15. TELEKOMUNIKACIJSKA MREŽA

Globalna telekomunikacijska mreža najveći je i najkompleksniji tehnički sustav koji je čovjeknapravio. To je važan dio infrastrukture svake zemlje i bitan čimbenik njenog razvoja.

Telekomunikacijska mreža ima tri osnovna dijela (slika 15.1): krajnje uređaje (eng. terminals), kojisluže za odašiljanje i prijem informacija, komutacijske čvorove (eng. nodes), koji služe za usmjeravanjeinformacijskih tokova, i spojne putove (eng. links), koji povezuju krajnje uređaje s komutacijskim čvorovimaili komutacijske čvorove (eng. node) međusobno. Spojni putovi koji povezuju krajnje uređaje skomutacijskim čvorovima općenito nazivamo pretplatničkim ili korisničkim vodovima, a spojne putove kojipovezuju komutacijske čvorove međusobno općenito nazivamo spojnim vodovima.

Slika 15.1 – Glavni dijelovi telekomunikacijske mreže

Očito je da se unutar komutacijskih čvorova odvijaju komutacijsko-transmisijski procesi, gdje se podkomutacijskim procesima podrazumijeva usmjeravanje informacijskih tokova, a pod transmisijskimprocesima se podrazumijeva prijenos signala od odašiljača do prijamnika putem raspoloživog spojnog puta.Ovakav spojni put općenito se naziva informacijskim kanalom ili kraće, kanalom. Prijenosni sustavi, ovisnoo namjeni, temelje se na primjeni jednog ili više kanala u upotrebljenom mediju. Pri tome su kanalimeđusobno raspregnuti kako ne bi uz simultano postojanje više različitih veza, jedan kanal smetao drugomkanalu. Ovakva se rasprezanja kanala postižu pomoću osnovnih parametara prijenosnog medija, kao što su:dinamička (amplitudna) koordinata, frekvencijska koordinata, prostorna koordinata i vremenska koordinata.Ovisno o iskorištenom parametru, govorimo o primjeni prostornog, vremenskog, frekvencijskog ilidinamičkog multipleksa za rasprezanje.

Termin multipleks (multiplex) ima korijen u latinskim riječima multi (veliki broj) i plex (utor).Multipleksori (MUX) djeluju i kao koncentratori i kao spojni elementi koji omogućuju velikom brojuterminala relativno malenih brzina, dijeljenje istog spojnog puta velikog kapaciteta (fizički put) između dvijetočke u mreži.

Prvo se razvio multipleksor s frekvencijskom podjelom kanala, FDM (eng. Frequency DivisionMultiplexing). Kod njega su informacijski kanali predstavljeni određenim frekvencijskim opsegom, a izmeđunjih su umetnuta zaštitna područja, koja razdvajaju kanale, a služe za smanjenje interferencije izmeđususjednih kanala. Širina kanala je 3,1 kHz u frekvencijskom području od 300 Hz do 3,4 kHz. Razmaksusjednih nosivih frekvencija je 4 kHz.

Da bi se obavio prijenos, u podjeli kanala po frekvenciji, po istom prijenosnom putu trebafrekvencijska područja kanala premjestiti u više raspoloživo frekvencijsko područje prijenosnog medijakoristeći se odgovarajućim modulacijskim procesom, slika 15.2.a,b,c. Pretpostavlja se da su frekvencijskiopsezi svih kanala jednaki, tj. B1=B2=B3. Modulaciju treba provesti tako da se postigne grupiranjefrekvencijskih područja kanala u transponiranom frekvencijskom području, odnosno da se kanali poredaju

2

jedan do drugoga u smjeru višeg frekvencijskog područja, slika 15.2.d. Za uspješan prijenos informacijadostatan je jedan bočni pojas, pa se nepotrebni bočni pojas, nastao u modulacijskom procesu, mora ukloniti,a to se postiže prikladnim filterom.

a) b)

c) d)

0 4 kHz

B1

B2

B3

f

f

f

f1

f2

f3

f1<f2<f3

f1 f1+B1f

f1-B1

f2

f3

f

ff3+B3f3-B3

f2+B2f2-B2 FfB1 B2 B3

Slika 15.2. – Načelo rada frekvencijskog multipleksora: a) informacijski kanali, b) nosive frekvencijepojedinih kanala, c) rezultat procesa modulacije i d) složeni kanali u transponiranom

frekvencijskom području

Ovako frekvencijski odvojeni signali pojedinih kanala u transponiranom frekvencijskom područjustižu po zajedničkom prijenosnom putu na prijamnu stranu. Na prijamnoj strani se primjenom filtera signalipojedinih kanal izdvajaju iz zajedničkog frekvencijskog područja i demoduliranjem vraćaju u pojedinačnakanalska frekvencijska područja. Ovdje se moraju osigurati jednake nosive frekvencije istih kanala naodašiljačkoj i prijamnoj strani.

Kanal, jednom dodijeljen nekom korisniku, ostaje neiskorišten ako nema komunikacije iz nekograzloga, iako, možda postoje korisnici koji imaju potrebu za slobodnim komunikacijskim kanalom.

Prijenos podataka po FDM-u zahtijeva set posebnih modema malenih brzina, jedan za svaki kanal nasvakoj strani veze. FDM se koristi u širokopojasnim LAN-ovima, koji podržavaju više istovremenih veza.Multipleksor s vremenskom podjelom kanala, TDM (Time Division Multiplexing), nudi sve prednostidigitalnog prijenosa, kao što su poboljšano iskorištenje frekvencijskog opsega, bolja otpornost na pogrješke,poboljšana sigurnost i mogućnost nadogradnje. Načelo rada TDM-a, s tri kanala, prikazano je na slici 15.3.

Slika 15.3 – Načelo rada vremenskog multipleksora

3

Tri kanala koja su vremenski multipleksirana mogu se prenositi po istom prijenosnom putu.Pravokutnici na slici 15.3 predstavljaju vremenske odsječke koji mogu biti bitovi ili okteti promatranihkanala. U promatranom primjeru svaki kanal može na zajedničkom prijenosnom putu koristiti samo trećinuvremena, T, izvornog kanala. Prema tome, broj bitova u sekundi (kapacitet) zajedničkog prijenosnog puta jetri puta veći od svakog izvornog kanala.

Multipleksor iz svakog kanala uzima vremenski odsječak i onda ih slože u jedan okvir – složenidigitalni izlaz. Kod svakog pregleda kanala, koji se obavlja u određenim vremenskim razmacima, MUXpošalje set podataka. Pri tome razdvaja jedan set od drugoga umetanjem određenog broja (obično jedan)bitova za sinkronizaciju okvira.

Na prijamnoj strani, proces je obratan. Kanali, vremenski odsječci, stižu u nizu – serijski,identificiraju se i šalju preko MUX-a do korisničkog terminala. Jasno je da MUX-evi moraju bitisinkronizirani, kako bi prijamni MUX pravilno razdvojio okvire i kanale.

Multipleksiranje se još naziva i umetanje (ili izmjenično nizanje, upletanje – interleaving). Pa postojibitsko (bitovno) umetanje i oktetsko umetanje.

Pleziokrona digitalna hijerarhija (eng. PDH – Plesiochronous Digital Hierarchy) i sinkrona digitalnahijerarhija (eng. SDH – Synchronous Digital Hierarchy) su dvije standardizirane multipleksne hijerarhijekoje se temelje na TDM načelu. PDH je s bitskim umetanjem, a SDH s oktetskim umetanjem.

Jedno od glavnih ograničenja osnovnog TDM-a je statička konfiguracija. Drugim riječima, kanal 1,je uvijek vezan za ulaz 1, tj. korisnika 1. Ovo znači da su terminali koji su slobodni ili isključeni pridruženikanalima pa stoga imaju poguban utjecaj na djelotvornost sustava, slika 15.4. Na slici se vidi da su terminali1 i 2 isključeni, ali njima dodijeljene vremenske odsječke 1 i 2 ne mogu koristiti drugi terminali.

Slika 15.4 – Primjena TDM-a u prijenosu podataka

Poboljšani TDM je statistički (dinamički) multipleksor s vremenskom podjelom, STDM (eng.Statistical Time Division Multiplexing). STDM ima mogućnost dinamičke dodjele raspoloživih kanala inovu širinu opsega. Drugim riječima, STDM može dodijeliti širinu opsega, u vidu vremenskih odsječaka(slot), s obzirom na zahtjeve prijenosa pojedinačnih elemenata u posebnim primjenama, slika 15.5.

4

Slika 15.5 – STDM u prijenosu podataka

STDM-ori mogu prepoznati aktivne i neaktivne elemente kao i razinu prioriteta. Oni mogu pozvatiopciju kontrole toka koju uzrokuje odašiljački terminal kod povremenog prestanka odašiljanja u slučaju kadasu interni buffer MUX-a ili privremena memorija puni. Kontrola toka također može biti korištena zazadržavanje prijenosa niskog prioriteta u korist prijenosa visokog prioriteta. Nadalje, STDM ima mogućnostkompresije podataka, detekcije i korekcije pogrješke kao i izvještavanje o statistici prometa.

Kod STDM pojedinačni kanali mogu biti grupirani na način da daju veću brzinu prijenosa(superbrzina) za pojedinačnu širokopojasnu komunikaciju kao što je videokonferencija. Individualni kanalitakođer mogu biti podijeljeni u više podkanala manjih brzina (subbrzina) za komunikacije manje širinepojasa, kao što je prijenos podataka malenim brzinama.

Slika 15.6 – Prikaz WDM-a s tri valne duljine

Multipleksor s podjelom na valne duljine, WDM (eng. Wavelenght Division Multiplexer),omogućuje kanale velikih brzina po jednom optičkom prijenosnom sustavu. Ovo je postignuto prijenosomviše frekvencija (valnih duljina) svjetla po jednoj optičkoj niti. Iako ima vlastiti naziv, WDM je optičkavarijanta FDM-a, slika 15.6.

Razvijena su dva sustava WDM-a: rijetki (eng. coarse) WDM i gusti (eng. dense) WDM, slika 15.7.Kod CWDM se koristi 2 do 10 kanala po valnoj duljini s razmakom kanala od 5 do 50 nm. Kod DWDM sekoristi 5 do 100 kanala s razmakom kanala od 0,1 do 5 nm.

5

Slika 15.7 – Prikaz CWDM i DWDM; puna linija predstavlja gušenje standardnog jednomodnog vlakna

Pod komutacijskim procesima u komutacijskim čvorovima podrazumijeva se, prema ITU-T,uspostavljanje, na zahtjev, individualne veze od željenog ulaza do željenog izlaza unutar seta ulaza i izlaza,zahtijevanog trajanja, za prijenos informacija.

Komutacijski sustavi sa svojom problematikom ubrajaju se u sustave masovnog posluživanja, čiju jeteoriju masovnog posluživanja započeo danski matematičar A.K. Erlang. Osnovni je zadatak realiziranihtehničkih sustava masovnog posluživanja da svojim tehničkim sredstvima prihvate "poziv" korisnika i da tepozive pravovremeno posluže, tj. da omoguće željenu komunikaciju između parova korisnika, a to znači date pozive prihvate, da obradbe i usmjere komunikacijske informacijske tokove na odredište definiranoadresom koju daje pozivajući korisnik. Sve ovakve pozive možemo općenito smatrati događajima. Pojavaovakvog događaja, tj. nailazak poziva na sustav masovnog posluživanja, u načelu je slučajan kao iposijedanje sustava tim pozivom. S obzirom na koordinatu vremena, možemo ovakve događaje promatratikao svojstvene tokove događaja koji mogu imati i različitu strukturu i različit intenzitet. Proučavanje ovakvihtokova događaja potrebno je za analizu i sintezu bilo kojeg sustava masovnog posluživanja, pa tako ikomutacijskih sustava, jer upravo tok poziva uzrokuje moguće promjene stanja komutacijskog sustava. Npr.poziv nekog korisnika može doći u komutacijski čvor u trenutku kada ne postoji mogućnost daljnjeguspostavljanja veza jer su sve tehničke mogućnosti sustava iscrpljene, pa kažemo da se za taj pozivkomutacijski sustav trenutno nalazi u stanju zauzeća.

Jedan od bitnih parametara svakog sustava masovnog posluživanja je broj kanala posluživanja. Podkanalom posluživanja u realiziranom sustavu razumijeva se skup tehničkih uređaja, odnosno funkcionalnihblokova sustava koji stoje na raspolaganju za posluživanje poziva.

U početnom razvoju telefonije postojali su samo lokalni komutacijski čvorovi na koje su korisnicibili vezani direktno. Jedini zadatak tih čvorova je bio komutiranje poziva između korisnika koji su živjeli uistom mjestu i koji su bili vezani na isti čvor. Kako je rasla potreba za komunikacijom između različitihmjesta, pojavila se potreba međusobnog povezivanja lokalnih čvorova. Povezivanjem većeg broja čvorovameđusobno, stvorila se vrlo složena mreža spojnih vodova. Da bi se izbjegao ovaj problem uvedena jehijerarhijska struktura komutacijskih čvorova, tj. uvedeni su komutacijski čvorovi različitih rangova, koji nemoraju svi biti povezani međusobno, a korisnici se vežu samo na čvorove najnižeg ranga. ITU-T je definirao6-razinsku hijerarhiju, slika 15.8. Ovakva se hijerarhija uglavnom koristi u velikim zemljama, s golemimudaljenostima, gdje je veliki broj prijenosnih sustava vrlo skup. Stoga se ovdje nastoji iskoristiti mnoštvomogućih usmjeravanja raspoloživih u mreži, da bi se pronašao najjeftiniji put. Nekoliko razina tranzitnihčvorova između lokalnih razina i međunarodne razine upravo ima jedini zadatak posredovanja prometaunutar nekog područja ili između različitih područja.

6

Slika 15.8 – Hijerarhija komutacijskih čvorova

Neprestani razvoj telekomunikacija čini mreže sve kompleksnijim, posebno uvođenjemvišefunkcionalnosti. Unatoč većoj kompleksnosti mreže operatori moraju i dalje držati svoje mrežejednostavnim i lako upravljivim. Ovo se postiže izgradnjom mreža s manje hijerarhijskih razina, čemu supridonijeli i optički kabeli. Primjenom optičke tehnologije cijena prijenosa se smanjila i veća se količinainformacija mogla prenijeti mrežom, smanjujući potrebu za puno različitih usmjeravanja koja su udotadašnjim mrežama bila moguća samo korištenjem većeg broja komutacijskih čvorova različit razina.

Danas su uobičajene mreže s četiri ili tri razine. Kod mreža s četiri razine to su:

- lokalni čvorovi- regionalni tranzitni čvorovi- nacionalni tranzitni čvorovi i- međunarodni čvorovi.

Kod mreža s tri razine, slika 15.9, to su:

- lokalni čvorovi- tranzitni čvorovi i- međunarodni čvorovi.

Pristupni čvor je centrala na koju su izravno ili posredovanjem udaljenih pretplatničkih stupnjeva (UPS)priključeni korisnici i nalazi se u okviru pristupne mreže, centralizirane ili decentralizirane. Spojnimvodovima povezuje se na tranzitne čvorove, a zadatak joj je da komutira cijeli polazni i dolazni prometsvojih korisnika.

Pristupni čvor u centraliziranoj pristupnoj mreži naziva se mjesna centrala (LC), a može biti izvedenabez ili s udaljenim pretplatničkim stupnjevima, koji se s matičnom mjesnom centralom povezuju spojnimvodovima. Mjesna centrala se povezuje s tranzitnim centralama spojnim vodovima.

Pristupni čvor u decentraliziranoj pristupnoj mreži naziva se područna centrala (PC). Na područnucentralu priključeni su korisnici određenog dijela jednog mjesta, izravno ili posredovanjem UPS-a. Povezanaje spojnim vodovima na tandem-tranzitnu centralu i svoje UPS-ove.

7

MJESNACENTRALA

(ČVOR)

PODRUČNACENTRALA

(ČVOR)

UDALJENIPRETPLATNIČKI

STUPANJ

TRANZITNACENTRALA

(ČVOR)

TANDEM-TRANZITNECENTRALE (ČVOROVI)

MEĐUNARODNECENTRALE (ČVOROVI)

II. kat.

MEĐUNARODNECENTRALE (ČVOROVI)

I. kat.

Međunarodni vodovi

Magistralni vodovi

Spojnivod

Korisničkivod

Centralizirana pristupna mreža Decentralizirana pristupna mreža

Slika 15.9 – Primjer 3-razinske hijerarhije čvorova u telefonskoj mreži

Udaljeni pretplatnički stupanj je izmješteni dio pretplatničkog stupnja pristupnog čvora, koji se smatičnim pristupnim čvorom povezuje spojnim vodovima. Koristi se radi ekonomičnije izgradnje pristupnihmreža. UPS u pravilu predstavlja središte vlastite pristupne mreže. Njegov zadatak je da skuplja polazni idolazni promet svojih korisnika kojeg komutira matični pristupni čvor.

Pristupna mreža obuhvaća područje mjesnog telefonskog prometa i sastoji se od korisničkih uređaja iaparata, sustava prijenosa i jednog ili više pristupnih čvorova. U pristupnoj mreži korisnički terminal jekorisničkim vodom spojen na pristupni čvor.

Tranzitni čvor je centrala na koju se priključuju:

- spojni vodovi za povezivanje sa svim pristupnim čvorovima svog tranzitnog područja

- magistralni vodovi za povezivanje s drugim tranzitnim čvorovima i

- magistralni vodovi za povezivanje s međunarodnim čvorovima.

Na tranzitne čvorove se u pravilu ne priključuju pretplatnici. Zadatak im je da komutiraju veze:

- polaznog i dolaznog prometa između korisnika pristupnih čvorova svog tranzitnog područja

8

- polaznog i dolaznog prometa između korisnika pristupnih čvorova svog i drugih tranzitnih područja. Tekna ovoj razini je previđeno međusobno povezivanje čvorova iste razine i

- polaznog i dolaznog međunarodnog prometa korisnika pristupnih čvorova svoga tranzitnog područja.

Tandem-tranzitni čvorovi (eng. TTC) su centrale koje se uvode u decentralizirane pristupne mreže isluže za međusobno povezivanje područnih centrala iz te mreže i njihovo povezivanje s drugim tranzitnimčvorovima i međunarodnim čvorovima. TTC uvijek rade u paru radi pouzdanosti i sigurnosti, a u vrlovelikim decentraliziranim pristupnim mrežama mogu biti i dva ili više parova ovakvih čvorova.

Međunarodni čvorovi su centrale na koje se priključuju:

- međunarodni vodovi za vezu s međunarodnim čvorovima drugih zemalja

- međunarodni vodovi za povezivanje drugih međunarodnih čvorova u zemlji

- magistralni vodovi za povezivanje međunarodnog čvora s tranzitnim čvorovima i

- magistralni vodovi za povezivanje međunarodnog čvora s TTC.

Međunarodni čvorovi mogu biti I. i II. ranga. Zadaci međunarodnih čvorova I. ranga su:

- posredovanje cijelog polaznog i dolaznog automatskog, poluautomatskog i manuelnog prometa sa svimzemljama , za korisnike svog područja i

- posredovanje cijelog polaznog i dolaznog automatskog, poluautomatskog i manuelnog prometa sazemljama s kojima drugi međunarodni čvorovi u zemlji nemaju izravne vodove.

Međunarodni čvorovi II. ranga moraju imati mogućnost automatskog komutiranja i poluautomatskogposredovanja cjelokupnog polaznog i dolaznog međunarodnog prometa za korisnike iz svog područja.

Raspored i međusobno povezivanje čvorova telekomunikacijske mreže, fizičkim (realnim) ili logičkim(virtualnim) putem, naziva se topologijom mreža. Dvije mreže imaju istu topologiju ako je konfiguracijaveza ista, iako se mreže mogu razlikovati u fizičkom povezivanju, udaljenosti između čvorova, brziniprijenosa i/ili vrsti signala. Postoji nekoliko standardnih topologija mreža, slika 15.12:

1. svatko sa svakim, slika 15.12.a. Ovo je topologija u kojoj postoje izravne veze (eng. path,branch) između svih čvorova u mreži. Da bi se to ostvarilo u mreži s n čvorova treba: n(n-1)/2 izravnih veza

2. sabirnica, slika 15.12.b. Topologija u kojoj su svi čvorovi spojeni zajedno preko jedne sabirnice

3. zvijezda, slika 15.12.c. Topologija u kojoj su periferni čvorovi vezani na centralni čvor, kojiponovno distribuira sve dolaze primljene od nekog perifernog čvora u sve periferne čvorove mreže,uključujući i izvorni čvor. Svi periferni čvorovi mogu komunicirati međusobno samo preko centralnog čvora.Kvar na vodu ili prekid voda kojim je periferni čvor vezan na centralni čvor rezultira izolacijom perifernogčvora

4. prsten, slika 15.12.d. Topologija u kojoj svaki čvor ima točno dva spojna voda

9

Slika 15.12 – Vrste topologija mreže

5. stablo, slika 15.12.e. Topologija koja s čistog topološkog stajališta sliči zvijezda-topologiji utolikošto se od perifernih čvorova zahtijeva da šalju prema drugim čvorovima i da primaju od drugih čvorovapreko centralnog čvora. Funkcija centralnog čvora može biti i razdijeljena. Kao i kod izvorne zvijezda-topologije, individualni čvorovi mogu biti izolirani od mreže kvarom u jednoj točki spojnog voda do čvora.Kod razdijeljene funkcije centralnog čvora, kvar u jednoj točki spojnog voda će rezultirati odjeljivanjem dvaili više čvorova od preostalog dijela mreže

6. isprepletena, slika 15.12.f. Topologija u kojoj postoje barem dva čvora s dva ili više spojna vodaizmeđu njih

7. hibridna, slika 15.12.g. Topologija nastala kombinacijom dvije ili više topologija. Može sepojaviti slučaj gdje dvije osnovne mrežne topologije, kada se spoje zajedno, još uvijek zadržavaju osnovnekarakteristike mreže i stoga nisu hibridna mreža. Npr. stablo-mreža spojena sa stablo-mrežom je i daljestablo-mreža. Stoga, hibridna mreža nastaje samo kada je ishod spajanja dviju osnovnih mreža, mrežnatopologija različita od spojenih osnovnih topologija po definiciji,

8. dvostruki prsten, slika 15.12.h. Topologija slična topologiji prstena samo što je broj spojnihvodova po čvoru dvostruko veći i

9. linearna, slika 15.12.i. Topologija koja se podudara sa sabirnica-topologijom.