlja multipleksiranje veeg broja izvora na zajedniki prijenosni medij;

prospojnik (cross-connect)obavlja fiksno prospajanje ulaza s izlazima;

modem (modem)modulacija/demodulacija ili linijsko kodiranje/dekodiranje;oujak 2006. 28 od 92


Prospojnici se koriste u transmisijskoj mrei kako bi po potrebi omoguili prospajanje odreenih ulaza s jednih na druge izlaze. Za razliku od komutacije koja svoje ulaze prospaja s izlazima dinamiki pod utjecajem signalizacije, prospojnici djeluju statiki. Njima upravlja mreni operater manualno ili pomou sustava upravljanja mreom. Koritenjem prospojnika mogue je poveati fleksibilnost topologije transmisijske mree (transmission network). Modemi su ureaji koji obavljaju specifine prijenosne funkcije, kao to su modulacija i demodulacija, ili linijsko kodiranje. Prvi modemi su koriteni za analogni prijenos informacija (uglavnom podataka) pretplatnikom linijom. Takav se modem ujedno naziva i modem za prijenos u govornom pojasu frekvencija (voice-band modem), pri emu se govornim pojasom smatra podruje frekvencija od 300 do 3400 Hz. Svaki takav modem u smjeru predaje pomou digitalnog signala izvora kojeg mu alje prikljueni krajnji ureaj (npr. osobno raunalo) modulira signal nosilac i modulirani signal alje modemu na drugom kraju linije. U smjeru prijema modem obavlja demodulaciju primljenog signala i digitalni signal alje krajnjem ureaju. Svaki modem moe, dakle, obavljati i modulaciju i demodulaciju. Modemi za prijenos u osnovnom pojasu frekvencija (baseband modem) koriste se za digitalni prijenos informacija. Oni umjesto modulacije i demodulacije obavljaju linijsko kodiranje i dekodiranje signala. Danas se sve ee koriste modemi za digitalne pretplatnike linije (DSL Digital Subscriber Line) koji omoguavaju paralelni analogni prijenos govora u pojasu od 0 do 4 kHz i drugih informacija u viem frekvencijskom pojasu istom pretplatnikom linijom.

28

Izravni linkZavod za telekomunikacije

izravni linkprijenosni medij + pojaala/obnavljai (samo u prijenosu omeenim medijem); izravni link je segment prijenosnog linka; primjer: pretplatnika linija definirana preporukom ITU-T G.101;

ovisno o tehnologiji prijenosaPDH link, SDH link, optiki link, beini link i dr;A a MUX/ DEMUX 1 B boujak 2006.

c e MUX/ DEMUX 2 d

C

D


29 od 92

Segment prijenosnog linka kojeg u bilo kojem obliku prijenosa, inom, optikom ili beinom, ini sam prijenosni medij naziva se izravni link. Ponekad se za takav izravni link koristi i naziv prijenosna linija (transmission line). Posebno ako se razmatra prijenos omeenim medijem tada dio izravnog linka predstavljaju i pojaala u analognom, odnosno obnavljai u digitalnom prijenosu informacija. Sukladno koritenom prijenosnom mediju postoje sljedee vrste izravnih linkova: ini link (podrava ini prijenos upredenom paricom ili koaksijalnim kabelom), optiki link (podrava optiki prijenos optikim nitima) i beini link (podrava beini prijenos zrakom). Nadalje, ovisno o primijenjenoj tehnologiji prijenosa izravnim linkom postoje PDH linkovi, SDH linkovi i dr. Na gornjem slajdu dan je prikaz jednog komunikacijskog sustava u kojem su etiri stanice, A, B, C i D, meusobno povezane transmisijskom mreom koju tvori pet izravnih linkova, a, b, c, d i e, te dva multipleksora/demultipleksora, MUX/DEMUX 1 MUX/DEMUX 2. Dakle, pod pretpostavkom da stanica A moe kroz takvu mreu komunicirati samo sa stanicom C, a stanica B samo sa stanicom D, tada u dotinoj transmisijskoj mrei postoje dva transmisijska linka. Prvi prijenosni link tvore izravni link a, MUX/DEMUX 1, izravni link e, MUX/DEMUX 2 i izravni link c. Drugi transmisijski link ine izravni link b, MUX/DEMUX 1, izravni link e, MUX/DEMUX 2 i izravni link d. Dakle, na odreenom dijelu (MUX/DEMUX 1 izravni link e MUX/DEMUX 2) ta se dva transmisijska linka preklapaju. Naravno komunikacija na relaciji stanica A stanica C e koristiti samo dio resursa (kanala) na segmentu MUX/DEMUX 1 izravni link e MUX/DEMUX 2, to isto vrijedi i za komunikaciju na relaciji stanica B stanica D. Naravno, resursi koji pripadaju razliitim komunikacijama ne smiju se u ovakvom mrenom scenariju preklapati.

29

Usmjerenost prijenosa na razini transmisijskog linkaZavod za telekomunikacije

a)

stanica T A

R

stanica B

AB t

b)

T A R T A R T A R T R

T B R T B R

AB t1

BA t2

AB t3

BA t

c1)

AB i BA t

c2)

B

AB i BA t raljasti sklop

T predajnik R prijemnik

ako je prijenosni link A B realiziran bakrenim paricamaa, b i c1 dvoini link, c2 etveroini link;oujak 2006. 30 od 92


Pojam usmjerenost prijenosa (duplexity) odnosi na smjerove prijenosa signala nekim transmisijskim linkom. Glede usmjerenosti prijenosa i vremenskog rasporeda prijenosa signala transmisijskim linkom postoje tri naina prijenosa: (a) jednosmjerni prijenos (simplex), (b) naizmjenini prijenos (half-duplex) i (c) dvosmjerni prijenos (full-duplex). Sukladno tome postoji jednosmjerni prijenosni link (simplex link), prijenosni link s naizmjeninim prijenosom (half-duplex link) i dvosmjerni prijenosni link (full-duplex link). Na gornjoj slici prikazana su sva tri naina prijenosa na primjeru povezivanja dvije stanice, A i B. U sluaju jednosmjernog linka (slika a) prijenos se uvijek odvija samo u jednom smjeru (u gornjem primjeru A alje signale prema B, ali B nikada ne moe slati signale prema A). Jednosmjerni prijenos se vrlo rijetko koristi jer ne prua mogunost slanja upravljakih signala od odredita prema izvoru. Dvosmjerni link omoguava istodobni prijenos u oba smjera. Naizmjenini prijenos je u stvari dvosmjerni prijenos, ali se u bilo kojem trenutku komunikacija na prijenosnom linku moe odvijati samo u jednom smjeru (u gornjem primjeru od A prema B, ili od B prema A, ali nikako u oba smjera istodobno). Ako se prijenosni link izmeu dvije stanice realizira jednom paricom (slike a, b i c1), tada se u svakoj stanici predajnik i prijemnik povezuju s paricom pomou ralji koje razdvajaju smjerove prijenosa. Alternativu raljama predstavlja multipleksiranje s vremenskim saimanjem signala (TCM Time Compression Multiplex), poznato i pod nazivom dvosmjerni prijenos s vremenskom podjelom smjerova prijenosa (TDD Time Division Duplex). U optikom se prijenosu smjerovi prijenosa najee razdvajaju koritenjem odvijenih niti (po jedna nit za svaki smjer) ili u novije vrijeme koritenjem valnog multipleksiranja. U beinom se prijenosu smjerovi prijenosa najee razdvajaju koritenjem odvojenih frekvencijskih kanala. 30

Ponitavanje odjekaZavod za telekomunikacije

predajni filtar s(t)adaptivni algoritam za podeavanje koeficijenata EC-a

EC

e'(t) r'(t)

bliski odjek prijemni filtar i r(t) + e(t) sklop za uzimanje uzoraka

signal primljen s linije

e(t) bliski odjek (near end echo); sklop za ponitavanje odjeka (EC Echo Canceller); r(t) = r(t) ako je e(t) = e(t);oujak 2006. 31 od 92


Na lijevoj gornjoj slici prikazan je dio stanice zaduen za slanje i prijem signala s prijenosnog linka realiziranog pomou jedne bakrene parice. Kako bi se omoguilo da predajnik i prijemnik istodobno koriste zajedniku paricu, ime se postie uinkovitije iskoritenje prijenosnog medija i smanjuje potrebna koliina parica u pretplatnikom podruju mree, neophodno je koritenje raljastog sklopa. Signal predajnika, s(t), prenosi se na paricu, a signal r(t) dolazi s parice i ulazi u prijemnik. Meutim, zbog neprilagoenosti impedancije raljastog sklopa karakteristinoj impedanciji parice, dio signala s(t) prodire i u prijemnik. Taj se tetni signal e(t) naziva bliski odjek. Daleki odjek (far end echo) je tetni signal koji nastaje uslijed refleksije poslanog signala na drugom kraju parice (do refleksije na daljem kraju dolazi ako impedancija kojom je parica zakljuena nije jednaka karakteristinoj impedanciji parice). Reflektirani se signal vraa natrag prema poiljatelju i predstavlja smetnju u prijemu. I dok bliski odjek moe poprimiti velike iznose i ozbiljno naruiti kvalitetu prijenosa, daleki je odjek jako potisnut u odnosu na korisni signal (zbog prostiranja paricom izloen je djelovanju priguenja parice). U analognim se komunikacijskim sustavima za uklanjanje odjeka koristi ureaj nazvan potiskiva odjeka (echo suppressor). U digitalnim se komunikacijskim sustavima u tu svrhu koristi sklop za ponitavanje odjeka (EC). Signal koji ulazi u predajnik predstavlja ujedno i ulaz u sklop za ponitavanje odjeka. EC na temelju poznate prijenosne funkcije raljastog sklopa i prijenosne funkcije parice proraunava signal odjeka e(t). Izlaz iz prijemnika privodi se na ulaz sklopa koji od signala r(t) + e(t) oduzima proraunati odjek e(t), i kao rezultat nastaje signal r(t). Odstupanje signala r(t) od primljenog signala r(t) ovisi o tonosti prorauna odjeka u EC-u.

31

Nastanak odjeka na etveroinom linkuZavod za telekomunikacije

trajanje prostiranja signala = signal +

stanica A

EC

EC

stanica B

+ odjek trajanje prostiranja odjeka = regenerator signala

trajanje prostiranja s kraja na kraj ; dvostruko trajanje prostiranja (RTD) 2 ; viestruki odjeci;oujak 2006. 32 od 92


U komunikaciji na veim udaljenostima prijenosni linkovi su u pravilu etveroini, a pored samog inog medija sadre i obnavljae (ili pojaala, ako se radi o analognim sustavima). Uporabom obnavljaa, odnosno pojaala omogueno je postizanje veeg dometa prijenosa. Jedna parica koristi se za prijenos u jednom smjeru, a druga parica za prijenos signala u suprotnom smjeru. Stanice se na takav prijenosni link prikljuuju dvoino pomou raljastog sklopa. U ovakvom mrenom scenariju raljasti sklop obavlja konverziju dvoinog u etveroini prijenos. Na gornjoj slici prikazan je primjer takve komunikacije izmeu dvije stanice, A i B. Kad stanica A alje informacije stanici B, signal se prostire paricom i nakon sekundi stie u B. Meutim, zbog nesavrenosti raljastog sklopa dio signala vraa se natrag i nakon sekundi stie u stanicu A. Dakle, dvostruko trajanje prostiranja signala s kraja na kraj (RTD Round-trip Delay) iznosi 2 sekundi. Signal koji se vraa iz A u B naziva se odjek ili jeka (echo), i predstavlja smetnju u prijemniku stanice A. Na primjer, u analognoj govornoj komunikaciji jeka predstavlja ujnu smetnju govorniku, dok se u digitalnoj komunikaciji odjek zbraja s korisnim signalom koji se prostire od B prema A i predstavlja smetnju koja moe poveati vjerojatnost pogreke simbola. Ako se koristi dvosmjerni prijenos, tada je smetnja uslijed odjeka trajno prisutna. Kod naizmjeninog prijenosa, dok stanica A alje, njen je prijemnik iskljuen. Meutim, kad A zavri sa slanjem, ne moe se odmah prebaciti na prijem, ve mora priekati da proe 2 sekundi kako bi ukljuila prijemnik (dakle, nakon to proe odjek). Sve to je u gornjoj diskusiji reeno za smjer prijenosa od A do B vrijedi i za suprotan smjer prijenosa, tj. od B do A. tetnost djelovanja odjeka mogue je smanjiti primjenom potiskivaa odjeka u analognoj govornoj komunikaciji, odnosno primjenom sklopa za ponitavanje odjeka u digitalnim komunikacijama. 32

Kapacitet prijenosnog linkaZavod za telekomunikacije

kapacitet prijenosnog linka [bit/s]maksimalna koliina informacija koju je mogue prenijeti u jedinici vremena s kraja na kraj linka;

kapacitet izravnog linka = prijenosna brzina; kapacitet prijenosnog linka R irina prijenosnog pojasa BR [bit/s], a B [Hz]; veza izmeu R i B: spektralna uinkovitost E: E = R/B [bit/s/Hz], R prijenosna brzina [bit/s];

kapacitet dvosmjernog linkaponekad se rauna kao zbroj brzina u svakom smjeru, npr. dvosmjerni E1 link: R = 22,048 Mbit/s = 4,096 Mbit/s;


oujak 2006.

33 od 92

Za prijenosnu brzinu transmisijskog linka ponekad se koristi naziv kapacitet prijenosnog linka (link capacity). Kapacitet prijenosnog linka predstavlja maksimalnu koliinu korisnikih informacija koju je mogue u jedinici vremena prenijeti s kraja na kraj transmisijskog linka. Nadalje, kapacitet izravnog linka jednak je prijenosnoj brzini na tom linku. Kapacitet izravnog linka odreen je odabranom prijenosnom tehnologijom. Na primjer, neka se na promatranom izravnom linku prijenos informacija obavlja pomou PDH sustava razine E1. Takav link moemo nazvati E1 link. Neka je promatrani E1 link realiziran pomou upredene parice duljine 100 metara. Prijenosna brzina takvog izravnog linka iznosi 2,048 Mbit/s i, sukladno tome, kapacitet E1 linka takoer iznosi 2,048 Mbit/s. Naravno, taj je kapacitet puno manji od teoretskog maksimuma koji na parici navedene duljine moe iznositi i nekoliko stotina Mbit/s. Ako se neki prijenosni link realizira nad nekolicinom meusobno povezanih izravnih linkova meusobno razliitih prijenosnih brzina, tada je kapacitet takvog prijenosnog linka jednak prijenosnoj brzini najsporijeg sustava. U stranoj se literaturi esto za kapacitet prijenosnog linka koristi pojam irina prijenosnog pojasa linka (link bandwidth), koja se na neadekvatan nain izraava jedinicom bit/s. irina prijenosnog pojasa odnosi se iskljuivo na irinu frekvencijskog pojasa proputanja kanala i izraava se jedinicom Hz. Vezu izmeu prijenosne brzine R (a samim time i kapaciteta linka, ako je on jednak prijenosnoj brzini) i irine prijenosnog pojasa kanala B ini veliina spektralna uinkovitost (spectral efficiency) E = R/B, a predstavlja broj bita koje je mogue u jedinici vremena prenijeti po svakom hercu u prijenosnom pojasu kanala.

33

Referentni model OSI RMZavod za telekomunikacije

otvoreni sustav A najvii sloj . . . (N+1)-i sloj (N)-ti sloj (N-1)-i sloj . . . najnii sloj

otvoreni sustav B najvii sloj

aplikacijski sloj prezentacijski sloj sloj sesije

7. sloj 6. sloj 5. sloj 4. sloj 3. sloj 2. sloj 1. sloj prijenosni medij

(N+1)-i sloj (N)-ti sloj (N-1)-i sloj

transportni sloj mreni sloj sloj infomacijskog linka

najnii sloj

fiziki sloj

prijenosni (fiziki) medij

openiti model protokolne hijerarhije

model OSI RM u mrei s komutacijom paketa;oujak 2006. 34 od 92


U modernim komunikacijskim sustavima koristi se slojeviti pristup organizaciji svih komunikacijskih funkcija. Svaki je otvoreni komunikacijski sustav (misli se na otvorenost prema povezivanju s drugim sustavima) mogue opisati pomou skupa protokolnih slojeva poredanih po vertikali, od najnieg prema najviem. Takav ureeni slojeviti skup komunikacijskih protokola naziva se protokolni sloaj (protocol stack). Svaki sloj (layer) protokolnog sloaja sadri jedan ili vie entiteta (entity). Na gornjem slajdu lijevo prikazan je openiti model koji pretpostavlja da protokolni sloaj moe sadravati proizvoljan broj slojeva. Protokolni slojevi se implementiraju u komunikacijskim ureajima (u krajnjim ureajima i u vorovima mree) u obliku hardvera i/ili softvera. Unutar jednog komunikacijskog ureaja sloj (N), odnosno N-ti sloj komunicira samo sa slojevima koji su neposredno ispod [sloj (N-1)] ili iznad njega [sloj (N+1)]. Najnii sloj u protokolnom sloaju je prvi sloj. Posebno treba naglasiti da obiljeja prijenosnog medija nisu ukljuena u opis najnieg sloja. Na temelju openitog modela protokolne hijerarhije Svjetska standardizacijska organizacije (ISO International Organization for Standardization) je 1984. godine definirala referentni model povezivanja otvorenih komunikacijskih sustava (OSI RM Open Systems Interconnection Reference Model). Model OSI RM sadri sedam protokolnih slojeva: najnii sloj, tj. prvi sloj je fiziki sloj ili fizikalni sloj (physical layer), drugi sloj je sloj informacijskog linka ili sloj podatkovnog linka (DLL data link layer), trei sloj je mreni sloj (network layer), etvrti sloj je transportni sloj (transport layer), peti sloj je sloj sesije ili sloj sjednice (session layer), esti sloj je prezentacijski sloj (presentation layer) i sedmi, tj. najvii sloj je aplikacijski sloj (application layer).

34

EntitetiZavod za telekomunikacije

sloj (N+1)

entitet (N+1)-og sloja

protokol komuniciranja ravnopravnih entiteta (N) veza protokol komuniciranja ravnopravnih entiteta (N-1) veza protokol komuniciranja ravnopravnih entiteta

entitet (N+1)-og sloja

(N) SAP suelje izmeu slojeva

sloj (N)

entitet N-tog sloja

entitet N-tog sloja suelje izmeu slojeva entitet (N-1)-og sloja (N-1) SAP

sloj (N-1)

entitet (N-1)-og sloja

(N) SAP toka pristupa usluzi sloja (N); (N) veza (connection) logika veza izmeu ravnopravnih entiteta;oujak 2006. 35 od 92


Entitet je aktivni element sloja, a postoje hardverski entiteti, npr. integrirani I/O krug (I/O input/output), i softverski entiteti (npr. proces). Svaki entitet (N)-tog sloja [(N) entity], obavlja funkcije sloja (N). Kao to je ranije spomenuto, entiteti sloja (N) komuniciraju samo s entitetima slojeva koji se nalaze neposredno ispod i iznad dotinog sloja. Nekoliko entiteta vieg sloja moe komunicirati s jednim entitetom nieg sloja, i obratno, jedan entitet vieg sloja moe komunicirati i s nekoliko entiteta nieg sloja. Dosadanja razmatranja usmjerena su na entitete implementirane u jednom otvorenom sustavu, tj. komunikacijskom ureaju. Entiteti koji se nalaze na istom sloju, ali na razliitim sustavima, nazivaju se ravnopravni entiteti (peer entities). Komunikacija izmeu ravnopravnih entiteta N-tog sloja upravljana je odgovarajuim protokolom meusobnog komuniciranja ravnopravnih entiteta N-tog sloja. Ravnopravni entiteti meusobno razmjenjuju protokolne informacijske jedinice N-tog sloja, tj. (N) PDU (Protocol Data Unit). Drugi naziv za PDU je protokolna podatkovna jedinica. Ravnopravni entiteti N-tog sloja meusobno komuniciraju koristei usluge koje im pruaju nii slojevi, tj. entiteti (N-1)-og sloja. Sukladno tome, N-ti sloj prua usluge (service) (N+1)-om sloju. U tom sluaju N-ti sloj se naziva pruatelj usluge (service provider), a (N+1)-i sloj je korisnik usluge (service user). Entitet N-tog sloja prua uslugu entitetu (N+1)-og sloja pozivanjem primitiva (primitives). Primitiva specificira funkciju koju je potrebno pozvati i koristi se za prijenos informacija izmeu entiteta. Svaki entitet komunicira s entitetima vieg i nieg sloja kroz suelje (interface). Svako je suelje realizirano kao jedna ili vie toaka pristupa usluzi N-tog sloja [(N) SAP (N) Service Access Point]. Svaki SAP ima pridijeljenu adresu koja ga jednoznano odreuje. Komunikacija kroz SAP je dvosmjerna.

35

Funkcije slojeva modela OSI RMZavod za telekomunikacijekorisnika aplikacija aplikacijski sloj prezentacijski sloj sloj sesije transportni sloj mreni sloj sloj informacijskog linka fiziki slojSH

poruka (informacija krajnjeg korisnika) APDU PPDU SPDU TPDU-ovi paketi okviri slijed bita

AH

PH

AH

PH

AH

TH

SH

PH

AH

TH

NH

TH

SH

PH

AH

NH

TH

H NH

TH

SH

P T

H H

AH

T

H

NH

TH

T

H

T

XH zaglavlje (header) sloja X, T zaelje (trailer);oujak 2006. 36 od 92


Model OSI RM sastoji se od sedam slojeva koji obavljaju sljedee funkcije: 1. fiziki sloj najnii sloj, bavi se prijenosom nestrukturiranog slijeda bita kroz prijenosni sustav. Opis zahtijevanih karakteristika prijenosnog medija nije sastavni dio specifikacije fizikog sloja. Fiziki sloj je fiziko suelje komunikacijskog ureaja prema transmisijskom linku; 2. sloj informacijskog linka omoguava pouzdan prijenos informacija prijenosnim linkom. alje informacijske blokove nazvane okviri (frame), te obavlja neophodnu sinkronizaciju okvira (frame sychronizationm, frame delineation), upravljanje pogrekama (error control) i upravljanje prometnim tokovima (flow control) na razini informacijskog linka; 3. mreni sloj viim slojevima prua neovisnost o tehnologiji prijenosa i komutiranja informacijskih jedinica. Odgovoran je za uspostavu, odravanje i raskid veza; 4. transportni sloj omoguava pouzdan i transparentan prijenos informacija izmeu krajnjih komunikacijskih toaka, oporavak sustava od pogreaka (error recovery) i upravljanje prometnim tokovima s kraja na kraj mree (end-toend flow control); 5. sloj sesije prua upravljaku strukturu za komuniciranje izmeu aplikacija. Uspostavlja, upravlja i raskida sesije izmeu aplikacija koje meusobno surauju; 6. prezentacijski sloj aplikacijskim procesima prua neovisnost o razlikama u nainu prikaza podataka (sintaksa). Zaduen je i za sigurnosno kodiranje informacija, odnosno enkripciju (encription); 7. aplikacijski sloj najvii sloj, korisnicima omoguava pristup OSI okruenju i prua uvjete za realizaciju distribuiranih informacijskih usluga. Iznad tog sloja nalazi se korisnika aplikacija.

36

Informacijske jediniceZavod za telekomunikacijesustav A (N) PDU sloj (N) (N-1) SAP sustav B komunikacija izmeu ravnopravnih slojeva (N) PDU (N-1) SAP

suelje izmeu slojeva

(N-1) PCI

(N-1) SDU

(N-1) PCI

(N-1) SDU

sloj (N-1)

(N-1) PDU

(N-1) PDU

PCI (Protocol Control Information), PDU (Protocol Data Unit), SDU (Service Data Unit);oujak 2006. 37 od 92


Razmjena informacija izmeu dva komunikacijska sustava sastoji se od slijeda razmjena informacijskih jedinica izmeu slojeva u svakom od tih sustava. Pretpostavimo da sustav A u nekom trenutku alje informacije sustavu B. Proces zapoinje tako da korisnika aplikacija u sustavu A pakira informaciju u informacijske jedinice nazvane poruke (message). Aplikacijski sloj u sustavu A prihvaa poruku i zapoinje njena daljnja obrada. Openito, sloj (N), implementiran u sustavu A, alje preko suelja niem sloju, tj. sloju (N-1), protokolnu informacijsku jedinicu N-tog sloja, tj. (N) PDU. (N) PDU se odreenim (N-1) SAP-om prenese na sloj (N-1) gdje ga prihvaa odgovarajui entitet. Sloj (N-1) prihvaa informacijsku jedinicu s vieg sloja kao informacijsku jedinicu usluge (SDU) sloja (N-1), tj. (N-1) SDU. Drugi naziv za SDU je podatkovna jedinica usluge. Nadalje, entitet sloja (N-1) spaja (N-1) SDU zajedno s protokolnom upravljakom informacijom (N-1) PCI u jedinstveni (N1) PDU. Drugi naziv za PCI je zaglavlje, a jedinu iznimku ini sloj linka koji osim zaglavlja (N-1) SDU-u dodaje i zaelje. Dodavanje zaglavlja, odnosno dodavanje zaglavlja i zaelja SDU-u primljenom s vieg sloja naziva se i inkapsulacija (encapsulation). Entitet sloja (N-1) moe preslikati (N-1) SDU u jedan (N-1) PDU ili ga moe segmentirati u viestruke (N-1) PDU-e. U sluaju segmentiranja (N-1) SDU-a, svaki (N-1) PDU sadri odgovarajui (N-1) PCI. Opisani proces u sustavu A staje na najniem, tj. na fizikom sloju, nakon ega slijedi prijenos slijeda bita kroz mreu do sustava B. Fiziki sloj u sustavu B iz slijeda primljenih bita izdvaja okvire i alje ih sloju linka. Openito, u sustavu B sloj (N-1) od nieg sloja primi (N-1) PDU, rastavlja ga na (N-1) PCI i (N-1) SDU kojeg alje sloju (N). Sloj (N) preko odgovarajueg (N-1) SAP-a prima (N-1) SDU kao (N) PDU. Opisani se proces u sustavu B odvija sve do najvieg, tj. aplikacijskog sloja, koji korisnikoj aplikaciji predaje poruku (informaciju krajnjeg korisnika). 37

Spojne i nespojne uslugeZavod za telekomunikacije

spojna uslugamodelirana prema POTS-u; korisnik usluge uspostavlja vezu, koristi vezu i raskida je; paketi stiu na drugi kraj sukladno redoslijedu slanja; nepouzdana (bez potvrde prijema) i pouzdana usluga;

nespojna uslugamodelirana sukladno potanskom sustavusvaka poruka nosi adresu odredita, i usmjerava se kroz sustav neovisno o ostalim porukama; redoslijed poruka u prijemu nije nuno jednak redoslijedu njihova slanja;

datagramska usluga (sa i bez potvrde prijema) i usluga zahtjev-odgovor;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 38 od 92

Svaki sloj moe sloju iznad sebe ponuditi dvije vrste usluga: spojnu (CO connection oriented) uslugu i nespojnu (CL connectionless) uslugu. Pouzdana spojna usluga (reliable connection-oriented service) se implementira tako da primatelj alje poiljatelju potvrdu o prijemu svake primljene poruke. Na taj nain poiljatelj zna da su poslane poruke stigle na odredite. Potvrivanje ispravnosti prijema unosi odreeni pretek (overhead) u komunikaciju, te poveava kanjenje transfera informacija. Tipina situacija u kojoj je koritenje pouzdane spojne usluge neophodno je transfer datoteka (file transfer). Postoje dvije inaice pouzdane spojne usluge, sljedovi poruka (message sequences) i sljedovi okteta (byte sequences), koje se razlikuju po tome to su u prijenosu sljedova poruka sauvane granice poruka. Kod nekih usluga, kao to je, na primjer, transfer digitaliziranog govora, kanjenje koje unose potvrde ispravnosti prijema poruka nije poeljno. U takvim je uslugama lake tolerirati pogreke (u transferu govora to e rezultirati jae ili slabije izraenim umom ili slabijom razumljivou govora u prijemu). Takve se usluge nazivaju nepouzdane spojne usluge (unreliable connection-oriented service). Drugi naziv za nepouzdanu nespojnu uslugu je datagramska usluga bez potvrde prijema poruke (unacknowledged datagram service). U nekim situacijama, kad je potrebno poslati kratku poruku, poeljno je izbjei uspostavu veze, ali je pouzdanost transfera poruke vrlo vana. U takvim se aplikacijama koristi datagramska usluga s potvrdom prijema (acknowledged datagram service). Takva usluga koristi isto naelo kao slanje preporuenog pisma s povratnicom. Postoji jo jedna vrsta nespojne usluge, a to je usluga zahtjev-odgovor (request-reply service). Poiljatelj alje datagram koji sadri zahtjev, a primatelj mu vraa datagram s odgovorom (odzivom). Primjer takve usluge je upit (query) u bazu podataka.

38

Fiziki slojZavod za telekomunikacije

fiziki sloj je suelje prema prijenosnom linku; ujedno definira fiziko komunikacijsko suelje; obiljeja fizikog sueljamehanikekonektori (connector) i kabel s linijama suelja;

elektrikenaponske razine i oblici signala;

funkcijskefunkcije linija suelja;

proceduralnekomunikacijske procedure na suelju;Osnove prijenosa podataka oujak 2006. 39 od 92

Fiziki sloj modela OSI RM definiran je kao suelje (interface) komunikacijskog ureaja prema prijenosnom linku. Fiziki sloj obuhvaa izmeu ostalog i definicije fizikih suelja (physical interface) pomou koji se komunikacijski ureaji meusobno povezuju, kao i pravila po kojima se bitovi prenose dotinim sueljima. Na veini suelja komunikacija je serijska, tj. u svakom se trenutku u svakom od smjerova prijenosa sueljem prenosi samo jedan bit informacije, koja se u pravilu sastoje od korisnikih informacija, informacija za upravljanje sueljem i informacija potrebnih za sinkronizaciju prijema. Na paralelnom suelju informacije se u svakom od smjerova prijenosa prenose paralelno po odvojenim vodiima. To znai da se npr. jednim vodiem u jednom smjeru prenosi signal korisnike informacije, paralelno se po drugom vodiu u tom istom smjeru prenosi signal informacije za upravljanje sueljem, po treem se vodiu prenosi informacija o taktu, itd. Postoje etiri osnovne skupine obiljeja fizikih suelja. Mehanika odnose se na fizika svojstva suelja prema prijenosnom mediju, tj. na specifikaciju oblika i dimenzija konektora (connector) i specifikaciju kabela suelja. Kabel sadri vodie signala nazvanih linije suelja (interchange circuits), a pomou konektora instaliranih na oba njegova kraja povezuje se s komunikacijskim ureajima. Svako suelje sadri nekoliko linija, od kojih se dio koristi za prijenos korisnikih informacija, a ostatak za prijenos informacija za upravljanje sueljem. Elektrika odnose se na fizikalni prikaz bita (na pri

Documents

Osnove prenosa podataka