F - CZ

Transkript

F - CZ

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY
VYSOKÁ KOLA BÁSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA
Komunika£ní technologie pro
integrovanou výuku VUT a VB-TUO
Garant p°edm¥tu:
Miroslav Voz¬ák
Autor textu:
Miroslav Voz¬ák
Libor Michalek
© 2014
Vznik t¥chto skript byl podpo°en projektem £. CZ.1.07/2.2.00/28.0062
Evropského sociálního fondu a státním rozpo£tem eské republiky.
Za odbornou nápl¬ tohoto vydání odpovídají auto°i.
Miroslav Voz¬ák je docentem na Fakult¥ elektrotechniky a informatiky VB-Technické univerzity v Ostrav¥, kde p°edná²í p°edm¥t Úvod do komunika£ních technologií. Libor Michalek
je odborným asistentem na Fakult¥ elektrotechniky a informatiky VB-Technické univerzity
v Ostrav¥, kde p°edná²í p°edm¥t Úvod do komunika£ních technologií.
Rukopis nepro²el ºádnou jazykovou úpravou.
Vznik skript byl podpo°en projektem £. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu
a státním rozpo£tem eské republiky.
Tato publikace nepro²la redak£ní ani jazykovou úpravou.
© Miroslav Voz¬ák, Libor Michalek, 2014, VB-Technická univerzita Ostrava
Autor:
Katedra:
Název:
Místo, rok, vydání:
Po£et stran:
Vydala:
Náklad
Miroslav Voz¬ák, Libor Michalek
Katedra telekomunika£ní techniky
Komunika£ní technologie pro integrovanou výuku VUT a VB-TUO
Ostrava, 2014, 1. vydání
139
Vysoká ²kola bá¬ská-Technická univerzita Ostrava
CD-ROM, 1000 ks
Neprodejné
ISBN 978-80-248-3447-4
Tato publikace vznikla zejména jako podp·rný text pro studenty p°edm¥tu Úvod do komuv rámci projektu OPVK s názvem Spole£né aktivity VUT a VB-TUO
p°i vytvá°ení obsahu a nápln¥ odborných akreditovaných kurz· ICT, Registra£ní £íslo projektu
- CZ.1.07/2.2.00/28.0062.
Skriptum je psáno v systému LATEX, jenº je voln¥ ²i°itelný pod licencí LATEX- Project Public
License (LPPL).
nika£ních technologií
LATEX
© 2014
doc. Ing. Miroslav Voz¬ák, Ph.D.
Ing. Libor Michalek, Ph.D.
17. listopadu 15
708 33 Ostrava Poruba
eská republika
mailto:[email protected]
http://comtech.vsb.cz
ISBN 978-80-248-3447-4
KOMUNIKANÍ TECHNOLOGIE PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A VB-TUO
Obsah
1 Úvod do telekomunika£ní techniky
1.1
7
Základní pojmy telekomunika£ní techniky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Telefonní p°ístroj a signalizace
2.1
2.2
11
Telefonní p°ístroj . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Typy analogových telefonních p°ístroj·
2.1.2 Dne²ní °e²ení telefonních p°ístroj· . .
Signalizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3 Spojovací systémy
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4.7
Generace spojovacích systém· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Principy spojování první aº t°etí generace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Blokování ve vícestup¬ových spojovacích polích . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Closova podmínka neblokování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 P°íklad pouºití Closovy podmínky p°i návrhu neblokovací struktury pro
512 vstup· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Leeova metoda návrhu struktury s pravd¥podobností blokování . . . .
3.3.4 P°íklad pouºití Leeovy metody p°i návrhu blokovací struktury pro 512
vstup· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Principy spojování ve £tvrté generaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Time Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Space switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Více£lánkové struktury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pátá generace spojovacích systém· - Softswitch . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
23
23
24
25
27
28
29
Rozd¥lení metalických vedení . . . . . . . . .
Symetrické kabely . . . . . . . . . . . . . . .
Koaxiální kabely . . . . . . . . . . . . . . . .
Homogenní symetrické vedení kone£né délky .
P°eslech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M·stkové metody zam¥°ování poruch . . . . .
4.6.1 M¥°ení impedance m·stkovou metodou
4.6.2 Murrayova metoda . . . . . . . . . . .
4.6.3 Varleyova metoda . . . . . . . . . . . .
Zm¥°ování poruch pomocí metody TDR . . .
Zdroje sv¥tla pro optovláknové komunikace
Chromatická disperze . . . . . . . . . . . . .
M¥°ení útlumu optických vláken . . . . . . .
Systémy vlnových multiplex· WDM . . . .
17
19
20
20
. 22
. 22
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5 Optické vláknové komunikace
5.1
5.2
5.3
5.4
11
11
13
15
17
4 Metalická vedení
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
7
29
29
30
30
33
34
34
35
36
37
38
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
44
45
46
47
1
OBSAH
6 Bezdrátové sít¥
48
6.1
6.2
Historie bezdrátové komunikace . . . . . . . . . . . . . .
D¥lení kmito£tového spektra, kmito£tový p°íd¥l . . . . .
6.2.1 Základní rozd¥lení zá°ení . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Správa kmito£tového spektra . . . . . . . . . . .
6.2.3 Rozd¥lení sluºeb . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.4 Rozd¥lení kmito£tových pásem podle délky vlny .
6.3 Radiokomunika£ní rovnice . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Pom¥r signál/²um a chybovost . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Obecné schéma radiokomunika£ního °et¥zce . . . . . . .
6.5.1 Vysílací £ást (Tx) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 P°ijímací £ást (Rx) . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6 Komunika£ní kanál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7 Kapacita rádiového kanálu . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8 P°ehled technologií vyuºívající rádiový kanál . . . . . . .
6.9 Technologie WiFi IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . .
6.9.1 IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.2 IEEE 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.3 IEEE 802.11a, IEEE 802.11g . . . . . . . . . . .
6.9.4 IEEE 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.5 IEEE 802.11ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10 Technologie Bluetooth IEEE 802.15.1 . . . . . . . . . . .
6.10.1 Základní vlastnosti Bluetooth . . . . . . . . . . .
6.11 Technologie Zigbee IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . .
6.11.1 Základní vlastnosti Zigbee . . . . . . . . . . . . .
6.12 Technologie WiMAX IEEE 802.16 . . . . . . . . . . . .
6.12.1 Základní vlastnosti WiMAX . . . . . . . . . . . .
6.12.2 Verze IEEE 802.16m (WiMAX 2.0) . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7 P°ístupové sít¥
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
2
Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technologie xDSL . . . . . . . . . . . .
7.2.1 ADSL . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 ADSL2 . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3 ADSL2+ . . . . . . . . . . . . .
7.2.4 VDSL . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.5 VDSL2 . . . . . . . . . . . . . .
P°ístupové sít¥ po kabelovém koaxiálním
Pasivní optické p°ístupové sít¥ . . . . . .
7.4.1 GPON a EPON . . . . . . . . . .
7.4.2 WDM-PON . . . . . . . . . . . .
7.4.3 FTTX . . . . . . . . . . . . . . .
Budoucí trendy v p°ístupových sítích . .
48
49
49
50
51
51
51
52
52
52
54
54
55
55
56
56
56
57
57
58
58
58
59
60
60
60
60
62
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
vedení
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
62
62
63
65
65
66
66
67
67
67
68
69
70
8 Po£íta£ové sít¥
8.1
8.2
8.3
Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Typy po£íta£ových sítí . . . . . . . . . .
Topologie LAN . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Topologie sb¥rnice . . . . . . . .
8.3.2 Topologie hv¥zda . . . . . . . . .
8.3.3 Topologie kruh . . . . . . . . . .
8.4 P°enosová média . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Koaxiální kabel . . . . . . . . . .
8.4.2 Kroucená dvojlinka (twisted pair)
8.4.3 Optické vlákno . . . . . . . . . .
8.4.4 Bezdrátové vedení . . . . . . . .
8.5 Propojovací prvky . . . . . . . . . . . .
8.6 Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.1 Typy . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7 Protokol TCP/IP . . . . . . . . . . . . .
8.7.1 Vrstva síóvého p°ístupu . . . . .
8.7.2 Síóvá vrstva . . . . . . . . . . .
8.7.3 Transportní vrstva . . . . . . . .
8.7.4 Aplika£ní vrstva . . . . . . . . .
8.7.5 Adresování v IP sítích . . . . . .
8.7.6 Vlastnosti adresování . . . . . . .
8.8 Protokol IPv6 . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.1 Vlastnosti a poºadavky IPv6 . .
8.8.2 Adresy a doru£ování . . . . . . .
8.8.3 IPv6 v konguraci . . . . . . . .
8.9 Protokol DNS . . . . . . . . . . . . . . .
8.9.1 Domény . . . . . . . . . . . . . .
8.10 Protokol DHCP . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Základní koncepce a pouºívané techniky . . . . . . . . . . .
9.1.1 Zp·soby p°enosu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.2 P°ístupové techniky . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3 Bu¬ková struktura systém· pro mobilní komunikace
Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mobilní radiotelefonní systémy . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Mobilní sít¥ 1. generace - obecn¥ . . . . . . . . . . .
Systém NMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.1 Mobilní sít¥ 2. generace - obecn¥ . . . . . . . . . . .
9.4.2 Systém GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.3 Mobilní sít¥ 2,5 a 2,75 generace . . . . . . . . . . . .
9.4.4 Mobilní sít¥ 3. generace . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.5 Systém UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.6 HSPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.7 LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.8 LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
9 Mobilní technologie
9.1
9.2
9.3
9.4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
72
72
72
73
73
74
74
75
75
76
76
77
77
78
78
79
79
80
80
80
81
82
85
85
85
86
86
86
87
88
88
88
88
89
90
90
90
91
91
92
94
94
95
95
96
97
3
OBSAH
9.4.9
9.4.10
9.4.11
9.4.12
LTE-B
LTE-C
Mobile
UMB
. . . . . .
. . . . . .
WiMAX .
. . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
10 Multimediální komunikace
10.1 Klasikace multimediální komunikace
10.2 Audio-Kodeky . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 PCM . . . . . . . . . . . . . .
10.2.2 ADPCM . . . . . . . . . . . .
10.2.3 LPC . . . . . . . . . . . . . .
10.2.4 CELP . . . . . . . . . . . . .
10.2.5 P°ehled audio-kodek· . . . .
10.3 Video-Kodeky . . . . . . . . . . . . .
10.4 H.261 . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 H.263 . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6 H.264 . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.7 H.265 . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.8 P°enos médií . . . . . . . . . . . . .
10.9 Asterisk . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
12.1 Subjektivní metody hodnocení . . . . . . . . . . . .
12.2 Objektivní metody hodnocení . . . . . . . . . . . . .
12.3 E-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1 Výpo£et kvality °e£i v E-modelu . . . . . . .
12.3.2 Faktor zhor²ení zp·sobené za°ízením (Ie-e )
12.3.3 Faktor zvýhodn¥ní (A) . . . . . . . . . . . . .
12.3.4 P°epo£et hodnoty R na MOS . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
11 Sít¥ nové generace
11.1 SIP/SDP . . . . . . . . . . . .
11.1.1 Prvky SIP °e²ení . . . .
11.1.2 Metody a odpov¥di . . .
11.1.3 SDP − popis relace . . .
11.1.4 Scéná° sestavení spojení
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
12 Kvalita °e£i
13 Bezpe£nost v komunikacích
13.1 Steganograe . . . . . . . . . .
13.1.1 Metody steganograe . .
13.2 Kryptograe . . . . . . . . . . .
13.2.1 Kerckhos·v princip . .
13.2.2 Metody kryptograe . .
13.2.3 Cíle kryptograe . . . .
13.3 Moderní kryptogracké systémy
13.3.1 Symetrická kryptograe
13.3.2 Jednocestné funkce . . .
13.4 Bezkoliznost a jednosm¥rnost .
4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
97
97
97
97
98
98
98
99
99
100
100
101
101
102
102
102
102
102
104
106
106
107
108
109
110
112
113
113
114
116
116
116
116
118
119
119
120
120
121
122
122
124
125
125
13.4.1 Ha²ovací funkce . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hashovací funkce s padacími vrátky . . . . . . . . . .
Asymetrická kryptograe . . . . . . . . . . . . . . . .
Digitální podpisy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Proudové ²ifry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.8.1 Key-stream a Inicializa£ní vektor . . . . . . .
13.9 Blokové ²ifry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.10Matematické základy kryptograe . . . . . . . . . . .
13.10.1 Euklid·v algoritmus . . . . . . . . . . . . . .
13.10.2 Kongruence a vlastnosti modulární aritmetiky
13.10.3 Malá Fermatova v¥ta . . . . . . . . . . . . . .
13.10.4 Eulerova v¥ta . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.10.5 ínská v¥ta o zbytcích . . . . . . . . . . . . .
13.10.6 RSA algoritmus . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.10.7 Diie-Helman·v algoritmus . . . . . . . . . .
13.5
13.6
13.7
13.8
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
126
127
127
128
129
130
131
131
132
132
133
133
134
134
135
5
P°edmluva
Skripta jsou ur£ena ke studiu p°edm¥tu Úvod do komunika£ních technologií, který je
p°edná²en na Fakult¥ elektrotechniky a informatiky Vysoké ²koly bá¬ské - Technické univerzity
v Ostrav¥ pro studenty prvního ro£níku bakalá°ského programu Informa£ní a komunika£ní
technologie. Studenti v kurzu získají informace o technologiích a principech p°enosu informace
v metalických, optických, bezdrátových, p°ístupových sítích, mobilních a po£íta£ových sítích.
P°edm¥t si klade za cíl, aby studenti porozum¥li vyuºití probíraných komunika£ních technologií
a pochopili principy uºívané v r·zných typech sítí.
První p°edná²ka je v¥nována vlastnostem signál· a základním pojm·m, dal²í p°edná²ky
jsou postupn¥ zam¥°eny na spojovací systémy , metalické, optické, bezdrátové, p°ístupové
a po£íta£ové sít¥. V p°edná²ce v¥nované mobilním technologiím jsou studenti seznámeni s
principy fungování jednotlivých generací mobilních sítí. Dal²í p°edná²ky jsou zam¥°eny na
multimediální komunikaci, sít¥ nové generace, kvalitu sluºeb a nakonec není opomenuta ani
bezpe£nost sítí. Náplní poslední p°edná²ky jsou vize a ukázková °e²ení rozsáhlých sítí, tato
p°edná²ka do výukového textu za°azena není.
Výukový materiál je vydáván na kompaktním disku spole£n¥ s dal²ími podklady k p°edm¥tu, jako jsou prezentace z p°edná²ek a podklady ke cvi£ením. Tyto texty v£etn¥ skript
ov²em nenahrazují ú£ast na p°edná²kách a cvi£eních, ale tvo°í základní podklady ke studiu,
které v kombinaci s poznámkami studenta k výkladu obsáhnou probíranou látku a zvý²í ²ance
na úsp¥²né absolvování p°edm¥tu.
Auto°i souhlasí s ²í°ením elektronické verze materiál· mezi studenty Fakulty elektrotechniky a informatiky VB - Technické univerzity v Ostrav¥ pro studijní ú£ely, p°i£emº souhlasem
s tímto ²í°ením se nevzdávají svých autorských práv k publikaci.
Miroslav Voz¬ák
V Ostrav¥, 20. £ervna 2014
1 Úvod do telekomunika£ní techniky
1.1 Základní pojmy telekomunika£ní techniky
Telekomunika£ní, nebo také p°enosová, technika je v¥dní obor, zabývající se p°enosem telekomunika£ních signál·. V telekomunikacích jsou základními pojmy, se kterými budeme pracovat
systém, signál, zpráva (data) a informace. Zpráva má za úkol p°ená²et informaci z jednoho systému na druhý nebo na více systém· pomocí signál·. Signálem rozumíme fyzikální vyjád°ení
zprávy nebo jeho matematický model. [1].
Nap°. sd¥lení "tete skripta UdKT", napsané zde na papí°e se musí n¥jak dostat ke £tená°i.
Signálem, nesoucím zprávu bude sv¥tlo, odraºené od stránky. V o£ních nervech se signál
zm¥ní v elektrický a chemický a ten poputuje s pomocí neurotransmiter· do mozku, kde
se zpracuje. Zpráva je tedy "tete skripta UdKT". Obsah informace v této zpráv¥ je v²ak
relativní. Pozornému £tená°i, který si pov²iml názvu p°edm¥tu na titulní stran¥ skript toto
sd¥lení ºádnou novou informaci nep°inese. Jiný se podiví... Laicky °e£eno, informací budeme
ozna£ovat to nové ve zpráv¥, tedy to, co jsme je²t¥ nev¥d¥li.
V p°edm¥tu budeme uvaºovat signály fyzikáln¥ realizovatelné. Av²ak pro n¥která odvození
se s výhodou pouºívají matematické modely signál·, jeº realizovat nedokáºeme, nap°. Dirac·v
impulz.
Analogovými signály budeme rozum¥t spojitou funkci spojité nezávisle prom¥nné. Analogový signál tedy má spojitý deni£ní obor i obor hodnot. (Z podmínky fyzikální realizovatelnosti plyne moºnost existence nespojitostí pouze 1. druhu - zapnutí vypína£e apod.)
Obrázek 1.1: Pr·b¥h analogového signálu.
Diskrétní signál je signál diskretizovaný v nezávisle prom¥nné ale spojitý v úrovni. Deni£ní obor je mnoºina diskrétních bod·, obor hodnot je spojitý interval. Vzorkovaný signál
nekvantizovaný, m·ºe nabývat nekone£n¥ mnoha hodnot.
7
1
ÚVOD DO TELEKOMUNIKANÍ TECHNIKY
Obrázek 1.2: Pr·b¥h diskrétního signálu.
Digitální (£íslicový) signál je signál diskretizovaný v nezávisle prom¥nné a kvantizovaný
v úrovni. Deni£ní obor i obor hodnot jsou mnoºiny diskrétních bod·.
Obrázek 1.3: Pr·b¥h digitálního signálu.
Spojité signály budeme ozna£ovat x(t), v diskrétní oblasti budeme signály ozna£ovat x[n].
8
Pro rekonstrukci analogového signálu z posloupnosti digitálních vzork· se pouºívá také
schodovitý signál (zero-order hold). Schodovitý signál je signál diskretizovaný v oboru hodnot,
ale spojitý v £ase.
Obrázek 1.4: Pr·b¥h schodovitého signálu.
Komunikací rozumíme vzájemné p°edávání zpráv mezi dv¥ma nebo více systémy. Tato
komunikace m·ºe probíhat n¥kolika zp·soby. Rozli²ujeme komunikaci simplexní, poloduplexní
(half-duplex) a duplexní.
Simplexní komunikace umoº¬uje p°enos zprávy pouze jedním sm¥rem. Typickým p°íkladem tohoto typu komunikace mezi jedním a více systémy je televizní nebo rozhlasové vysílání.
P°íjemce tohoto vysílání m·ºe p°ijmout zprávu, av²ak nemá moºnost stejným zp·sobem komunikovat zp¥tn¥ s vysíla£em.
Poloduplexní komunikace umoº¬uje komunikaci ob¥ma sm¥ry, ne v²ak sou£asn¥. Typickým
p°íkladem poloduplexní komunikace je pouºití radiostanic (vysíla£ek), kdy vºdy jedna ze stanic
vysílá a dal²í stanice mohou p°ijímat. Poté se role vym¥ní. Obvyklé je uvozovat £i ukon£ovat
jednotlivé fáze komunikace slovy DÁVEJTE ROZUMÍM PEPÍNÁM OPAKUJTE KONÍM, v anglické komunikaci GO AHEAD ROGER OVER SAY AGAIN OUT.
Pln¥ duplexní komunikace umoº¬uje vzájemnou komunikaci ob¥ma sm¥ry. Typickým p°edstavitelem je telefonní hovor, kdy mohou oba ú£astníci komunikovat spolu sou£asn¥. V tomto
p°ípad¥ je nutné odd¥lit kanál pro vysílání a p°íjem zprávy.
Telekomunika£ní kanál je soubor technických prost°edk·, umoº¬ujících jednosm¥rný (simplexní) p°enos. P°enosový kanál je charakterizován svou propustností (kapacitou), neboli maximálním objemem dat, která daným kanálem m·ºeme p°enést za jednotku £asu. Telekomunika£ní okruh je soubor technických prost°edk·, umoº¬ujících duplexní komunikaci (pár
vzájemn¥ p°i°azených protism¥rných kanál·). Telekomunika£ní cesta je soubor technických
prost°edk· a prost°edí, slouºících k p°enesení zprávy mezi dv¥ma místy.
Pro komunikaci mezi v¥t²ími po£ty ú£astník· se vytvá°ejí komunika£ní sít¥. Ty umoº¬ují
9
1
ÚVOD DO TELEKOMUNIKANÍ TECHNIKY
uspo°it náklady, spojené s výstavbou komunika£ních cest a kanál· typu kaºdý s kaºdým.
Rozd¥lujeme zde sít¥ páte°ní a p°ístupové a dále za°ízení síóvých uzl· (úst°edny, p°epína£e,
sm¥rova£e, servery, databanky apod.). Nadstavbu t¥chto sítí tvo°í sí´ °ídicí (TMN), která má
za úkol dohlíºet a °ídit technické prost°edky páte°ní a p°ístupové sít¥, z°izování, sledování a
ukon£ování poºadovaných sluºeb, tarikaci (ú£tování).
Páte°ní sít¥ mají za úkol p°ená²et velké objemy dat obvykle na v¥t²í vzdálenosti. Proto
jsou na páte°ní sít¥ a p°enosové prost°edky, na nichº jsou páte°ní sít¥ zaloºeny kladeny vysoké
nároky na spolehlivost. Dnes jsou budovány páte°ní sít¥ výhradn¥ pomocí optických vláken
coby p°enosového média se systémy SDH (Synchronní Digitální Hierarchie), kde se dosahuje
p°enosových rychlostí aº 80 Gbit/s. Prvky síóvých uzl· bývají umisóvány tém¥° výhradn¥
do objekt· telekomunika£ního operátora. Obvykle se pouºívají také principy vícenásobného
vyuºití p°enosového média WDM (Wavelength Division Multiplex).
P°ístupové sít¥ mají za úkol propojovat mezi sebou ú£astníky nebo propojovat ú£astníky
s telekomunika£ními uzly.
K vícenásobnému vyuºití p°enosového média lze pouºít
prostorový multiplex (paralelní nezávislá vedení UTP v LAN),
obvodový multiplex (fantomní vedení),
frekven£ní multiplex (FDM na jiné frekvenci rozhlas),
£asový multiplex (TDM £asovém okamºiku PCM),
Frequency Division Multiplex ;
Time Division Multiplex ;
vlnový multiplex (WDM Wavelength
na jiné vlnové délce optická vlákna),
kaºdý kanál je p°ená²en
kaºdý kanál je p°ená²en v jiném
Division Multiplex ;
kaºdý kanál je p°ená²en
kódový multiplex (CDM Code Division Multiplex ; kaºdý kanál pouºívá jiné kódování
bezdrátové p°enosy CDMA).
10
2 Telefonní p°ístroj a signalizace
2.1 Telefonní p°ístroj
Dne²ní telefon je výsledek postupného vylep²ování a vynález· mnoha lidí. Telefonní p°ístroje
pro²li dlouhou genezí, kterou bychom mohli principiáln¥ rozd¥lit na období analogové, digitální
a IP. Analogové telefony pouºívají:
pásmo signální, max. do 50Hz (vyzván¥ní 25 Hz),
pásmo hovorové, 300 3400 Hz.
Telefonní p°ístroje pro²ly dlouhou genezí, s vynálezem telefonu je nej£ast¥ji spojováno
jméno Alexander Graham Bell, ten u£inil objevy vedoucí k vynálezu telefonu v roce 1876.
Je zajímavé, ºe jiný vynálezce, Elisha Gray, p°ihlásil k patentování o pár hodin pozd¥ji podobný p°ístroj. Krátce po ud¥lení patentu Bell sv·j telefon vystavoval na výstav¥ ve Filadeli.
Jeho vynález vyvolal u ve°ejnosti ohromný zájem. Práva na tento vynález nabídl za 100 tis.
dolar· rm¥ Western Union Telegraph Company, ale ta jej odmítla koupit. Proto Bell se svými
spole£níky zaloºil v £ervenci 1877 vlastní rmu, p°edch·dce dne²ní spole£nosti American Telephone and Telegraph Company AT&T. Telefon m¥l okamºitý a obrovský obchodní úsp¥ch
a AT&T se nakonec na dlouhý £as stala nejv¥t²í soukromou obchodní spole£ností na sv¥t¥.
Její velikost p°im¥la v roce 1981 soudy v USA k na°ízení rozd¥lení spole£nosti, gigant AT&T
prakticky ovládal trh telekomunikací a nem¥l konkurenci. Bell·v patent je dle encyklopedie
Britannica ozna£ován jako nejhodnotn¥j²í, jaký kdy byl v·bec za celou dobu existence U.S.
Patent Oce vydán.
A£koliv vynález telefonu je spojen se jménem Bell, tak prvenství drºí ital Antonio Meucci, který u£inil sv·j objev v roce 1849 v Havan¥ p°i lé£ení svého pacienta elektroterapií.
Kolem roku 1857 sestavil Meucci elektromagnetický m¥ni£ a pouºíval stejný princip, který
roku 1876 patentoval Bell. Meucciho mizerný obchodní talent a nedostate£ná znalost angli£tiny zap°í£inily, ºe nebyl schopen sv·j vynález dovést do komer£n¥ úsp¥²né podoby a ani
patentovat. O prvenství vynálezu bylo vedeno mnoho spor·. Meucci se pokou²el soudn¥ domoci svého prvenství a po více neº sto letech v roce 2002 posmrtn¥ dosáhl ve°ejného uznání
rezolucí 269 sn¥movny reprezentant· USA, kde se konstatuje: "If Meucci had been able to pay
the $10 fee to maintain the caveat, no patent could have been issued to Bell.".
2.1.1 Typy analogových telefonních p°ístroj·
Historicky prvním typem telefonu byl typ MB (Místní Baterie) viz. obr. 2.1, jehoº hovorový
obvod byl napájen baterií umíst¥nou v samotném telefonním p°ístroji v obvodu mikrofonu.
Vytá£ení se provád¥lo induktorem, který upozornil spojovatelku na poºadavek na sestavení
spojení. Poté, co volající ú£astník sd¥lil spojovatelce £íslo volaného, spojovatelka mechanicky
provedla spojení. S tímto typem telefonu souvisejí telefonní úst°edny 0. generace. [2]
Dal²ím typem telefonu byl telefon, napájený z úst°edny. Nesl ozna£ení ÚB - Úst°ednová
baterie, viz. obr. 2.2, nebylo nutné vytá£et klikou a vyzvednutí sluchátka bylo signalizováno
na spojovatelském pracovi²ti, kde bylo op¥t zaji²t¥no propojení v manuálním spojovacím poli.
S vynálezem krokového voli£e Almonem Strowgerem byla odstartována éra automatických
telefonních úst°eden se spojovacím polem, ve kterém je cesta sestavena dle volby z tel. p°ístroje
a tyto spojovací pole se dále vyvíjely. P°edstavitelem úst°eden s krokovým voli£em, které byly
11
2
TELEFONNÍ PÍSTROJ A SIGNALIZACE
Obrázek 2.1: Telefonní p°ístroj typu MB.
Obrázek 2.2: Telefonní p°ístroj typu ÚB.
vyráb¥ny aº do po£átku 80-tých let je Tesla P51. Analogové p°ístroje umoº¬ující sestavení
cesty p°es spojovací pole jsou ozna£ovány jako AUT - AUTomatická volba, viz. obr. 2.3.
Úst°edna P51 byla °ízena synchronn¥, tzn. p°i volb¥ £ísla na £íselnici telefonního p°ístroje
docházelo k p°eru²ování smy£ky a tím sou£asn¥ k nastavování poloh jednotlivých voli£· elektromagnetických prvk· s pohybujícím se ramenem v kontaktním poli. Kaºdý impulz z
£íselnice telefonního p°ístroje vyvolal p°eru²ení stejnosm¥rné proudové smy£ky v obvodu a
odpovídal jednomu kroku voli£e. Spojovací systémy se vyvíjely ruku v ruce s technologickým
pokrokem a od prostorového spojování se p°e²lo k £asovému, coº bylo charakteristické pro
období digitálních úst°eden, ty se mnohdy je²t¥ dnes pouºívají, vyráb¥jí, dodávají (TDM
switch v anglosaské literatu°e). Dne²ní trend je jednozna£n¥ sm¥°ován do oblastí paketových
sítí s IP protokolem, kde hlas se stává jednou z aplikací v modelu TCP/IP (model se ozna£uje
TCP/IP, hlas je ov²em p°ená²en v UDP).
Na obrázku je uvedena £íselnice se t°emi kontakty £i , £r a £z, které realizovaly vytá£ení na
12
Obrázek 2.3: Telefonní p°ístroj typu AUT.
tzv. rota£ní £íselnici, ale nebudeme jejich funkci vysv¥tlovat, protoºe se jiº dvacet let takovéto
£íselnice nevyrábí. Hovorový transformátor HTr zaji²úje pracovní podmínky pro sluchátko T
a pomocí odporu R se nastavuje vlastní sly²itelnost z mikrofonu M, tím se °e²í tzv. ANTI-SIDETONE (potla£ení místní vazby), vysoká úrove¬ vlastního hlasu by vedla k tomu, ºe
bychom se snaºili hovo°it ti²eji, ITU-T doporu£uje odstup obou signál· nejmén¥ 17 dB. Je-li
telefon zav¥²en (VP - vidlicový p°epína£ rozpojen) je p°ipojen pouze zvonek Zv p°es kondenzátor C, který slouºí k odd¥lení stejnosm¥rného napájecího nap¥tí telefonu (48 V) a st°ídavého
vyzván¥cího signálu o kmito£tu 25 Hz a amplitud¥ 90V (ve ve°ejných sítích, v podnikových
zpravidla niº²í, coº je dáno rozdílnou maximální délkou vedení). Zvedneme-li mikrotelefon,
spojí vidlice VP stejnosm¥rný okruh a úst°edna podle odb¥ru pozná, ºe jsme vyv¥sili a p°ipojí
oznamovací tón o kmito£tu 425 Hz (r·zná kadence r·zné významy oznamovací, obsazovací
a vyzván¥cí tón). Odpor R1 a kondenzátor C1 slouºí ke zhá²ení kontaktu £íselnice (eliminace
proudových náraz·, které by jinak zkracovaly ºivotnost kontakt·).
2.1.2 Dne²ní °e²ení telefonních p°ístroj·
Analogové p°ístroje jiº dávno nejsou koncipovány dle schématu jako rota£ní a jsou v¥t²inou
sestaveny z n¥kolika blok· °ízených jedno£ipem, viz. obr. 2.4. Ú£astnické vedení je p°ivedeno
na blok linkového rozhraní, ke kterému je p°ipojen integrovaný obvod pro generování melodií. Blok linkového rozhraní je ovládán mikropo£íta£em, na základ¥ vyzvednutí mikrotelefonu
anebo stisknutí tla£ítka dojde k uzav°ení smy£ky ú£astnického vedení. Hovorová £ást je tvo°ena blokem mikrotelefonní hovorové soupravy, p°ípadn¥ soupravy pro hlasitou komunikaci
(vestav¥ný mikrofon i reproduktor v p°ístroji). Volbu zaji²úje generátor DTMF (Dual Tone
Multifrequency - generátor tón·) ovládaný jedno£ipem. Telefon je vybaven nezbytnou klávesnicí a p°ípadn¥ i displejem, na kterém mohou být zobrazeny nejen volená £ísla, ale i dal²í
informace, které jiº vyºadují dodate£nou pam¥´ (seznam kontakt·, posledn¥ volané £íslo, datum a zme²kaná volání) a nakonec i £íslo volajícího CLIP.
P°enos identikace volajícího CLIP (Calling Line Identication Presentation) je moºný
13
2
b¥hem vyzván¥ní (pouºíváno v R) anebo p°ed vyzván¥ním. Pro vlastní p°enos £ísla slouºí
bu¤ modulace s frekven£ním posuvem FSK (Frequency Shift Keying) anebo pomocí DTMF
tón·. V R se jako ve v¥t²in¥ evropských zemí pouºívá FSK s modula£ní rychlostí 1200 Bd
(1 start bit, 8 bit· inf., 1 stop bit) vysílaného dle standardu ITU-T V.23. ty°i vte°iny mezi
prvním a druhým vyzván¥ním jsou dostate£n¥ dlouhá doba k p°enosu CLIP.
Obrázek 2.4: Blokové schéma tel. p°ístroje.
Telefonní p°ístroje m·ºeme rozd¥lit na:
Analogové setkáváme se s DTMF volbou
(p°i volb¥ ve sluchátku sly²íme tóny, tyto
tóny jsou "napískávány"do vedení a zpracovány úst°ednou.
Digitální - p°ístroje pracující s £asovým multiplexem TDM, vytá£ení £ísla neusly²íme,
d¥je se tak odesíláním "zprávy"reprezentované ur£itou sekvencí bit·.
IP jedná se o IP telefony a´ jiº ve form¥ softwarové aplikace £i telefonu, který na první
pohled je k nerozeznání od digitálního, ale je p°ipojen do po£íta£ové sít¥.
Na dal²ím obrázku si ukáºeme WiFi IP telefon, který byl sestaven na VB-Technické
univerzit¥ Ostrava [3]. U komer£n¥ vyráb¥ných WiFi IP telefon· se celek skládá z n¥kolika
hlavních £ástí. Nejd·leºit¥j²ím prvkem celé soustavy je procesor. Procesory jsou obvykle postaveny na velmi rychlých architekturách (ARM, MIPS, Freescale, Coldre apod.). Procesory
jsou vyvíjeny s ohledem na mobilitu za°ízení. Velký d·raz je také kladen na spot°ebu energie,
jedním z nejv¥t²ích spot°ebitel· energie je WLAN modul, proto samotný procesor musí být co
nejúsporn¥j²í. P°íkladem WIFI IP telefonu m·ºe být realizovaný vzorek na bázi vestav¥ného
systému, viz. obr.2.5. Jako °ídící prvek telefonu byl pouºit embedded modul od spole£nosti
Ubiquiti s názvem RouterStation PRO. Na tomto za°ízení byl kompletní telefon postaven.
Board pracoval pod opera£ním systémem Linux na speciální distribuci s názvem OpenWRT
(ve verzi Kamikaze 8.09). Periferie byly p°ipojeny p°es USB jako USB headset s mikrofonem,
USB numerická klávesnice £i USB WiFi modul. Pomocí modikace pobo£kové úst°edny Asterisk a speciáln¥ vyvinutými shellovými skripty se ze za°ízení stal pln¥ funk£ní VoIP bezdrátový
14
telefon s nízkými výrobními náklady. Jedná se pouze o funk£ní vzorek, do fáze prototypu by
bylo nutné se zam¥°it na design a pouºít vhodnou klávesnici a dal²í periferní komponenty.
Obrázek 2.5: Funk£ní vzorek WiFi telefonu.
2.2 Signalizace
Signalizace slouºí k sestavení spojení, dohledem nad spojením po celou dobu jeho trvání, k
spojení a uvoln¥ní spojovacích cest pouºitých v p°enosovém °et¥zci [4]. Nejprve si uvedeme
rozd¥lení signalizací dle místa p°enosu:
Síóvá zaji²úje vým¥nu pot°ebných informací mezi spojovacími systémy v síti.
Ú£astnická - probíhá mezi ú£astníkem a nejbliº²ím spojovacím systémem.
Vnit°ní °ídí spojovací procesy uvnit° spojovacího systému.
V analogových sítí byla signalizace ú£astnická, vnit°ní i síóvá tém¥° vºdy rozdílná. V digitálních úst°ednách se pro síóvou i vnit°ní mnohdy pouºívala identická signalizace (Signaliza£ní
systém £.7 - SS7). V IP sítích se m·ºe pouºít jedna signalizace (SIP) pro v²echny £ásti p°enosu
a abychom rozli²ili síóvou od ú£astnické, protoºe p°ece jen jsou zde jiné poºadavky (nap°.
statická adresa a registrace), tak p°i propojení dvou SIP Proxy ozna£íme jako SIP trunk.
Rozd¥lení signalizace dle formy p°enosu:
Analogová vyjad°uje zna£ky nap¥óvými úrovn¥mi, sm¥rem protékajícího proudu
na vedení a pomocí tón·.
Digitální - tok bit·, bu¤ vyjad°uje stavy pouze v binární form¥ (nap°. K signalizace v
PCM) anebo pomocí signaliza£ních zpráv (sostikovan¥j²í forma).
15
2
Dle volby m·ºeme ú£astnickou signalizaci na analogových linkách rozd¥lit na pulzní a
DTMF. V sítích se velmi £asto pouºívá ozna£ení TRUNK, a proto si jej vysv¥tlíme. V analogových sítích jsou po názvem trunk my²lena vedení sdruºená ve svazcích, zatímco v digitálních
sítích se jedná o kanály, dokonce v rámci jednoho PCM30/32 traktu m·ºe dojít k rozd¥lení,
nap°íklad 15 kanál· bude tvo°it jeden trunk (svazek odchozích kanál·) a zbývajících 15 druhý
trunk (svazek p°íchozích kanál·).
Rozd¥lení analogových síóvých signalizací:
linková - stavy vedení.
registrová - pouze p°edání volby (£ísla).
Zatímco analogov¥ p°ená²ená signalizace je vºdy p°idruºená (signalizuje spojení na vedení,
po kterém se p°ená²í), tak digitální signalizace se d¥lí na :
CAS - signalizace p°idruºená p°enosovému kanálu
CCS - signalizace spole£ným kanálem
(Channel Associated Signaling).
(Common Channel Signaling).
Rozd¥lení signalizace z pohledu sestavené trasy, viz. obr. 2.6:
Asociativní je asociována s trasou spojení, kterou signalizuje, jde stejnou cestou,
Kvaziasociativní signalizace je sestavena jinou trasou neº spojení, které signalizuje,
pouze CCS.
Obrázek 2.6: Signalizace asociativní a kvaziasociativní.
16
3 Spojovací systémy
Namísto pojmu telefonní úst°edna se v sou£asnosti pouºívá pojem komunika£ní server. Pojem
komunika£ní server zohled¬uje skute£nost, ºe na dne²ní spojovací systém je navázána °ada
aplikací, které obecn¥ slouºí ke komunikaci, a£koliv stále z·stává st¥ºejní aplikací hlas. Dne²ní
multifunk£ní p°ístroje pouºívané nejen k telefonování jsou výsledkem více neº stoletého vývoje
a postupného vylep²ování Bellova vynálezu. [5]
Z pohledu p°ená²eného hovorového pásma m·ºeme rozd¥lit telefonii na:
narrow-band, 300 3400 Hz,
wide-band, 50 Hz - 7 kHz,
ultra-band, nad 7 kHz.
S wide-band umí pracovat aº £tvrtá generace spojovacích systém· a s ultra-band poslední
pátá. Základní frekven£ní rozsah úzkopásmového hovorového kanálu je 300 - 3400 Hz (narrow-band), který byl stanoven na základ¥ slabikové srozumitelnosti, vy²²í kmito£ty jsou z pohledu
srozumitelnosti °e£i nevýznamné. P°íkladem standardu pro narrow-band telefonii je ITU-T
G.711 (PCM Pulse Code Modulation).
Zvý²ení p°ená²eného frekven£ního rozsahu ov²em není na ²kodu, a proto byly denovány i
standardy pro ²irokopásmovou telefonii (wide-band) s rozsahem aº 7 kHz, p°íkladem je ITU-T
G.722. Kodeky zpracovávající rozsah nad 7 kHz jsou ozna£ovány jako ultra wide-band anebo
super wide-band. Nap°. SKYPE pouºívá kodek s názvem SILK umoº¬ující p°enést pásmo aº
12 kHz. Lidské schopnosti zpracovávat vysoké kmito£ty jsou ov²em zna£n¥ omezené, teoreticky
se uvádí hodnota 22 kHz, prakticky je frekven£ní oblast lidské sly²itelnosti 16 Hz 16 kHz.
Z pohledu technologií m·ºeme ozna£it spojovací systémy první a druhé generace jako £ist¥
analogové, t°etí s kombinací analogového spojování a programového °ízení, £tvrtou jako £ist¥
digitální, v páté generaci se z telefonie stává aplikace nad IP a spojovací systém je °e²ený jako
softswitch.
3.1 Generace spojovacích systém·
Vynález telefonu byl d·leºitou událostí v historii lidstva, ne v²ichni docenili jeho význam.
Jeden z anglických lord· k Bellovu vynálezu v parlamentu pronesl:
Nech´ si Amerika nechá sv·j telefon, v Anglii p°eci máme dost po²tovních holub·.
Jak hluboký to byl omyl. Pouhé dva roky po vynálezu telefonu byla postavena první automatická telefonní úst°edna na sv¥t¥, byla uvedena do provozu ve stát¥ Connecticut v roce
1878. V prenatálním v¥ku spojovacích systém· se hovory propojovaly v manuálním propojovacím poli (switchboard) za pomocí zásuvných kabel· (plug-cord), k tomu byly p°izp·sobeny
i telefonní p°ístroje, které nepot°ebovaly £íselnici a volající sd¥lil obsluze takovéto manuální
úst°edny, kam si p°eje spojit, viz. obr. 3.1.
Automatické telefonní úst°edny nahradily systém manuálního spojování p°íslu²ných vedení
spojovatelkou. Vynálezcem byl hrobník Almon Strowger, který byl p°esv¥d£en, ºe jedna ze
spojovatelek zám¥rn¥ p°epojuje hovory na jeho konkurenta a p°ichází tím o výd¥lek. U£inil
tak vynález, který umoºnil automatickou volbu. V roce 1891 si nechal patentovat automatický
voli£, který je ozna£ován jako Strowger·v. [6]
17
3
SPOJOVACÍ SYSTÉMY
Obrázek 3.1: Ru£ní p°epojování.
Jeho krokový voli£ je obsaºen ve spojovacích polích úst°eden první generace. Dnes rozli²ujeme z hlediska zp·sobu °ízení a typu spojování celkem p¥t generací, jejichº vývoj je zachycen
na obr. 3.2:
Obrázek 3.2: Vývoj generací spojovacích systém·.
1. generace telefonních úst°eden pouºívá voli£e ve spojovacím poli.
2. generace pouºívá ve spojovacím poli k°íºové spína£e.
3. generace úst°eden má centrální °ízení mikropo£íta£em (SPC Stored-Program
trol), spojovací pole m·ºe být °e²eno r·znými zp·soby elektronického spojování.
Con-
4. generace je ozna£ována jako digitální a ve²keré analogové signály jsou nejprve p°evedeny do £íslicové podoby, spojovací pole pracuje s £asovým multiplexem umoº¬ujícím
zm¥nu £asovou polohu (timeslot) - time switching.
5. generace je ve znamení IP telefonie, klí£ovým prvkem je softswitch, pracuje s propojováním paket· a ve ve°ejné síti se objevuje pod ozna£ením IMS (IP Multimedia
Subsystem).
18
P·vodn¥ byla pátá generace úst°eden koncipována v první polovin¥ devadesátých let s optickým spojovacím polem, a£koliv byla vyvinuta °ada spína£· (na principu vlnovodu, hranol·,
a polarizace), tak byla koncem devadesátých let nahrazena návrhem koncepce spojovacích systém· nové generace na principu IP protokolu s klí£ovým aplika£ním standardem SIP (Session
Initiation Protocol).
3.2 Principy spojování první aº t°etí generace
První generace spojovacích systém· pouºívá Strowger·v krokový voli£, který funguje na elektromechanickém principu, je tvo°en ramenem ovládaným elektromagnetem pohybujícím se
v kontaktním poli, s kaºdým p°ijatým pulzem z ú£astnického vedení (p°eru²ení smy£ky) se
rameno voli£e p°esune do dal²í polohy, krokuje tím v kontaktním poli, proto se mu °íká krokový voli£. Ú£astník svou volbou z p°ístroje p°ímo ovládá p°eru²ování elektromagnetu a tím
sestavení spojení p°es jednotlivé voli£e ve spojovacím poli.
Obrázek 3.3: Crossbar switch.
Druhá generace pouºívá k°íºový spína£ s maticovým uspo°ádáním spínacích bod·
(crossbar), viz. obr. 3.3. Hlavní rysy prostorového propojování v k°íºovém spína£i jsou následující:

NxN
pole propojovacích bod·.
Propojení libovolného vstupu na libovolný výstup ve spínacím bodu (nap°. realizován
pomocí jazý£kového relé s magnetickým p°idrºením, tzv. Ferreedu ).
Ideální je neblokující spojování (non-blocking) umoº¬ující kdykoliv propojit kterýkoliv
vstup na kterýkoliv volný výstup.
Sloºitost propojovacích bod· (Crosspoints) je N 2 .
Druhá generace umoºnila nap°. tónovou volbu DTMF (Dual Tone Multifrequency) a p°enos
£ísla volajícího v síti (MFC-R2, Multifrequency code). Identikace volajícího se p°ená²í je²t¥
p°ed p°ijetím £ísla volaného a zahájením sestavení spojení. V R se druhá generace za£ala
hromadn¥ nasazovat aº v osmdesátých letech.
T°etí generace vznikla v Bellových laborato°ích a ozna£uje spojovací systémy, které mají
vlastní CPU, pracují s prostorovým propojováním, které je ov²em °ízeno programem SPC
19
3
SPOJOVACÍ SYSTÉMY
(Stored-program Control),
viz. obr. 3.4. Tato generace p°inesla p°edev²ím dopl¬kové sluºby
jako p°esm¥rování volání, zp¥tné volání £i druhé volání. A£koliv má procesorové °ízení, tak
pracuje s analogovým signálem a spojovací pole je tvo°eno prostorovým spína£em obdobn¥ jako
u druhé generace s tím, ºe elektromagnetické prvky nahradily elektronické (nap°. tranzistorové
spína£e). ízení (Control) je u SPC mikropo£íta£em, který zpracovává signalizaci z periferních
rozhraní sít¥ (Network Interface) a dává pokyny do spojovacího pole (Switching Matrix), které
vstupy a výstupy se mají propojit.
Obrázek 3.4: T°etí generace SPC.
3.3 Blokování ve vícestup¬ových spojovacích polích
V¥t²í spojovací pole jsou sloºeny z více stup¬· prostorového spojovacího pole:
obvykle se u velkých SP (spojovacích polí) pouºívaly t°i stupn¥, viz. obr. 3.5,
celkov¥ je N vstup· do prvního stupn¥, které je rozd¥leno mezi
stupni je k £lánk· a z posledního £lánku vede N výstup·.
N/n
£lánk·, ve druhém
P°i návrhu takovéhoto spojovacího pole známe po£et vstup· N a pot°ebujeme vhodn¥
ur£it rozd¥lení do men²ích podskupin s n vstupy a optimáln¥ navrhnout po£et £lánk· k v
prost°edním stupni spojovacího pole, aby nedocházelo k blokování a zárove¬, aby byl návrh
minimalistický a neplýtvali jsme po£tem spínacích bod· C(n) uvnit° £lánk· (crosspoints). [7]
3.3.1 Closova podmínka neblokování
Úlohu nalezení minimálního po£tu spínacích bod· t°í£lánkové struktury vy°e²il Charles Clos
z Bellových laborato°í. Vy²el z nejhor²ího p°ípadu, který m·ºe nastat. Closova podmínka pro
neblokující t°ístup¬ové prostorové spojovací pole °íká, ºe k musí být
k ≥ 2n − 1
20
Obrázek 3.5: T°í£lánková struktura.
Pro po£et spínacích prvk· C(n) bude platit
C(n) = 2N k + k(
N 2
)
n
po dosazení Closovy podmínky za k dostáváme
C(n) = 2N (2n − 1) + (2n − 1)(
N 2
)
n
Hledejme uspo°ádání s minimální sloºitostí, které získáme derivací závislosti po£tu spínacích bod· C(n) na po£tu vstup· n jednotlivých £lánk·:
0=
dC(n)
2N 2 2N 2
= 4N − 2 + 3
dn
n
n
v p°ípad¥ n >> 1 m·ºeme poslední £len zanedbat a pro n dostáváme
r
n≈
N
2
21
3
SPOJOVACÍ SYSTÉMY
Minimální po£et spínacích bod· Cmin získáme po dosazení n do C(n)
Cmin = (2N +
N2
N
2
r
)(2
√
N
− 1) = 4N ( 2N − 1)
2
Op¥t m·ºeme provést zjednodu²ení a p°edpokládat n >> 1.
√
Cmin ≈ 4N 2N
3.3.2 P°íklad pouºití Closovy podmínky p°i návrhu neblokovací struktury pro
512 vstup·
Navrhn¥te t°ístup¬ový switch SSS bez blokování, který má celkov¥ 512 vstup·. Vypo£teme
po£et vstup· jednotlivých £lánk·.
r
n=
512
= 16
2
Celkov¥ dle bude mít spojovací pole na vstupu a výstupu N/n £lánk·, £ili 512/16=32
£lánk· v prvním a t°etím stupni, kaºdý o 16ti vstupech. Dle Closovy podmínky dostáváme
pro k = 2 · 16 − 1 celkov¥ 31 £lánk· uprost°ed. Celkový po£et propojovacích bod· v navrºeném
spojovacím poli C=63488 bod·.
3.3.3 Leeova metoda návrhu struktury s pravd¥podobností blokování
Closova podmínka nem·ºe být vºdy spln¥na z ekonomických d·vod·, v praxi je blokování dovoleno, nutné je ov²em realizovat struktury s velmi nízkou aº zanedbatelnou pravd¥podobností
blokování, k tomu pot°ebujeme metodu, která nám umoºní pravd¥podobnost spo£ítat.
C.Y. Lee navrhl následující metodu výpo£tu blokování B (Blocking Probability). M¥jme
t°ístup¬ovou strukturu, kde p ozna£íme pravd¥podobnost obsazení linky/kanálu na vstupu £i
výstupu a p' uvnit° struktury, viz. obr. 3.6.
Analogicky k neobsazenému kanálu £i lince m·ºeme uvést q=1-p a q'=1-p'. Pro pravd¥podobnost volné linky/kanálu uvnit° struktury platí q'xq ', £ili pravd¥podobnost obsazení
cesty:
p0 = 1 − q 02
a pro v²echny cesty bude tedy platit:
B = (1 − q 02 )k
Faktor koncentrace/expanze vyjád°íme jako:
β=
22
k
p
= 0
n
p
Obrázek 3.6: Graf s pravd¥podobností obsazení linek/kanál· ve struktu°e SSS.
Z pohledu struktury spojovacího pole nám β <1 vyjad°uje koncentraci (nap°. PBX - pobo£ková úst°edna), β >1 pro p°ípad expanze (nap°. tranzitní úst°edna) a β =1 pro p°ípad
k=n. Pro výpo£et pravd¥podobnosti blokování m·ºeme z vý²e uvedených rovnic snadno odvodit, ºe platí:
β=
k
p
= 0
n
p
3.3.4 P°íklad pouºití Leeovy metody p°i návrhu blokovací struktury pro 512
vstup·
Modikujme p°edchozí zadání s tím, ºe pravd¥podobnost blokování bude 0,002 a vstupy jsou
po aktivní 10% celkového £asu. A£koliv se nejedná o neblokující strukturu, tak vyjdeme pro výpo£et n z Closovy podmínky a z p°edchozího p°íkladu pouºijeme n=16. Faktor β =k/n=k/16.
Dosazením do Leeovy rovnice dostáváme:
B = (1 − q 02 )k
Vyhovuje pro k=7 a β =k/n=0,4375. Celkový po£et propojovacích bod· v navrºeném
spojovacím poli C=14336 bod·.
Pe£livý student jiº porovnává s výsledkem v p°edchozím p°íkladu a konstatuje, ºe p°i pravd¥podobnosti blokování 0,2% jsme dosáhli sníºení po£tu propojovacích bod· na £tvrtinovou
hodnotu oproti minimální neblokovací struktu°e.
3.4 Principy spojování ve £tvrté generaci
Principy uvedené v p°edchozích kapitolách lze pouºít i v návrhu spojovacích polí £tvrté generace. Spojovací systémy £tvrté generace jsou ozna£ovány jako digitální, nepracuje s analogovým
signálem, ty musí být p°evedeny do binární podoby, a´ uº se jedná o hlas anebo signalizaci.
Spojovací pole £tvrté generace umí pracovat s £asovým multiplexem a m¥nit £asovou polohu
(timesloty) p°ená²ené informace.
23
3
SPOJOVACÍ SYSTÉMY
Ve spojovacích polích digitálních úst°eden m·ºeme nalézt dva typy £lánk·:
£lánek pro zm¥nu £as. polohy, tzv. £asový £lánek, sloºený z £asových spína£· T (Time),
pouºívá se na vstupech a výstupech SP,
prostorový £lánek, který pracuje bez zm¥ny £asové polohy a je sloºen z prostorových
spína£· S (Space), pouºívá se uvnit° SP pro propojování skupin T £lánk·.
3.4.1 Time Switch
B¥hem intervalu odpovídajícímu trvání £asové polohy (timeslot) musí v T £lánku prob¥hnout
zápis i £tení. asový £lánek T je ur£en pro zm¥nu £asové polohy informace uloºené v p°íslu²ném
kanálu na vstupu. Informace ze vstupu se zapisuje do pam¥ti hovor· PH a následn¥ £te, zápis
a £tení m·ºe probíhat cyklicky, postupn¥ v po°adí (0,1,2, ..... 31) anebo acyklicky (dle adres
uloºených v °ídící pam¥ti P).
Obrázek 3.7: Kombinace zápisu a £tení v £asovém £lánku.
Ve spojovacích polích mohou být pouºity tyto kombinace £tení a zápisu, viz. obr. 3.7:
informace ze vstupu se zapisují cyklicky a £te se acyklicky, tato kombinace se pouºívá
na vstupech spojovacích polí (£lánek T °ízený z výstupu Tr),
informace ze vstupu se zapisují acyklicky a výstupní cyklicky, tato kombinace se pouºívá
na vstupech spojovacích polí (£lánek T °ízený ze vstupu Tw),
informace ze vstupu se zapisují acyklicky a výstupní acyklicky, tato kombinace se v praxi
málokdy pouºívá (£lánek Trw),
Poslední kombinace s cyklickým zápisem i £tením je pochopiteln¥ nepouºitelná, nebo´ k
ºádné zm¥n¥ nedochází. Rozeznáváme tedy dva základní typy £lánk· Tr a Tw.
24
U £lánku Tr se do pam¥ti hovor· zapisuje cyklicky a £te se dle adres z °ídící pam¥ti, obsah
3KI je uloºen do t°etího °ádku v pam¥ti hovor·, ale je p°e£ten v £asové poloze odpovídající
17KI, viz. obr. 3.8. V p°ípad¥ £lánku Tw, viz. obr. 3.9 se obsah t°etího KI ze vstupu zapí²e
do 17-tého °ádku PH. tení probíhá cyklicky a tím je dosaºeno, ºe se obsah z 3KI p°e£te v
£asové poloze odpovídající 17-tému KI.
Obrázek 3.8: Tr - £lánek °ízený z výstupu.
Obrázek 3.9: Tw - £lánek °ízený ze vstupu.
3.4.2 Space switch
Prostorový £lánek S má i v digitálních úst°ednách obdobnou funkci jako u spojovacích systém·
d°ív¥j²ích generací, zásadní rozdíl je ale v rychlosti a ve zp·sobu °ízení jeho spínání, protoºe
z·stává sepnut pouze po nezbytn¥ nutnou dobu k p°enesení obsahu konkrétního kanálu, tzn.
nap°. u 32-kanálového multiplexu PCM by to bylo 3,9 µs. Tomu pochopiteln¥ odpovídá i jiné
°e²ení. [7]
25
3
SPOJOVACÍ SYSTÉMY
lánek S v principu tvo°í crossbar spojovací pole s m vstupy a m výstupy s plnou dostupností jednotlivých vstup· na v²echny výstupy. Kaºdý vstup p°edstavuje skupinu multiplexních
kanál·, £asov¥ d¥lených, jejichº individuální propojování musí tento prostorový £lánek umoºnit. Ur£itý spínací bod nespojuje vstup a výstup trvale, ale pouze na dobu pot°ebnou pro
propojení daného kanálu v kaºdém rámci. lánek S tedy spojuje stejné kanály (ve stejné £as.
poloze) mezi jednotlivými multiplexními trakty nebo skupinami kanál· uvnit° více-£lánkového
spojovacího pole. Prostorový £lánek je svou strukturou i °ízením jednodu²²í neº £asový £lánek. Prostorový £lánek m·ºe degradovat na p°ímé propojení £asových £lánk·, coº se pouºívá
u spojovacích polí pobo£kových úst°eden.
Obrázek 3.10: Prostorový £lánek S.
Prostorový £lánek m·ºe být °ízený ze vstupu nebo z výstupu. Propojuje vstupní a výstupní
kanály bez zm¥ny £asové polohy, nap°íklad p°i propojení t°etího KI ze vstupního multiplexu
PM0 do výstupního multiplexu VM1 se otev°e spína£ v pr·se£íku t¥chto sb¥rnic odpovídající
£asové poloze t°etího KI pouze po dobu nutnou k p°enosu informace uvnit° KI.
Obrázek 3.11: e²ení £lánku So a Si pomocí MUX a DMUX.
26
P°icházející multiplexní vstupy PM mohou být 32 kanálové skupiny nebo multiplexní skupiny s v¥t²ím po£tem kanál· vycházejících jiº z £asových £lánk· (nap°. 512 kanál·, tzv. sdruºený T £lánek). V °ídící pam¥ti jsou zaznamenány kombinace propojovaných kanál· spojovacího pole. Prostorový £lánek °ízený z výstupu je ozna£ován jako So (output). Informace o
vstupních kanálech, které mají být propojeny na daný výstup jsou p°edávány do °ídící pam¥ti,
která ur£uje propojování v multiplexoru MX, jedná se o prostorové pole °ízené z výstupu, viz.
?? vlevo. Obdobn¥ je realizován S £lánek °ízený ze vstupu, ozna£ovaný jako Si (input), ve kterém je jiº na vstupu £lánku rozhodováno v demultiplexoru DMX, se kterým výstupem bude
propojen.
3.4.3 Více£lánkové struktury
Nejjednodu²²í kongurace je více£lánková struktura T-T se dv¥ma vstupními a dv¥ma výstupními T £lánky. Výstup z prvního £lánku m·ºe být demultiplexován na dva toky 32 Mbit/s po
512 kanálech, p°i£emº kaºdý je p°iveden na vstup jiného T £lánku druhého v po°adí.
Obrázek 3.12: Struktura T-T-T.
Zmín¥né spojovací pole T-T struktury o kapacit¥ 2048 kanál· uº spadá do kapacit velkých
pobo£kových úst°eden. Kapacitu lze jednodu²e navy²ovat p°idáním dal²ích T £lánk·. Spojovací pole tak m·ºeme obecn¥ vytvo°it jako matici spína£· T, viz. P°íklad T-T-T na obr. 3.12,
p°i£emº ve více£lánkovém spojovacím poli tvo°eném pouze z T £lánk· musí být výstupy £lánk·
rozd¥leny do skupin vedoucích do dal²ích £lánk· struktury. M·ºeme tedy tvrdit, ºe v digitálních úst°ednách dokáºeme sestavit spojovací pole pouze z T £lánk·, zatímco bez S £lánk·
se obejdeme. P°esto se S £lánky pouºívají a jsou pom¥rn¥ roz²í°eny uvnit° více£lánkových
struktur.
T°í£lánkové spojovací pole ve struktu°e T-S-T se pouºívá nap°íklad v EWSD od spole£nosti
Siemens. Na vstupech spojovacích polí se pouºívají £lánky Tr a na výstupech Tw. Struktura
S-T-S se prakticky nepouºívá, nebo´ £lánek S pracuje s vnit°ním blokováním na rozdíl od T
£lánku. Ve struktu°e T-S-T je moºné provést dvojnásobnou zm¥nu £asové polohy a tím lépe
vyuºít volných £asových poloh v £lánku S neº v S-T-S. lánek T se volí co nejv¥t²í, protoºe to
vede ke zmen²ení £lánku S, který je vºdy objemn¥j²í. S ohledem na men²í spolehlivost spína£e
T se v¥t²inou toto spojovací pole °e²í jako zdvojené.
P¥ti£lánková struktura se pouºívá pro velké úst°edny, v principu jsou pouºitelné pouze dv¥
struktury T-S-T-S-T (u ESS5 od AT&T aº 100 tis. p°ípojek) a T-S-S-S-T, u EWSD lze se
strukturou T-S-S-S-T dosáhnout velmi slu²né kapacity spojovacího pole, které se pouºívá aº
27
3
SPOJOVACÍ SYSTÉMY
pro 250 tis. ú£astník·.
3.5 Pátá generace spojovacích systém· - Softswitch
Dnes poslední, pátá generace pracuje s telefonií jako s aplikací v IP síti. A£koliv se tato
generace za£íná ve ve°ejných sítích fakticky nasazovat aº nyní, základy byly jiº p°ed více neº
deseti lety v signaliza£ních protokolech:
SIP
(Session Initiation Protocol),
MGCP
(Media Gateway Protocol),
Megaco/H.248 (následovník MGCP),
a H.323 (protokol pro multimediální aplikace v sítích s p°epojováním paket·).
Média se p°ená²ejí protokolem pro real-time p°enos RTP (Real Time Protocol), který vyuºívá UDP transportní protokol. Hlas se p°ená²í v IP síti (Voice over IP). V podnikových
°e²eních je VoIP vyuºíváno jiº cca deset let, ve°ejné sít¥ ov²em vyºadují jiný p°ístup, jednak
z d·vodu interoperability a robustnosti. [8]
V sou£asnosti je jediným standardizovaným °e²ením spojovacích systém· páté generace
IMS (IP Multimedia Subsystems), koncepce IMS byla poprvé p°edstavena v roce 2002 v 3GPP
specikace Release 5, ale fakticky se za£al pouºívat aº Release 6 z roku 2004. St¥ºejním protokolem konceptu IMS je SIP a proto mu bude v¥nována rozsáhlej²í pozornost v rámci p°edná²ky
k sítím nové generace. [9, 10]
28
4 Metalická vedení
4.1 Rozd¥lení metalických vedení
Metalická (kovová) vedení ur£ená pro telekomunika£ní p°enosy m·ºeme d¥lit z hlediska kapacity jednotlivých vodi£· v·£i zemi na vedení symetrická (dvojice spirálov¥ sto£ených vodi£·
v kabelu, dvojice paralelních vodi£· zav¥²ených na izolátorech), koaxiální (dvojice souosých
vodi£·). [11, 12]
Dal²í moºné d¥lení kabelových vedení je dle jejich uloºení na
nadzemní vedení,
záv¥sná vedení,
zemní kabelové vedení,
podmo°ské kabely.
4.2 Symetrické kabely
Symetrické kabely jsou charakteristické shodnými kapacitami jednotlivých ºil v·£i zemi i v·£i
sob¥ navzájem.
Obrázek 4.1: Kapacity mezi ºilami symetrického vedení.
Struktura symetrického kabelu:
ºíla,
prvek vzniká stá£ením jednotlivých ºil do pár· nebo £ty°ek,
kabelová du²e vzniká stá£ením prvk·,
stá£ení m·ºe být bu¤ koncentrické nebo skupinové,
koncentrické stá£ení prvky se stá£ejí v protism¥rných vrstvách (moºnost odpo£ítat),
skupinové stá£ení 1 skupina nej£ast¥ji 25, 50, 100 pár·,
pro digitální systémy stín¥né skupiny (nap°. po 7 párech).
29
4
METALICKÁ VEDENÍ
P°i stá£ení ºil do £ty°ek se d°íve pouºívala tzv. k°íºová £ty°ka. v²echny 4 ºíly m¥ly stejnou
délku skrutu, pr·°ez £ty°kou m¥l v kaºdém míst¥ mít tvar k°íºe. Výhodou tohoto uspo°ádání
byly minimální magnetické vazby. Chybami p°i výrob¥ v²ak docházelo ke zm¥nám vzájemné
polohy jednotlivých ºil uzvnit° £ty°ky a ke vzniku parazitních kapacitních vazeb. áste£ným
°e²ením bylo pouºití tzv. Dieselhorst-Martinovy £ty°ky, která pár a-b kroutí s délkou skrutu
l1, pár c-d s délkou skrutu l2 a spole£n¥ jsou oba páry krouceny s délkou skrutu l3.
Kroucené páry se b¥ºn¥ pouºívají nap°. v po£íta£ových sítích pod ozna£ením UTP (Unshielded Twisted Pair nestín¥ný kroucený pár) nebo STP (Shielded Twisted Pair stín¥ný
kroucený pár). Kabely tohoto typu mají dosta£ující vlastnosti pro p°enosy p°enosovými rychlostmi aº 1 Gb/s u kategorie UTP 5e.
Plá²´:
slouºí k ochran¥ kabelové du²e,
v¥t²inou se pouºívá jako materiál PVC, ve speciálních aplikacích také PET, EVA, teon
nebo silikonový kau£uk,
proti mechanickému po²kození se pouºívá pancé°ové oplá²t¥ní.
4.3 Koaxiální kabely
Koaxiální kabely jsou geometricky p°ísn¥ symetrické. Jsou tvo°eny vnit°ním vodi£em, umíst¥ném p°esn¥ ve st°edu vn¥j²ího vodi£e dutého válce, viz. obr. 4.2. Tato p°ísná symetrie musí
být zachována i po navinutí kabelu na buben ve výrob¥ a op¥tovné rozvinutí p°i pokládce.
Koaxiální kabely jsou náchylné na ohyby.
Obrázek 4.2: ez koaxiálním kabelem
4.4 Homogenní symetrické vedení kone£né délky
P°i analýze vlastností obvykle vycházíme z náhradního modelu homogenního vedení. Homogenní vedení znamená, ºe parametry vedení jsou rovnom¥rn¥ rozloºeny po celé délce vedení.
Element vedení délky x pak má elektrické parametry, dané obrázkem 4.3.
30
Obrázek 4.3: Náhradní model homogenního vedení
P°i napájení homogenního vedení signálem s konstantním kmito£tem f jsou nap¥tí U a
proud I v míst¥ z dány
U (z) = a1 eγz + a2 e−γz ,
I(z) =
1
(−a1 eγz + a2 e−γz ).
Zc
Konstanty a1 a a2 lze ur£it ze známých elektrických pom¥r· na konci vedení. Pro místo
na konci vedení z = l dostaneme
U (z) = a1 eγl + a2 e−γl ,
I(z) =
1
(−a1 eγl + a2 e−γl ).
Zc
Jelikoº známe délku vedení l, nap¥tí na konci vedení U (l), proud na konci vedení I(l),
charakteristickou (vlnovou) impedanci Zc a m¥rnou míru p°enosu γ , m·ºeme dopo£ítat
1
a1 = (Ul − Zc Il )e−γl ,
2
1
a2 = (Ul + Zc Il )eγl .
2
Pro nap¥tí a proud v obecném míst¥ vedení m·ºeme psát
U (x) = U1 cosh(γz) − I1 Zc sinh(γz),
I(x) = I1 cosh(γz) −
U1
sinh(γz).
Zc
coº jsou tzv. telegrafní rovnice.
len γ ozna£uje tzv. m¥rnou míru p°enosu
p
γ = (R + jωL)(G + jωC) = α + jβ.
Reálná sloºka α se nazývá m¥rný vlnový útlum, imaginární sloºka β se nazývá m¥rný fázový
posuv, nebo také koecient délky vlny, nebo´ platí
λ=
2π
.
β
Délka vlny λ vyjad°uje vzdálenost, kterou elektromagnetické vln¥ní ve vedení urazí za délku
jedné periody T = 1/f . Délku vedení vºdy vztahujeme k délce vlny signálu, který budeme
tímto vedením p°ená²et. Pro velmi vysoké kmito£ty (malé délky vlny) se vedení m·ºe chovat
31
4
METALICKÁ VEDENÍ
jako nekone£n¥ dlouhé, kdeºto fyzicky velmi dlouhá vedení (nap°. vedení velmi vysokého nap¥tí
VVN se mohou jevit na frekvencích 50 Hz jako velmi krátká).
Jak je patrné ze vztahu pro nap¥tí v míst¥ z vedení, hrají zde roli dv¥ sloºky nap¥tí.
První a1 eγz s nar·stající vzdáleností od po£átku vedení roste. (Nebo taky klesá s rostoucí
vzdáleností od koce vedení.) P°edstavuje ru²ivou odraºenou vlnu. Druhá sloºka a2 e−γz s rostoucí vzdáleností od po£átku vedení klesá, U (∞) = 0. P°edstavuje hlavní postupnou vlnu.
Ob¥ sloºky se v jednotlivých bodech vedení geometricky s£ítají. Charakteristická (nebo taky
vlnová) impedance vedení je dána
s
Zc =
R + jωL
= X + jY = |Zc |ej arg(Zc ) = |Zc |ejϕc ,
G + jωC
ϕc = arg Zc .
Obvykle je udávána absolutní hodnota charakteristické impedance |Zc | a fáze ϕc . Charakteristickou impedanci lze pro danou frekvenci vypo£ítat jako geometrický pr·m¥r vstupní
impedance naprázdno a nakrátko,
Charakteristickou impedanci lze také zm¥°it jako vstupní impedanci korektn¥ obrazov¥
zakon£eného vedení (Zl = Zc ) kone£né délky. Jednotlivé parametry, charakterizující vedení
rozd¥lujeme na
primární R, L, G, C ,
sekundární Zc , γ .
P°i vysokých kmito£tech obvykle platí
R << ωL, G << ωC.
Potom
r
Zc =
a
L
C
√
γ = jω LC = jβ.
Doposud jsme hovo°ili o ²í°ení harmonického signálu homogenním vedením. S tímto p°ípadem se v praxi tém¥° nesetkáme, vedením se ²í°í signály mnohem sloºit¥j²í. Rychlost, kterou se
²í°í tzv. zázn¥je skupiny (grupy) n¥kolika harmonických signál· blízkých frekvencí nazýváme
skupinovou, nebo také grupovou rychlostí
vg =
ω
.
β
Pro vícenásobmé vyuºití metalických kabel· byla vytvá°ena na 2 párech (1 £ty°ce) tzv.
fantomní vedení 4.4. Ty nelze vytvá°et na místních telefonních okruzích, kde je nutné p°ená²et
stejnosm¥rný napájecí proud pro mikrofony telefonních p°ístroj· a stejnosm¥rné volicí zna£ky.
32
Obrázek 4.4: Vytvo°ení fantomního vedení.
4.5 P°eslech
P°eslechem rozumíme neºádoucí p°echod malé £ásti hovorových proud· z vedení ru²icího do
paraleln¥ s ním probíhajícího vedení ru²eného 4.5. Rozli²ujeme p°eslech na blízkém a vzdáleném konci, podle toho, na kterém konci vedení se projevuje vzhledem k pozici ru²icího zdroje.
[13]
Útlum p°eslechu na blízkém konci je dán
Ap (0) = 10 log(
Ps (0)
),
Pp (0)
kde Ps (0) je výkon signálu na za£átku ru²icího vedení, Pp (0) je výkon p°eslechového signálu
na za£átku ru²eného vedení. Jelikoº je
P = UI = U
U
U2
=
,
Z
Z
Jsou-li charakteristické impedance obou vedení shodné, druhý £len vztahu je roven nule.
Pak lze vypo£ítat útlum p°eslechu na blízkém konci ze znalosti velikosti nap¥tí ru²icího signálu
a zm¥°eného nap¥tí na blízkém konci ru²eného vedení.
Útlum p°eslechu na vzdáleném konci je dán podobn¥
Ap (l) = 10 log(
Ps (0)
),
Pp (l)
kde Pp (l) je výkon p°eslechového signálu na konci ru²eného vedení. M·ºeme psát
Ap (l) = 10 log(
Us (0)2
Zcs
Up (l)2
Zcp
) = 20 log(
Us (0)
Zcs
) − 10 log(
).
Up (l)
Zcp
Pokud roz²í°íme zlomek s nap¥tími, m·ºeme psát
Ap (l) = 20 log(
Us (0) Us (l)
Zcs
Us (0)
Us (l)
Zcs
·
) − 10 log(
) = 20 log(
) + 20 log(
) − 10 log(
),
Up (l) Us (l)
Zcp
Us (l)
Up (l)
Zcp
kde první £len p°edstavuje vlnový útlum ru²icího vedení. Druhý £len pak vyjad°uje m¥°ený
útlum p°eslechu, daný nap¥tím signálu na konci ru²icího a ru²eného vedení. Jalikoº je p°eslech
siln¥ ru²ivým jevem, vºdy se snaºíme, aby útlum p°eslech· byl co nejv¥t²í.
33
4
METALICKÁ VEDENÍ
Obrázek 4.5: P°eslech mezi vedeními.
Obrázek 4.6: Wheatston·v m·stek.
4.6 M·stkové metody zam¥°ování poruch
4.6.1 M¥°ení impedance m·stkovou metodou
Metoda Wheatstoneova m·stku pa°í do kategori vyvaºovacích metod m¥°ení, kdy vyvaºujeme
impedance jednotlivých v¥tví m·stku tak, aby nap¥tí mez body v m¥°icí diagonále bylo nulové.
Pro odpory jednotlivých v¥tví platí
R1 R3 = R2 R4
a pro nap¥tí v m¥°icí diagonále m·ºeme psát
UBD = UAC (
R1
R2
−
).
R1 + R4 R2 + R3
M¥°enou impedanci obvykle zapojujeme jako R4 , m·stek vyvaºujeme odporovou dekádou
R1 , pomocí odpor· R2 a R3 nastavujeme m¥°icí rozsah m·stku. P°i m¥°ení st°ídavými proudy
se mysí v m·stku vyrovnávat nejen reálné, ale i imaginární sloºky proudu. M·stky pro st°ídavá
m¥°ení musejí být konstruk£n¥ uspo°ádány tak, aby vylou£ily vazbu mezi v¥tvemi m·stku a
nesymetrie v·£i zemi.
34
Obrázek 4.7: Murrayova metoda.
Nap¥óvá citlivost m·stku je pom¥r zm¥ny výstupní veli£iny v m¥°icí diagonále z nulové
hodnoty p°i vyváºeném m·stku k pom¥rné zm¥n¥ m¥°eného odporu, kterou se provede rozváºení m·stku
N
CU = UAC (
),
1 + N2
kde
N=
R2
R1
=
.
R4
R3
Je z°ejmé, ºe citlivost m·stku je p°ímo úm¥rná napájecímu nap¥tí. Metoda m·stkového m¥°ení
odoru se pouºívá také ke stanovení délky metalického vedení. Vycházíme z m¥°ení odporu celé
smy£ky. Na koni m¥°ené trasy spojíme 2 ºíly a zm¥°íme odpor Rab celé smy£ky. Známe-li
m¥rný odpor m¥di, pouºívané k výrob¥ sd¥lovacích kabel· ρCu = 17.8 Ωmm2 /km a pr·m¥r
ºíly daného kabelu d, m·ºeme spo£ítat m¥rný odpor ºíly (odpor 1 km ºíly) jako
R
ρCu
= d2 .
l
π4
Dálku kabelu pak ze zm¥°eného odporu smy£ky Rab vypo£teme ze vztahu
l=
1 Rab
.
2 Rl
4.6.2 Murrayova metoda
Pouºívá se tehdy, jestliºe nemají v²echny ºíly p°eru²enou izolaci.
Pom¥ry v m·stku jsou
M
Rab − Rx
=
.
R1
Rx
35
4
METALICKÁ VEDENÍ
Pro odpor vadného vodi£e tedy platí
Rx =
a délka ºíly k poru²e je
lx =
Rx
R
l
R1 Rab
M + R1
Rx
1 Rab
2 l
=
= 2l
R1
.
M + R1
M¥°ení se provádí z obou stran, nebo s prohozenými ºilami, aby se co nejlépe lokalizovala porucha. Pokud vycházejí z kaºdé strany rozdílné pozice poruchy, pak to obvykle bývá d·sledkem
v¥t²ího po£tu chyb více p°eru²ených ºil apod.
4.6.3 Varleyova metoda
Pouºívá se v p°ípadech, kdy odpor smy£ky je velký, nap°. v p°ípadech, kdy se chyba nachází
blízko za£átku m¥°eného úseku. Na m·stku nastavíme co nejmen²í pom¥r A = ab . Pro vyváºený
m·stek platí
Rab − Rx
a
.
A= =
b
Rx + R1
Odtud
Rx =
Rab − AR1
.
1+A
P°i prohozených ºilách (pro kontrolu) platí
A0 =
Rx
a0
=
,
b0
(Rab − Rx ) + R10
a pak
Rx =
A0 (Rab + R10 )
.
1 + A0
Obrázek 4.8: Varleyova metoda.
36
Obrázek 4.9: Princip reektometrie [14]
4.7 Zm¥°ování poruch pomocí metody TDR
Reektometrie je metoda vyvinutá k ur£ování poruch v kabelech nebo silových vedeních.
Princip této metody spo£ívá ve vyslání signálu p°esn¥ daných parametr· do m¥°eného kabelu,
a následného m¥°ení doby, za kterou se vyslaný signál vrátí zp¥t do testovacího diagnostického
p°ístroje. Poruchy kabelu zp·sobují nehomogenity (impedance, izola£ního odporu, atp.). V
tomto míst¥ se £ást energie vyslaného signálu odrazí zp¥t a zbytek pokra£uje dál do kabelu.
Energie p·vodního pulsu se p°irozen¥, vlivem odporových ztrát, sniºuje. Tím je omezen dosah
p°ístroje (místo nejvzdálen¥j²í zjistitelné poruchy). Princip je lépe vid¥t na obr. 4.9. [14]
Za p°edpokladu znalosti rychlosti ²í°ení signálu v daném kabelu se následn¥ vypo£ítá
vzdálenost místa poruchy od za£átku kabelu. Rychlost ²í°ení v kabelu je specická pro daný typ
kabelu (závisí p°edev²ím na permitivit¥ materiálu izolace), a lze ji zjistit bu¤to z tabulek nebo
m¥°ením na vzorku kabelu známé délky. Tímto zp·sobem se v praxi provádí kalibrace m¥°i£·.
Metodou reektometrie lze na kabelech detekovat r·zné typy poruch, záleºí na funk£ních
vlastnostech diagnostického p°ístroje, který je pro kontrolu kabelu pouºit.
Základní moºná m¥°ení na kabelech s pouºitím p°ístroj· na bázi reektometrie:
m¥°ení délek kabel·,
Lokalizace zkratu nebo p°eru²ení vodi£e,
zám¥na vodi£·,
lokalizace vody v kabelu.
37
5
OPTICKÉ VLÁKNOVÉ KOMUNIKACE
5 Optické vláknové komunikace
Jednou z moºností, jak p°ená²et data je vyuºít k p°enosu sv¥tlo. To se m·ºe ²í°it vzduchem,
ale také vhodným vlnovodem, nap°. optickým vláknem. [15]
Výhody optických atmosférických spoj· oproti rádiovým (nap°. WiFi) jsou nap°.:
vysoká odolnost v·£i elektromagnetickému ru²ení,
bezpe£nost v·£i odposlech·m,
nízké ru²ení okolí,
k instalaci není pot°eba licence.
Výhody optických vláknových spoj· oproti metalickým jsou nap°.:
vysoké p°enosové rychlosti,
nízká hmotnost kabel·,
vysoká odolnost v·£i elektromagnetickému ru²ení,
bezpe£nost v·£i odposlech·m.
Pod pojmem sv¥tlo bývá obvykle mín¥na viditelná £ást spektra elektromagnetického vln¥ní, tedy vln¥ní s vlnovými délkami od 380 nm do 780 nm. V optických komunikacích obvykle
do sv¥tla zahrnujeme i £ást spektra, jeº okem nejsme schopni vnímat. Sv¥tlo obecn¥ lze popsat
n¥kolika zp·soby v závislosti na tom, jaké jevy pot°ebujeme popsat. Historicky nejstar²í, a
také nejjednodu²²í je popis geometrický. Zde na sv¥tlo nahlíºíme jako na paprsky, které se od
zdroje ²í°í v homogenním prost°edí p°ímo£a°e. Paprskový popis není schopen popsat nap°.
interferenci £i difrakci sv¥tla. Ty lze popsat pomocí vlnového popisu, kdy sv¥tlo povaºujeme
za elektromagnetickou vlnu, popsanou Maxwellovými rovnicemi. Vývojov¥ nejmlad²í je popis kvantový, kdy sv¥tlo povaºujeme za proud £ástic s nulovou klidovou hmotností foton·.
Za£neme od nejjednodu²²ího.
Sv¥tlo se ²í°í kone£nou rychlostí, která ve vakuu nabývá hodnoty c = 2.99792548 m/s. V
jiném prost°edí neº ve vakuu je rychlost sv¥tla niº²í. Podíl rychlosti sv¥tla v daném prost°edí
a rychlosti sv¥tla ve vakuu nazýváme index lomu prost°edí,
n=
c
v
, kde v je rychlost sv¥tla v daném prost°edí. Index lomu prost°edí mi tedy °íká, kolikrát
pomalej²í je sv¥tlo v daném prost°edí oproti rychlosti ve vakuu. Ze vztahu také plyne, ºe
index lomu n je vºdy v¥t²í neº 1. Chceme-li povaºovat rychlost sv¥tla ve v²ech prost°edích
za konstantu c, musíme zavést pojem optická dráha. Uvaºujme, ºe se sv¥tlo ve vakuu ²í°ilo z
bodu A do bodu B po n¥jaký £as t rychlostí c. Následn¥ mezi body A a B vloºíme optické
prost°edí, charakterizované indexem lomu n. Doba, kterou sv¥tlu zabere ²í°ení mezi body A a
B naroste. Je moºné to p°ipsat sníºení rychlosti sv¥tla nebo nár·stu dráhy, kterou sv¥tlo mezi
body A a B muselo p°ekonat. V homogenním prost°edí tedy optická dráha lopt bude dána
38
Obrázek 5.1: Snell·v zákon lomu.
sou£inem dráhy l a indexu lomu n. Obecn¥ je optická dráha dána jako integrál z indexu lomu
obecného prost°edí p°es jednotlivé úseky dráhy,
ZB
lopt =
n(s)ds.
A
Srovnáváme-li 2 optická prost°edí s ohledem na rychlost ²í°ení sv¥tla v t¥chto prost°edích,
pak prost°edí, ve kterém se sv¥tlo ²í°í pomaleji (má vy²²í index lomu) nazýváme prost°edím
opticky hust²ím, druhé opticky °id²ím.
Obecn¥ pro sv¥tlo platí Fermat·v princip, který °íká, ºe se sv¥tlo ²í°í mezi dv¥ma body A
a B po takové dráze, aby mu to trvalo nejkrat²í dobu. í°í se tedy po dráze, která odpovídá
minimu optické dráhy lopt .
Z Fermatova principu lze odvodit podmínky pro ²í°ení paprsk· na rozhraní 2 optických
prost°edí s r·znými indexy lomu n1 a n2 . Úhly paprsk· dopadajících, odraºených a pro²lých
rozhraním 2 optických prost°edí m¥°íme vºdy vzhledem ke kolmici k rozhraní v míst¥ dopadu
paprsku. Chování paprsk· na rozhraní 2 optických prost°edí popisuje tzv. Snell·v zákon lomu
(viz. obr. 5.1),
n1 sin(ϕ1 ) = n2 sin(ϕ2 ).
Pokud dopadá paprsek na rozhraní 2 optických prost°edí, dochází k odrazu £ásti sv¥tla
zp¥t. To, kolik sv¥tla se odrazí popisuje odrazivost (reektivita) rozhraní R. Ta je závislá na
úhlu dopadu paprsku, indexech lomu optických prost°edí a polarizaci sv¥tla (ta bude vysv¥tlena pozd¥ji). coº lze pro pro kolmý dopad paprsku zjednodu²it na
R=
(n1 − n2 )2
.
(n1 + n2 )2
Nyní jiº víme, jak se sv¥tlo, reprezentované paprsky, chová na rozhraní dvou optických
prost°edí, m·ºeme tedy p°ejít ke konstrukci vlnovodu, v na²em p°ípad¥ optického vlákna.
Standardní optické vlákno je válcov¥ symetrická struktura, sloºená z jádra (angl. core) o
indexu lomu n1 a plá²t¥ (angl. cladding) o indexu lomu n2 . Index lomu vn¥j²ího prost°edí
budeme ozna£ovat n0 . Materiály, které se obvykle k výrob¥ optických vláken pouºívají jsou
SiO2 k°emenné sklo nebo plasty pro levná vlákna. V sítích, které vyºadují p°enosy na
velké vzdálenosti s vysokými p°enosovými rychlostmi se pouºívají výhradn¥ vlákna sklen¥ná,
plastová vlákna nap°. v lokálních po£íta£ových sítích LAN. Sv¥tlo se v optických vláknech ²í°í
na principu úplného vnit°ního odrazu (TIR Total Internal Reection). To znamená, ºe se
39
5
Obrázek 5.2: Úplný vnit°ní odraz.
odráºí od rozhraní optických prost°edí jádra a plá²t¥, viz. obr. 5.2. Aby k tomu mohlo dojít,
musí platit podmínka n1 > n2 . Dále musí sv¥tlo na rozhraní jádra a plá²t¥ dopadat vzhledem
ke kolmici k rozhraní pod úhlem v¥t²ím, neº je úhel kritický ϕc . Odvodíme si podmínku pro
tento kritický úhel.
Na rozhraní jádra a plá²t¥ platí Snell·v zákon lomu. Pokud je úhel dopadu dostate£n¥ velký,
dojde k totálnímu odrazu sv¥tla zp¥t do jádra. Pokud je úhel p°íli² malý, dojde k pr·chodu
sv¥tla do plá²t¥. Toto sv¥tlo se vyváºe z optického vlákna a p°icházíme o £ást výkonu. Kritický
úhel dopadu je ten úhel, pod kterým se sv¥tlo bude lomit p°esn¥ do rozhraní jádra a plá²t¥,
tedy ϕ2 = π/2.
M·ºeme tedy psát
π
n1 sin(ϕc ) = n2 sin( ) = n2 ,
2
tedy
n2
sin(ϕc ) =
.
n1
Kritický úhel na rozhraní £ela optického vlákna a vn¥j²ího prostoru uvnit° ve vlákn¥ je θc =
π/2 − ϕc . Vn¥ vlákna je kritický úhel n0 sin(αc ) = n1 sin(θc ) = n1 sin(π/2 − ϕc ) = n1 cos(ϕc ).
Víme, ºe sin2 (ϕc ) + cos2 (ϕc ) = 1, m·ºeme tedy psát cos(ϕc ) = sqrt1 − sin2 (ϕc ) a dosazením
sin(ϕc ) = n2 /n1 dostáváme nální vztah pro sinus kritického vrcholového úhlu p°íjmového
kuºele pro navázání sv¥tla do optického vlákna
q
1
1
sin(αc ) =
n21 − n22 =
N A,
n0
n0
kde N A je tzv.
numerická apertura
NA =
q
n21 − n22 .
Pro malé hodnoty N A (cca do 0.1), pokud do vlákna navazujeme sv¥tlo ze vzduchu (n0 = 1),
m·ºeme psát
αc = N A.
Numerická apertura je jedním ze základních katalogových údaj· optických vláken. Pokud
navazujeme sv¥tlo do vlákna pod úhlem men²ím, neº je úhel kritický αc , pak se v²echno
sv¥tlo (aº na malou £ást, která se vlivem odrazivosti £ela optického vlákna odrazí) naváºe do
optického vlákna. Navázaný výkon budeme ozna£ovat Pin . Výkon, který zm¥°íme na konci
40
Obrázek 5.3: Spektrální závislost útlumu optického vlákna. [16]
optického vlákna budeme zna£it Pout . Podíl Pin /Pout nazýváme ztrátami optického vlákna.
Útlum optické trasy je dán
Pi n
A = 10 log
Po ut
. Útlum m·ºe být zp·soben nap°.
makroohybem,
mikroohybem,
rozptylem
Mieovým,
Rayleighovým,
absorpcí
ultraalovou,
infra£ervenou,
na OH iontech,
nedokonalostmi vlnovodu.
Spektrální závislost útlumu optického vlákna je uvedena na obr. 5.3. Ultraalovou a infra£ervenou absorpci °adíme mezi intrinzitní ztráty, nebo´ jsou zp·sobeny ztrátami v samotném
základním materiálu vlákna. Absorpci na OH iontech °adíme do extrinzitních ztrát, nebo´ tyto
ztráty jsou zp·sobeny neºádoucí p°ítomností dal²ích látek (p°ím¥sí) v základním materiálu.
Rozptyl je zp·soben nehomogenitami v materiálu vlákna. Makroohyb je zp·soben vn¥j²ími
vlivy (ohyby) p·sobícími na vlákno.
41
5
Obrázek 5.4: Módová disperze.
V katalogu bývá obvykle uvád¥n m¥rný útlum
a=
A
,
l
kde l je délka optické trasy.
Jestliºe se vláknem ²í°í více mód· (paprsk· ), pak kaºdý paprsek se ²í°í jinou drahou, coº
p°i shodné rychlosti ²í°ení vede k r·zným dobám pr·chodu sv¥tla optickým vláknem. Pokud
do vlákna kontinuáln¥ svítíme, tento efekt nám nevadí. Av²ak p°i vysílání krátkých optických
impulz· do vlákna (p°enos dat) dochází k tomu, ºe kaºdý paprsek, který nese £ást výkonu
daného pulzu opustí vlákno v jiném £ase. Dochází k roztahování pulz· v £ase. Tento jev se
nazývá módová disperze, viz. obr. 5.4. [17]
as, pot°ebný k p°ekonání délky vlákna v jeho ose je dán
tmin =
l
l
= n1 .
v
c
as, který pot°ebuje na p°ekonání délky optického vlákna paprsek, ²í°ící se pod kritickým
úhlem je
l
l
l
n2 l
cos(θc )
tmax =
= n1
= n1
= 1 .
v
c cos(θc )
c sin(ϕc )
n2 c
Módovou disperzi potom charakterizuje rozdíl jednotlivých £as·
l n1
l n1 − n 2
,
δtmod,SI = tmax − tmin = n1
− 1 = n1
c n2
c
n2
|
{z
}
∆
kde
∆=
n1 − n2
n1 +n2
2
≈
n1 − n2
n1 − n2
≈
n1
n2
je pom¥rný (relativní) rozdíl index· lomu jádra a plá²t¥. Aproximaci si m·ºeme dovolit u
konven£ních optických vláken s nízkou hodnotou numerické apertury N A, kdy ∆ ≈ 4%.. Pro
n¥j dále platí
n1 − n2 n1 + n2
n2 − n2
n2 − n2
∆ = n1 +n2 2(n +n ) = n11 +n2 2 2 ≈ 1 2 2 ,
1
2
2n1
2( 2 )
2
2
a tedy m·ºeme psát mezi numerickou aperturou N A a relativním rozdílem index· lomu jádra
a plá²t¥ vztah
√
N A = n1 2∆.
42
Obrázek 5.5: Vlákna s gradientním prolem indexu lomu.
Potom m·ºeme pro disperzi na jednotkové délce vlákna (1 km) psát
δtmod,SI
N A2
≈
.
l
2n1 c
Pro stanovení maximální p°enosové rychlosti, kterou m·ºeme na takovéto trase provozovat
je d·leºitý sou£initel p°enosové rychlosti
BRcdotl =
l
.
δtmod
Minimalizovat vliv módové disperze je moºné pouºitím vláken s gradientním prolem indexu lomu. [18] Vlákna s gradientním prolem indexu lomu nemají konstantní index lomu
jádra. Tento klesá se vzdáleností od osy vlákna. Paprsek, který se ²í°í osou vlákna se tedy ²í°í
materiálem, jehoº index lomu je nejvy²²í, ²í°í se tedy nejpomaleji. Paprsky kosé, které se ²í°í
mimo osu vlákna se ²í°í materiálem s niº²ím indexem lomu, tudíº rychleji, viz. obr. 5.5. Tímto
zp·sobem se redukuje roztaºení impulz· v £ase na
δtmod,GI ≈
ln1 ∆2
lN A4
.
≈
8c
32n31 c
Pokud bychom cht¥li vytvo°it vlákno striktn¥ jednomódové, tedy takové, které by nedovolovalo ²í°ení více mód·, nevysta£íme s paprskovou optikou. Musíme p°ejít k popisu sv¥tla jako
elektromagnetického vln¥ní.
Elektromagnetické vln¥ní je obecn¥ popsáno Maxwellovými rovnicemi. Z t¥ch plyne, ºe
elektrická a magnetická sloºka elmag. vln¥ní kmitají v navzájem kolmých rovinách, které
jsou kolmé na sm¥r ²í°ení vln¥ní. Vln¥ní m·ºeme charakterizovat jeho frekvencí f , která je
p°evrácenou hodnotou délky 1 periody kmitání T = 1/f . Barvu sv¥tla obvykle popisujeme
pomocí vlnové délky λ, coº je vzdálenost, kterou sv¥tlo urazí ve vakuu b¥hem 1 periody T .
Vlnové délky viditelného sv¥tla se pohybují od 400 nm do 750 nm. Pro vlnovou délku tedy
platí
c
λ=c·T = .
f
Ve vlákn¥ se nem·ºe ²í°it libovolný po£et mód·. Sv¥tlo musí spl¬ovat podmínky, dané Maxwellovými rovnicemi na rozhraní jádra a plá²t¥. (Nap°. £ást °e²ení, p°ipadající plá²ti se musí
blíºit 0 s nar·stající vzdáleností od osy vlákna.) Zjednodu²en¥ lze °íci, ºe sv¥tlo ve vlákn¥
tvo°í stojatou vlnu. Zavedeme pojem normalizovaná frekvence V (n¥kdy v anglické literatu°e
V-number). Jde o bezrozm¥rný parametr, který dává do souvislosti geometrické vlastnosti
jádra vlákna (pr·m¥r jádra d), materiálové vlastnosti vlákna (numerickou aperturu N A) a
vlnovou délku pouºitého sv¥tla λ, tedy
V =
πdN A
.
λ
43
5
Po£et mód·, vedených v mnohomódovém vlákn¥ je v p°ípad¥ vláken se skokovou zm¥nou
indexu lomu (SI Step Index) pro malá V p°ibliºn¥ [19, 20, 18]
N=
4V 2
,
π2 + 2
pro velké hodnoty V
N=
V2
.
2
V p°ípad¥ vláken s gradientním pr·b¥hem indexu lomu v jád°e, který je popsán
r
n(r) = n1
r
1 − 2∆(2 )α ,
d
kde α udává pr·b¥h zm¥ny indexu lomu v jád°e, je po£et mód· dán
N=
α
(akn1 )2 ∆,
α+2
kde k = 2π/λ je tzv. vlnové £íslo.
Pro jednomódové vlákno musí (z numerických °e²ení Maxwellových rovnic) platit
V ≤ 2.405.
To m·ºeme zajistit v podstat¥ t°emi parametry:
zmen²ením pr·m¥ru jádra vlákna d,
sníºením numerické apertury N A,
pouºitím vy²²í vlnové délky λ.
Pr·m¥r jádra nem·ºeme ale zmen²ovat libovoln¥. Musí stále platit, ºe pr·m¥r jádra je
výrazn¥ v¥t²í neº délka vlny pouºitého sv¥tla. Dále jsme omezeni technickými moºnostmi
p°i výrob¥ vlákna. Zmen²ení hodnoty numerické apertury je moºné docílit tím, ºe k sob¥
p°iblíºíme hodnoty index· lomu jádra a plá²t¥. To má ale za následek v¥t²í pronikání sv¥tla
z jádra do plá²t¥. Sv¥tlo v plá²ti je pak výrazn¥ citliv¥j²í na vyvázání z vlákna. Vlnovou
délku také nem·ºeme zvy²ovat libovoln¥ vzhledem k útlumu vlákna, zp·sobenému absorpcí
v infra£ervené oblasti. Musíme tedy hledat optimální hodnoty jednotlivých parametr· tak,
abychom docílili pot°ebných vlastností vlákna. Obvykle pouºívaná hodnota pr·m¥ru jádra
vlákna u jednomódových vláken je d = 8−9 µm p°i vlnové délce λ = 1310 nm aº λ = 1550 nm.
5.1 Zdroje sv¥tla pro optovláknové komunikace
Abychom mohli probrat chromatickou disperzi, musíme si °íci n¥co málo o zdrojích sv¥tla,
pouºívaných v telekomunikacích, zejména o jejich spektrálních a £asových charakteristikách.
Obecn¥ se ve vláknových komunikacích pouºívají 2 typy zdroj· sv¥tla didy LED a LASERové.
Tyto 2 zdroje se li²í zejména spektrem generovaného sv¥tla, coº je dáno pouºitými fyzikálními
principy. [20, 19]
44
5.2 Chromatická disperze
Pokud zajistíme jednomódový reºim optického vlákna, zbavíme se problém· zp·sobených
módovou disperzí. P°i vy²²ích p°enosových rychlostech se za£ínají objevovat dal²í disperzní
jevy, souhrnn¥ ozna£ované jako chromatická dizperze. Ty jsou zp·sobeny spektrální závislostí
indexu lomu materiálu, viz. obr. 5.6. Index lomu tedy není konstanta, ale m¥ní se s vlnovou
délkou pouºitého sv¥tla. Tuto závislost lze aproximovat n¥kolika zp·soby, obvykle se pouºívají
Sellmeierovy vztahy nebo aproximace Laurentovou °adou. Sellmeierovy vztahy obsahují 6
konstant, které lze pro pat°i£ný materiál zjistit z tabulek,
n2 (λ) = 1 +
B1 λ2
B2 λ 2
B3 λ 2
+
+
.
λ2 − C1 λ2 − C2 λ2 − C3
pro typické optické materiály lze zjistit koecienty nap°. v [18]. N¥kdy se pouºívá pro Sellmeierovy relace tvar
B1 λ2
B2 λ 2
n2 (λ) = A + 2
+ 2
.
λ − C1 λ − C2
Laurentova °ada, aproximující pr·b¥h závislosti indexu lomu na vlnové délce má tvar
A2 A3 A4 A5
+ 4 + 6 + 8.
λ2
λ
λ
λ
Chromatická disperze se skládá z disperze
n2 = A0 + A1 λ2 +
materiálové,
vlnovodné,
prolové.
Materiálová disperze je zp·sobena tím, ºe se ve vlákn¥ ne²í°í pouze 1 centrální vlnová délka,
ale jisté spektrum vlnových délek podle pouºitého zdroje sv¥tla. Kaºdé vlnové délce odpovídá
jiný index lomu, a tedy i jiná rychlost ²í°ení sv¥tla ve vlákn¥. Dochází tedy k roztaºení pulzu
v £ase, viz. obr. 5.6. Koecient materiálové disperze je dán
λ d2 n
.
c dλ2
Vlnovodná disperze vzniká (viz ) v d·sledku zm¥ny tvaru módu s vlnovou délkou. V jednomódových vláknech se podstatná £ást výkonu ²í°í plá²t¥m vlákna. Tento výkon je rozprost°en do
celého spektra sv¥tla, které vyprodukoval zdroj. Kaºdé vlnové délce pak odpovídá jiná rychlost ²í°ení sv¥tla v jád°e i v plá²ti, a tedy i rozdílné roztaºení pulzu v £ase. U jednomódových
vláken je vºdy záporná. Vlnovodná disperze je dána
Dmat =
n1 − n2 d2 (V b)
V
verdV 2 .
cλ
o
Prolová dizperze vzniká vlivem nestejné zm¥ny indexu lomu jádra a plá²t¥. Je úm¥rná
Dwg = −
d∆
.
dλ
P°i velmi vysokých p°enosových rychlostech je patrná také polariza£ní módová disperze. Ta je
zp·sobena tím, ºe sv¥tlo, které produkují zdroje je velmi málo polarizované. Vektor intenzity
elektrického pole kmitá v r·zných sm¥rech, a to v rámci sv¥tla, odpovídajícího jednomu pulzu.
Jelikoº sv¥tlo s jistou polarizací je ve vlákn¥ rychlej²í neº sv¥tlo s polarizací jinou, dochází
op¥t k roztaºení pulz· v £ase.
Dprof ∝
45
5
Obrázek 5.6: Chromatická disperze.
5.3 M¥°ení útlumu optických vláken
V této kapitole probereme základní metody m¥°ení útlumu a prolu útlumu optických tras.
K m¥°ení útlumu se b¥ºn¥ pouºívá velice jednoduchá metoda, tzv. metoda p°ímá (nazývaná
také metoda vloºných ztrát). Ta spo£ívá v p°ipojení zdroje sv¥tla k optické trase a zm¥°ení
výstupního výkonu Pout , dále ve zm¥°ení výstupního výkonu zdroje Pin a výpo£tu útlumu
trasy, viz. obr. 5.7 a 5.8
Pin
A = 10 log
.
Po ut
Obrázek 5.7: M¥°ení výstupního výkonu Pout .
Obrázek 5.8: M¥°ení vstupního výkonu Pin .
P°i m¥°ení prolu útlumu optické trasy vyuºíváme reektometrickou metodu, tzv. OTDR
Optical Time Domain Reectometry. Ta spo£ívá ve vyslání krátkého pulzu do vlákna a
m¥°ení výkonu, který se trasou jako odraºený £i rozptýlený vrací zp¥t. Z £as·, kdy se díl£í
odraºené p°ísp¥vky vracejí je moºné spo£ítat vzdálenost ve vlákn¥ od za£átku trasy. [21]
46
5.4 Systémy vlnových multiplex· WDM
Vzhledem k tomu, ºe pokládka kabelu je obvykle nejdraº²í £ástí výstavby optické sít¥, bývá
velice £asto kladen poºadavek na vícenásobné vyuºití stávajícího optického kabelu pomocí
mmultiplexních systém·. Ty vyuºívají p°enosu sv¥tla o rozdílných vlnových délkách pro p°enos
více kanál·, viz. obr. 5.9. Tyto systémy ozna£ujeme WDM Wavelength Division Multiplex.
[22]
Rozli²ujeme 2 základní typy vlnových multiplex·
CWDM °ídké multiplexy Coarse WDM s ²í°kou kanálu 20 nm,
DWDM husté multiplexy Dense WDM s ²í°kou kanálu 0.8 nm.
Obrázek 5.9: Systém CWDM.
47
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
6 Bezdrátové sít¥
6.1 Historie bezdrátové komunikace
Asi první, kdo se úsp¥²n¥ pokusil o dálkové spojení byl Mahlonu Loomis (1826-1886). Tento
virginský zuba° získal patent na bezdrátový telegraf uº roku 1872. Po £trnáctiletém vylep²ování
svého p°ístroje dokázal poslat zprávu na vzdálenost 20 kilometr·. Jeho za°ízení ale pracovalo
na principu vodivosti vysokých vrstev atmosféry, coº se neobe²lo bez drak· nebo balon·.
Dal²ím významným pr·kopníkem rádiových p°enos· se stal Ameri£an David E. Hughes
(1831-1900). Ten roku 1879 zaregistroval, ºe kdyº v elektrickém obvodu p°esko£í jiskra, v
telefonním sluchátku se ozve klepnutí, aniº by bylo spojené s jisk°ivým obvodem. Postupn¥
sestrojil °adu za°ízení, které dokázaly tyto bezdrátové signály vysílat i zachycovat a dosáhl
p°enosu na vzdálenost 60 kilometr·.
O bezdrátový p°enos se postupn¥ za£alo zajímat stále víc vynálezc·, v£etn¥ Thomase
Edisona. V¥t²ina z nich sice nedokázala pozorované jevy vysv¥tlit, ani vyuºít, jejich význam
ale spo£íval v tom, ºe na n¥ upozor¬ovali - a ukazovali, kudy cesta nevede.
Podstatu Hughesových signál· správn¥ rozpoznal n¥mecký fyzik Heinrich Hertz
(1857-1894), viz. obr.6.1. Roku 1887 sestrojil obrovské jisk°i²t¥ spojené s elektrickou cívkou,
které vysílalo elektromagnetické vlny, a dal²í p°ijímací za°ízení, které tyto vlny zachycovalo.
Hertz si v²iml spojitosti pozorovaného bezdrátového p°enosu energie s Maxwellovou teorií, z
níº mimo jiné vyplývalo, ºe tyto vlny mají stejnou povahu jako sv¥tlo. Práv¥ díky Hertzovi se
pak vývoj bezdrátové telegrae za£al ubírat správným sm¥rem. [23]
Obrázek 6.1: Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)
Nezávisle na Hertzovi se ve stejné dob¥ k podobným výsledk·m dopracoval i britský v¥dec
(1851-1940). Ten provád¥l n¥které experimenty s elektromagnetickými vlnami
dokonce uº p°ed zve°ejn¥ním Maxwellovy teorie. Roku 1894 p°edvedl jednoduchý bezdrátový
telegraf, ale nepatentoval jej, protoºe nev¥°il v jeho praktické uplatn¥ní. Z Maxwellovy teorie
totiº vyplývalo, ºe tyto vlny se ²í°í p°ímo£a°e, takºe na zak°iveném zemském povrchu brzy
zmizí ve vesmíru.
Hertz se o praktické vyuºití svých poznatk· nezajímal v·bec. Alexander Popov
(1859-1906), konstruktér ruského námo°nictva, ale na základ¥ jeho prací roku 1897 sestrojil
bezdrátový telegraf. P°i prvním vysílání vzdal poctu skute£nému otci rádia první slova jeho
p°ená²ené zprávy zn¥la H einrich Gertz . Vrcholem jeho experiment· bylo vysílání mezi
b°ehem a lod¥mi ve Finském zálivu v roce 1900, kdy se mu poda°ilo dosáhnout spojení na
Oliver Lodge
48
vzdálenost mnoha desítek kilometr·. Ani
zd·vodnil prost¥:
Popov
si telegraf nenechal patentovat.
Popov
to
Nejde o nic nového. Dávno p°ed Marconim d¥lal stejné v¥ci Tesla.
Americký vynálezce Nikola Tesla (1856-1943) se s Hertzovými experimenty seznámil roku
1893 a za£al je vylep²ovat. Uv¥domit si, ºe vysíla£ a p°ijíma£ jsou vlastn¥ dva obvody, které
navzájem rezonují. Téhoº roku uspo°ádal ve Philadelphii sérii p°edná²ek, p°i nichº demonstroval bezdrátový p°enos elektrické energie, zve°ejnil jeho matematické principy a celou °adu
svých za°ízení a p°itom detailn¥ popsal prvky vysíla£e i p°ijíma£e. Tém¥° v²echno se pozd¥ji
objevilo v Marconiho za°ízeních.
Jen jaksi mimochodem p°edvedl roku 1895 vysílání na vzdálenost p°ibliºn¥ 35 kilometr·
a roku 1896 dálkov¥ ovládaný model lodi. Ke své sm·le si ale americký patent za°ídil aº
roku 1897. [23]
Ital Guglielmo Marconi (1874-1937) viz obr.6.2 pracoval na postupném vylep²ování Hertzovy techniky, kdy se mu poda°ilo zvy²ovat dosah vysíla£e z metr· na kilometry. Roku 1896 si
nechal patentovat bezdrátový telegraf. V prosinci 1901 se Marconimu poda°ilo úsp¥²n¥ p°enést
písmeno "S"p°es Atlantik (3380 km, 25 kW, 328 kHz). Obratem si zajistil pro sebe ve²kerá
moºná práva a za£al v této oblasti úsp¥²n¥ podnikat. Jeho rma m¥la vyhrazené vysílání z lodí,
které nesm¥ly mít vlastní stanice a telegrasty a musely si je od Marconiho pronajímat. V roce
1909 obdrºel Nobelovu ceny za fyziku.
Obrázek 6.2: Guglielmo Marconi
6.2 D¥lení kmito£tového spektra, kmito£tový p°íd¥l
Výb¥r pracovní frekvence je z pohledu ²í°ení elektromagnetických vln i z pohledu konkrétní
radiokomunika£ní sluºby zcela zásadní. Je nepsaným pravidlem, ºe národní frekven£ní spektrum je ve své podstat¥ p°írodním bohatstvím, se kterým je nutno obez°etn¥ hospoda°it.
[24, 25] Elektromagnetické zá°ení lze d¥lit do n¥kolika následujících skupin:
6.2.1 Základní rozd¥lení zá°ení
Elektromagnetické zá°ení lze d¥lit do n¥kolika následujících skupin, viz. obr. 6.4
49
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
Obrázek 6.3: Marconiho stanice
Rádiové 10 kHz aº 300 GHz (mikrovlnné zá°ení 3 - 300 GHz).
Infra£ervené (I) 300 GHz aº 400 THz.
Viditelné 380 aº 750 THz zá°ení, na které je citlivé lidské oko.
Ultraalové (UV) 8.1014 aº 3,4.1016 Hz zá°ení o vysoké energii.
Rentgenové (RTG) 3.1016 aº 6.1019 Hz.
Gama (γ ) 2,4.1018 aº 1024 Hz radioaktivní a jaderné d¥je.
Obrázek 6.4: D¥lení spektra zá°ení
6.2.2 Správa kmito£tového spektra
V celosv¥tovém m¥°ítku je frekven£ní spektrum mezinárodn¥ koordinováno. Tuto funkci zaujímá Mezinárodní telekomunika£ní unie ITU (International Telecommunication Union), jehoº
hlavním úkolem je efektivn¥ p°id¥lovat kmito£tové spektrum, denují sluºby, které lze v p°id¥leném spektru pouºívat a v neposlední °ad¥ i denují povolené vysílací výkony. V rámci
ur£itých studijních skupin vydávají pravidla a doporu£ení pro telekomunikace. Z hlediska ²í°ení elektromagnetických vln je klí£ová skupina ITU-R (ITU- Radiocommunication Sector)
SG3 (Radio Propagation). Doporu£ení ITU-R vznikají na základ¥ ²iroké mezinárodní spolupráce, proto jsou mezinárodn¥ uznávána.
Na Evropské úrovni p·sobí dal²í významná organizace ETSI (European Telecomunications
Standards Institute). V Americe pak FCC (Federal Communications Commission).
Na národní úrovni za²tiúje funkci správce frekven£ního spektra a regulátora ú°ad TÚ
(eský telekomunika£ní ú°ad). Ten rozd¥luje frekven£ní spektrum a s tím i p°id¥luje pat°i£né
radiokomunika£ní sluºby na základ¥ mezinárodního koordina£ního plánu ITU.
50
6.2.3 Rozd¥lení sluºeb
Radiokomunika£ní sluºba je denována jako vysílání, p°enos a p°íjem rádiových vln ke
specickým telekomunika£ním ú£el·m. Jsou denovány t°i základní typy pozemního rádiového
spoje [26]:
Pevná sluºba (spoj typu bod-bod).
Pozemní pohyblivá sluºba (mobilní spoj mezi pevnou a mobilní pozemní stanicí nebo
mezi mobilními stanicemi navzájem).
Rozhlasová sluºba (spoj bod-plocha) nap°. televize a rozhlas.
Rádiovými vlnami nazýváme elektromagnetické vln¥ní v kmito£tovém pásmu 10 kHz aº
300 GHz, které se ²í°í volným prostorem. Je z°ejmé, ºe sestavení frekven£ního plánu a jeho
ratikaci £lenskými zem¥mi p°edbíhají n¥kolikaletá p°ípravná jednání.
6.2.4 Rozd¥lení kmito£tových pásem podle délky vlny
Základní d¥lení rádiových vln podle jejich délky je dáno Radiokomunika£ním °ádem, eneva
1990 formou tabulky 6.1.
Zkratka
ELF
VLF
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF
EHF
Tabulka 6.1: Detailní rozd¥lení frekven£ních pásem
Anglický název
Extremely Low Frequency
Very Low Frequency
Low Frequency
Medium Frequency
High Frequency
Very High Frequency
Ultra High Frequency
Super High Frequency
Extremely High Frequency
eský název
Extrémn¥ dlouhé vlny
Velmi dlouhé vlny
Dlouhé vlny
St°ední vlny
Krátké vlny
Velmi krátké vlny
Ultra krátké vlny
Super krátké vlny
Extrémn¥ krátké vlny
Rozsah kmito£t· Délka vlny
3 mHz - 3 kHz
1000 - 100 km
3 kHz - 30 kHz
100 - 10 km
30 kHz - 300 kHz
10 - 1 km
300 kHz - 3 MHz
1 - 0,1 km
3 MHz - 30 MHz
100 - 10 m
30 MHz - 300 MHz
10 - 1 m
300 MHz - 3 GHz 100 - 10 cm
3 GHz - 30 GHz
10 - 1 cm
30 GHz - 300 GHz
10 - 1 mm
6.3 Radiokomunika£ní rovnice
Jednou ze základních a nejd·leºit¥j²ích rovnic v rádiové komunikaci je radiokomunika£ní rovnice. Dává do vzájemné souvislosti parametry vysíla£e, p°enosového prost°ení a p°ijíma£e.
Vysílací a p°ijímací strana je charakterizována vysílacím Pv výkonem, ziskem vysílací antény
Gv , p°ijímaným výkonem Pp a ziskem p°ijímací antény Gp . Vlastnosti prost°edí jsou v idealizovaném p°ípad¥ charakterizovány Aditivním bílým Gaussovským ²umem AWGN. Aditivní
bílý Gaussuv ²um AWGN (Additive White Gaussian Noise) je speciálním druhem ²umu. Má
nulovou st°ední hodnotu, ploché spektrum a jeho amplitudy jsou rozloºeny podle Gaussovy
k°ivky pravd¥podobnosti. [24, 25]
Pp = Gp + Gv + Pv − L0 − Lp − Lϕ [dB]
(6.1)
51
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
Kde Pp je p°íjmaný výkon [dB];
Pv je vysílací výkon [dB];
Gp je zisk p°ijímací antény [dB];
Gv je zisk vysílací antény [dB];
L0 jsou ztráty ve volném prost°edí [dB];
Lϕ jsou ztráty nep°esným zam¥°ením antén [dB];
Lm jsou modula£ní ztráty [dB];
λ je vlnová délka [m];
d je vzdálenost mezi vysíla£em a p°ijíma£em [m].
Nejvýznamn¥j²í ztrátovou sloºkou jsou ztráty L0 (Free
L0 = 20 log
4π d
λ
Space Loss ),
[dB]
viz. rovnice (6.2).
(6.2)
6.4 Pom¥r signál/²um a chybovost
umové vlastnosti analogových systém· se posuzují pomocí pom¥ru výkonu uºite£ného signálu proti výkonu ²umu. Pokud tento pom¥r vztáhneme k modulovanému signálu, mluvíme
o pom¥ru nosná ²um CNR (Carrier-to-Noise Ratio ), viz. rovnice (6.3). [24, 25]
CN R =
uºite£ného signálu
výkonová úrove¬ ²umu
výkonová úrove¬
(6.3)
Pokud se pohybujeme v základním pásmu, ozna£ujeme tento pom¥r jako signál ²um
Ratio ).
Pokud se p°esuneme do oblasti digitálních systém·, tak aktuálním parametrem, který nám
zejména charakterizuje kvalitu spoje, je pravd¥podobnost p°íchodu chybného bitu za jednotku
£asu. Z toho d·vodu nás zajímá pom¥r chybných bit· k sum¥ v²ech p°ijatých bit· - zna£íme
BER, viz. rovnice (6.4).
SNR (Signal-to-Noise
BER =
chybn¥ p°ijatých bit· za 1s
po£et v²ech p°ijatých bit· za 1s
po£et
(6.4)
6.5 Obecné schéma radiokomunika£ního °et¥zce
Jiº v roce 1948 formuloval Claude Elwood Shannon základy moderní rádiové komunikace.
P°estoºe od publikace jeho st¥ºejní práce Matematické základy komunikace uplynulo více
jak 50let, z·stávají její záv¥ry stále aktuální a vytvá°í základy digitální komunikace. Shannon
denoval základní schéma p°enosového °et¥zce, viz. obr. 6.5. [24, 25]
6.5.1 Vysílací £ást (Tx)
Na vstupu p°enosového °et¥zce je zdroj signálu (Source ), coº m·ºe být mikrofon,
snímací televizní elektronka, CCD sníma£ apod. Úkolem tohoto bloku je p°em¥na neelektrické veli£iny na elektrickou.
52
RF kanál
Tx
Rx
AWGN (interference...)
modulátor
modulátor
vf nosná vlna
demodulátor
demodulátor
kodér
kodérkanálu
kanálu
ochrana přenosu
dekodér
dekodérkanálu
kanálu
kodér
kodérzdroje
zdroje
komprese
A/D
zdroj
zdrojsignálu
signálu
dekomprese
D/A
přeměna zdroj. signálu
dekodér
dekodérzdroje
zdroje
koncový
koncovýstupeň
stupeň
Obrázek 6.5: Obecné schéma
rádiového
Shannonův
limit komunika£ního °et¥zce
Eb/N0 = -1,6 dB
fb Ekapacita
Maximální
dosažitelná
C0 rádiového
kanálu, při působení šumu AWGN: S
Eb
S
b
= B log zdroje
1+
= B(Source
log 1 + Coder B
1 + ηs ve kterém
bit/s
C = 3,32signálu
B log 1 +analogového
CKodér
) log
je blok,
se d¥je p°evod
N
BN
N
N
na digitální a zdrojové kódování. Základním úkolem je redukce surového bitového toku
(Bit Rate Reduction ) tzv. zdrojovým mapováním (Source Mapping ). Pom¥r vstupního
C0 - kapacita kanálu; B - šířka rádiového pásma; S - výkon signálu (užitečného); N - výkon šumu; fb - bitová rychlost signálu;
a výstupního
bitového toku se nazývá £initel komprese (Compression Factor ). Redukce
Eb - energie signálu na 1 bit; N
spektrální
hustotarádiového
šumu; s= fb/B
- spektrální účinnost přenosu
0 - výkonová
Různé
způsoby
ochrany
přenosu:
bitového
toku
je
°e²eno
potla£ením
nadbyte£né
(redundantní ) informace, která je
1) Ochranné kódování FEC (blokové kódy, konvoluční kódy, turbo kódy..); 2) Opakování přenosu ARQ (HARQ); 3) Ekvalizace (korekce frekvenčního
z v¥t²iny
akustických
£i grackých
zdroj·kanálů)
p°ená²ena
v plné
kvalit¥.
Jedná
o bezeztrázkreslení kanálu);
4) Diverzita
(vytvoření více nekorelovaných
přenosových
; 5) Prokládání
(přeskupení
bitů při
přenosuse
v kanálu)
tovou kompresi. Dále se uplat¬uje odstra¬ování irelevance, coº jsou nepodstatné bity
obsaºené v informaci (p°íjemce není schopen díky nedokonalosti lidského zraku a sluchu
toto odstran¥ní zaregistrovat). Irelevance p°edstavuje ztrátovou kompresy dat.
0
2
2
2
0
0
10
0
Kodér kanálu (Chanel Coder ) naopak p°idává kontrolovaný po£et redundantních zabezpe£ujících bit·. Ty slouºí k dal²ímu zabezpe£ení bezproblémového p°enosu informací
v p°enosovém kanálu s minimální chybovostí BER (Bit Error Ratio ). V kodéru dochází k zakódování signálu redundantními bity, v dekodéru pak k detekci a korekci chyb
vzniklých nejen v zaru²eném p°enosovém kanále, ale i na nedokonalosti vysílacích a p°ijímacích za°ízení (zesilova£e, antény atd.). Obecn¥ platí, ºe na vstupu kodéru máme
k informa£ních bit·, ke kterým se v kodéru p°idá m zabezpe£ujících bit·. Na výstupu
kodéru pak dostáváme n = k + m zakódovaných bit· respektive symbol·. Rychlost
kanálového kódování zna£íme Rc a je rovna pom¥ru k/n. Platí: 0 < Rc < 1. Pokud
je Rc = 1, pak se nejedná o kódovanou informaci. Zakódováním informa£ního bitového
toku vzroste i celková bitová rychlost signálu, £ímº se i zvý²í nároky na pot°ebnou ²í°ku
kanálu.
Digitalizovaný a kódovaný signál dále putuje do modulátoru, kde je namodulován na
nosnou vysokofrekven£ní/mikrovlnnou vlnu (zna£me RF Radio Frequency ). RF rozumíme v²echna pásma nad základním frekven£ním pásmem signálu. Proces modulace je
denován jako vzájemná interakce nosné vlny s modula£ním signálem, p°i které dochází
vlivem modula£ního signálu k ovlivn¥ní amplitudy, frekvence nebo fáze nosného signálu.
N¥kdy m·ºe dojít k sou£asnému ovlivn¥ní dvou veli£in (nap°. u modulace QAM je to
amplituda a fáze).
53
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
6.5.2 P°ijímací £ást (Rx)
V²echny bloky p°enosového °et¥zce na p°ijímací stran¥ v podstat¥ plní inverzní funkce k blok·m na stran¥ vysílací.
Vstupní blok p°ijímací £ásti tvo°í demodulátor. Ten p°evádí modulovaný signál z mikrovlnného pásma do pásma základního. Tento signál by se m¥l blíºit signálu vstupujícímu
na Tx stran¥ do modulátoru.
Dekodér kanálu odebere redundantní zabezpe£ující bity a provede rekonstrukci originálního bitového toku.
Zdrojový dekodér provede inverzní operace v·£i kodéru zdroje. Redundantní informace, která byla potla£ena ve zdrojovém kodéru, je predikovatelná a tím i pln¥ obnovitelná. Irelevance potla£ená na vysílací stran¥ je nevratn¥ ztracena, coº díky nedokonalosti lidského sluchu a zraku na výstupu zdrojového dekodéru v·bec nezaznamenáme.
Takto upravený signál m·ºeme p°ivést na koncové za°ízení (po pr·chodu D/A p°evodníkem nap°. na reproduktor) a tím dosáhnout p·vodní neelektrické veli£iny.
P·vodní Shannon·v p°enosový °et¥zec dostál v dob¥ digitalizovaných systém· jen nepatrných zm¥n. Týkají se p°edev²ím slou£ení funkcí kanálového kodéru a modulátoru (dekodéru
a demodulátoru) v jeden spole£ný blok. Tím se vytvo°í kódované modulace (Coded Modulation ) viz obr. 6.6.
rádiový kanál
Tx
šum AWGN (interference...)
Rx
modulátor
modulátor
&
kodér kanálu
demodulátor
demodulátor
&
dekodér kanálu
kodér
kodérzdroje
zdroje
dekodér
dekodérzdroje
zdroje
zdroj
zdrojsignálu
signálu
koncový
koncovýstupeň
stupeň
Obrázek 6.6: Upravený Shannon·v p°enosový °et¥zec princip kódových modulací
6.6 Komunika£ní kanál
Komunika£ní kanál (Communication Channel ) je prvek Shannonova komunika£ního °et¥zce,
který nejvíce ovliv¬uje kvalitu a následn¥ i zpracování p°ená²eného signálu. Základní vlastností
p°enosového kanálu je jeho [24, 25]:
linearita - platí zde principy superpozice, nevznikají zde harmonická a intermodula£ní
zkreslení,
reciprocita kanál vykazuje v obou sm¥rech stejné vlastnosti (výkonový p°enos, ²í°ku
pásma apod.).
54
6.7 Kapacita rádiového kanálu
Kaºdý reálný radiokomunika£ní systém obsahuje ur£ité procento ²umu a dal²ích ru²ivých
prvk·. Tím se podstatn¥ sniºuje teoretické maximum moºné p°enosové kapacity kanálu. Reáln¥ lze pak p°ená²et informace jen v omezené mí°e dané nejvy²²í dosaºitelnou p°enosovou
kapacitou C0 . V ideálním p°ípad¥ se v kanále vyskytuje pouze AWGN. C0 je denována
Shannon-Hartleyovým vztahem (6.5) jako maximální mnoºství informace (v bitech) p°enesených za 1s p°i nekone£n¥ malé chybovosti BER. [24, 25]
C0 = B log2 (1 +
S
) [bit/s; Hz, W, W]
N
(6.5)
Kde C0 je kapacita kanálu,
B je ²í°ka rádiového kanálu,
S je výkon uºite£ného signálu,
N je výkon ²umu,
Dbejme na zna£ení:
C/N (CNR) (Carrier/Noise ) vyskytuje se na vstupu p°ijíma£e (p°ed demodulátorem)
S/N (SNR) (Signal/Noise ) vyskytuje se aº za demodulátorem.
P°íklad:
Jaká je kapacita DVB-T kanálu s
B = 7, 5M Hz
pro
S/N = 20dB ?
20
S
6
10
C0 = B log2 1 +
= 49.9M bit/s
= 7.5 · 10 log2 1 + 10
N
M·ºeme tedy pro p°enos informací takovýmto kanálem zvolit rychlost
odpovídá cca
40%
20M bit/s
(to
kapacity p°enosového kanálu).
P°íklad:
Jaká je kapacita rozhlasového kanálu s
B = 150kHz
pro minimální
S/N = 40dB ?
40
S
C0 = B log2 1 +
= 150 · 103 log2 1 + 10 10 = 1.99M bit/s
N
6.8 P°ehled technologií vyuºívající rádiový kanál
Dal²í kapitoly jsou úvodem do základních rádiových p°ístupových technologií. Jejich p°ehled
je uveden v tab. 6.2. [27]
Detailní popis jednotlivých technologií je záleºitostí dal²ích odborných p°edm¥t· vyu£ovaných na Kated°e telekomunika£ní techniky, zejména Radiokomunika£ní technika I. a II.
a Rádiové sít¥ I. a II..
55
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
Tabulka 6.2: P°ehled bezdrátových technologií
standard
pásmo
p°enosová rychlost
IEEE 802.15.1 Bluetooth
2,4 GHz
1 Mb/s
Bluetooth 1.2
2,4 GHz
2-3 Mb/s
Bluetooth 2.0
2,4 GHz
cca 8 Mb/s
IEEE 802.15.4 Zigbee
868 MHz a 2,4 GHz
250 kb/s
HomeRF 2.0
2,4 GHz
10 Mb/s
IEEE 802.11 Wi-Fi
2,4 GHz
2 Mb/s
IEEE 802.11b (Wi-Fi)
2,4 GHz
11 Mb/s
IEEE 802.11g (Wi-Fi)
2,4 GHz
54 Mb/s
IEEE 802.11a (Wi-Fi)
5 GHz
54 Mb/s
IEEE 802.11n (Wi-Fi)
2,4 + 5 GHz
150 Mb/s
IEEE 802.11ac (Wi-Fi)
2,4 + 5 GHz
1 Gb/s
HiperLAN2
5 GHz (Evropa - ETSI)
54 Mb/s
IEEE 802.16 WiMAX
2 - 11 GHz; 10 - 66 GHz 40 Mb/s (1 Gb/s 802.16m)
6.9 Technologie WiFi IEEE 802.11
Technologie WiFi (Wireless Fidelity) pat°í do sítí WLAN (Wireless LAN). Frekven£ní pásma
2,4 a 5 GHz nelicencované pásmo ISM (Industrial, Scientic, Medicine).
Typy WLAN sítí, viz. obr.6.7:
Ad-hoc do£asné p°ímé propojení n¥kolika blízkých po£íta£·, pot°eba manuální kongurace.
Infrastruktura pouºití AP (Access Point) jako centrálnío prvku. Ten m·ºe rovn¥º
zprost°edkovat p°echod do pevné sít¥, nap°. funkci DHCP serveru a mechanizmy zabezpe£ení.
6.9.1 IEEE 802.11
P·vodní 802.11 má omezení rychlosti na 2 Mb/s.
Direct Sequence Spread Spectrum DSSS 802.11.
Vysílaná informace se matematicky rozprost°e do pásma 22 MHz s krokem 5 MHz.
6.9.2 IEEE 802.11b
High-Rate Direct Sequence.
ISM (Industrial Scientic and Medical) 2,4 GHz (2.400-2.4835 GHz).
Maximální rychlost na fyzické vrstv¥ je sice 11 Mbit/s, uºitná rychlost je niº²í, 30-40 %
teoretické kapacity tvo°í reºie. Testovaná uºivatelská rychlost se udává cca 6 Mbit/s.
56
Obrázek 6.7: Typy WLAN sítí
6.9.3 IEEE 802.11a, IEEE 802.11g
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) frekven£ní pásmo d¥leno na
mnoºství úzkých subkanál· s men²í bitovou rychlostí, do nich je d¥lena informace,
signál pomalej²ího subkanálu je robustn¥j²í.
Maximální p°enosová rychlost 54 Mb/s, skute£ná p°enosová rychlost se pohybuje do
30-36 Mb/s.
modulace 54 subnosných (4 pilotní)
pouºití 64QAM
Po£et kanál·:
802.11g 13 kanál· (3 nep°ekrývající se)
802.11a 18 kanál·, (8 nep°ekrývající se).
802.11 b/g mají dle TU max. povolený výkon 100 mW (20 dBm.)
802.11a spadají do t°í 100MHz pásem: 5,15-5,25, 5,25-5,35 (uvnit° budov max. EIRP
200mW), 5,470-5,725 a 5,725-5,875 GHz (max. EIRP 1W). Kaºdé z nich má jiný povolený
limit vysílaného výkonu. Kanál 126 a 127 jsou ur£eny pro meteoradary (5652 MHz a 5660
MHz), nesmí se nepouºívat.
6.9.4 IEEE 802.11n
Nejnov¥j²ím standardem je 802.11n, který vyuºívá techniky MIMO
Multiply Output).
(Multiply Input
57
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
Pouºitá modulace: OFDM
Maximální p°enosová rychlost 150 Mb/s (bitová rychlost 600 Mb/s)
í°ka kanálu: 40 MHz (2x 20 MHz).
6.9.5 IEEE 802.11ac
Standard IEEE 802.11ac je poslední vývojovou variantou, stále ve fázi vývoje (poslední je
Draft 4.0).
Vlastnosti:
²í°ka pásma n x 20 MHz (aº 80 MHz)
rezervace 20 MHz kanál· i jiných AP (i 802.11a,n) pomocí RTS/CTS
na stran¥ AP je vºdy zvolen primární 20 MHz kanál, kde se vysílá Beacon
adaptivní zm¥na ²í°ky pásma dle aktuální situace (ru²ení, ...)
²í°ka pásma n x 20 MHz (aº 80 MHz)
rezervace 20 MHz kanál· i jiných AP (i 802.11a,n) pomocí RTS/CTS
na stran¥ AP je vºdy zvolen primární 20 MHz kanál, kde se vysílá Beacon
adaptivní zm¥na ²í°ky pásma dle aktuální situace (ru²ení, ...)
Standard 802.11 d¥lí kaºdé z vý²e popsaných pásem do kanál· podobným zp·sobem, jako
jsou rozd¥leny pásma rozhlasového a televizního vysílání. Nap°íklad pásmo 2,4000-2,4835 GHz
je rozd¥leno do 13 kanál· vzájemn¥ posunutých o 5 MHz, p°i£emº kanál 1 pracuje na frekvenci
2,412 GHz a kanál 13 na frekvenci 2,472 GHz, viz. obr. 6.8. Japonsko p°idalo 14. kanál, který
je povolen pouze pro 802.11b, a je posunut o 12 MHz od kanálu 13.
Zvlá²tní pozornost je nutné v¥novat bezpe£nosti WiFi sítí. Ve standardech 802.11 jsou
denovány r·zné bezpe£nostní mechanizmy kódování a autoriza£ních metod (WEP, WPA,
WPA2. . . ). Více o bezpe£nosti bude zmín¥no v rámci kapitoly P°ístupové sít¥.
6.10 Technologie Bluetooth IEEE 802.15.1
Bluetooth je rádiová technologie spadající do kategorie tzv. PAN sítí (Personal Area Network).
Pouºívá se na propojení mezi dv¥ma a více elektronickými za°ízeními jako je nap°. po£íta£ a
mobilní telefon, PDA, hands-free souprava apod.
6.10.1 Základní vlastnosti Bluetooth
Pracovní kmito£et: 2,4 GHz (2402-2480 MHz)
P°enos na základ¥ metody FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - metoda p°enosu v rozprost°eném spektru. Princip spo£ívá v skákání mezi n¥kolika frekvencemi p°i
p°enosu bit·. B¥hem 1s se provede 1600 skok· mezi 79 frekvencemi s rozestupem 1 MHz.
Komunikace typu Bod-Bod i mnohabodová (pico-net sí´: jedna stanice master m·ºe
obslouºit aº 7 slave stanic, 10 sítí simultáln¥).
58
Obrázek 6.8: D¥lení kanál· v IEEE 802.11
Pouºitá modulace π 4-DPSK a 8DPSK
Za°ízení se d¥lí dle výkonnosti následujícím zp·sobem:
Class 1. - max. výkon 100mW (20dBm)- dosah 100 metr·
Class 2. - max. výkon 2,5mW (4dBm)- dosah 10 metr·
Class 3. - max. výkon 1mW (0dBm)- dosah 1 metr
P°enosové rychlosti standard·:
Bluetooth 1.2 - 1Mb/s
Bluetooth 2.0 + EDR - 3Mb/s
Bluetooth 3.0 + HS - 24Mb/s
Bluetooth 4.0 24Mb/s
Bezpe£nost zaji²t¥na autoriza£ním PIN kódem v p°ípad¥ tzv. párování za°ízení a frekven£ním skákáním dle unikátní pseudonáhodné sekvence.
6.11 Technologie Zigbee IEEE 802.15.4
Zigbee je dal²í z technologií sítí PAN (sít¥ malých vzdáleností cca do 75m). Primárním ú£elem
této technologie je nasazení v pr·myslu, léka°ství v rámci senzorových spoj·.
59
6
BEZDRÁTOVÉ SÍT
6.11.1 Základní vlastnosti Zigbee
Pracovní kmito£et: 868 MHz, 902928 MHz a 2,4 GHz.
P°enosová rychlost: 20, 40, 250 kbit/s.
Velmi nízká energetická náro£nost.
Dosah 10 - 50m.
Modulace O-QPSK (BPSK) a p°ená²ejí prost°ednictvím DSSS.
Sít¥ stromové (hv¥zdicové) topologie s centrálním koordinátorem nebo typu mesh (propojení v²ech klient· navzájem).
Základní zabezpe£ení pomocí metody AES (Advanced Encryption Standard).
6.12 Technologie WiMAX IEEE 802.16
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je pom¥rn¥ novou bezdrátovou
technologií, která má velké ambice nahradit stávající technologie 802.11. Ve verzi 802.16d-2004
je ozna£ován jako xní WiMAX, 802.16e-2005 pak jako mobilní WiMAX. Ve své podstat¥
p°edstavuje alternativu k broadbandovým kabelovým technologiím DSL (Digital Subscriber
Line).
6.12.1 Základní vlastnosti WiMAX
802.16 (2001) licencovaná pásma 10 aº 66 GHz, aº 134 Mbit/s, BPSK, QPSK
802.16d (2004) pásmo 2 aº 11 GHz; aº 75 Mbit/s, OFDMA
802.16e (2005) základ mobilního WiMAXu, licen£ní pásma 2 aº 6 GHz; aº 128 Mbit/s
p°i120 km/h
802.16m (2009), tzv. WIMAX 2.0, poslední vývojová varianta, pásma 0,45 aº 3,6 GHz,
aº 300 Mbit/s, pouºití MIMO, aº 64QAM
6.12.2 Verze IEEE 802.16m (WiMAX 2.0)
WiMAX 2.0 je moderní bezdrátová p°ístupová technologie, která se °adí do kategorie 4. generace rádiových mobilních p°ístupových sítí. Pro p°enos se vyuºívá pásem IMT-A a to 450
470 MHz, 698 960 MHz, 1710 2025 MHz, 2110 2200 MHz, 2300 2400 MHz, 2500 2690 MHz a 3400 3600 MHz.
²í°ka kanálu 5, 7, 8.75, 10 nebo 20 MHz
centrální prvek sít¥ je ABS (Advanced Base Station)
pouºívá se topologie Point to Multipoint
optimální vzdálenosti ABS-klient do 5 km, jinak degradace kvality
konektivita (teoreticky) funguje do 100 km
60
uspokojivá degradace do 120 km/h, konektivita zaru£ena do 350km/h
uplatn¥na technika více díl£ích pásem subnosných vln (multicarrier), celkem aº do ²í°ky
pásma 100MHz, jednotlivé subnosné nemusí mezi sebou sousedit
v p°ípad¥ 20 MHz kanálu p°es 1000 subnosných
p°enosové rychlosti: download do 300 Mbit/s / 20 MHz (MIMO 4x4), upload do 135
Mbit/s / 20 MHz (MIMO 2x4)
61
7
PÍSTUPOVÉ SÍT
7 P°ístupové sít¥
7.1 Úvod
P°ístupová sí´ je ta £ást komunika£ní sít¥, která bezprost°edn¥ spojí zákazníka s poskytovatelem sluºby (nap°. Internetu). P°ístupové sít¥ je ve své podstat¥ moºno budovat za pouºití
bezdrátové technologie, metalického symetrického i nesymetrického vedení £i optických vláken.
P°ístupové sít¥ lze snadno rozd¥lit do dvou samostatných skupin:
Point to Point
Telekomunika£ní spojení zaloºené na oboustranné komunikaci dvou za°ízení po jednom
nesdíleném komunika£ním médiu. Uºivatel tak získává vyhrazenou p°enosovou kapacitu
s garantovanými parametry, nebo´ p°enosová kapacita není sdílena dal²ími ú£astníky.
Tento model p°ístupové sít¥ je vhodné pouºít nap°íklad pro páte°ní bezdrátové sít¥,
metalické sít¥ typu Ethernet a optické sít¥.
Point to Multipoint
Telekomunika£ní spojení zaloºené na komunikaci jednoho centrálního prvku umíst¥ného
na stran¥ poskytovatele sluºeb a více neº jednoho za°ízení umíst¥ného na stran¥
koncového uºivatele. Tato komunikace probíhá po jednom sdíleném komunika£ním
médiu. Tento model p°ístupové sít¥ je vhodné pouºít nap°íklad pro bezdrátové sít¥,
metalické sít¥ typu CATV nebo xDSL, pop°. optické sít¥ typu PON (Passive Optical
Network).
Mezi p°ístupové sít¥ m·ºeme °adit:
ISDN p°ípojky - základní a primární p°ístup
irokopásmový p°ístup B-ISDN (ATM)
xDSL ADSL, VDSL
Sít¥ kabelové televize CATV (DOCSIS)
Energetické rozvody a systémy PLC
Optické sít¥ PON
Optické sm¥rové spoje
Mobilní p°ístup prost°ednictvím GSM, UMTS a LTE
Satelitní spoje a sít¥
7.2 Technologie xDSL
xDSL (Digital Subscriber Line) je digitální ú£astnická p°ípojka, kde písmeno x zastupuje
jednotlivé varianty (nap°. A, H, V a jiné.) P°ípojky xDSL vyuºívají stávající metalické
symetrické páry, které jsou instalovány v posledním úseku telekomunika£ní sít¥ - p°ístupové
62
sít¥. Tento úsek, mezi koncovým ú£astníkem a nejbliº²ím bodem poskytovatele p°ipojení se
ozna£uje jako tzv. poslední míle (Last Mile).
První verze doporu£ení ITU-T standardizující p°ípojku ADSL (Asymmetric DSL) byla
p°ijata v roce 1999. Od této doby do²lo k výrazným vylep²ením p·vodních standard·. P°ehled
v²ech xDSL standard· je uveden v tab. 7.1. [28, 29, 30, 22]
ozna£ení
Tabulka 7.1: P°ehled xDSL standard·
standard downlink uplink
[Mbit/s] [Mbit/s]
DSL (IDSL)
HDSL
SDSL
SHDSL 2
ADSL Lite
ADSL
ADSL2
ADSL2+
VDSL
VDSL2
není
G.991.1
není
G.991.2
G.992.2
G.992.1
G.992.3
G.992.5
G.993.1
G.993.2
0,128
2
do 2,3
aº 5,69
do 1,5
aº 8
aº 16
aº 25
aº 52
aº 100
0,128
2
do 2,3
aº 5,69
do 0,5
do 1
do 1
do 1
aº 6,4
aº 100
linkový kód
modulace
duplex
2B1Q
CAP 2B1Q
2B1Q
16-PAM 32-PAM
DMT
DMT
DMT
DMT
QAM DMT
DMT
EC
EC
EC
EC
FDD, EC
FDD, EC
FDD, EC
FDD, EC
FDD
FDD
dosah
[km]
cca 6
2 (1 pár)
2 aº 5
cca 2
cca 7
cca 8
cca 8
cca 3
0,3 aº 1,5
0,3 aº 5
7.2.1 ADSL
Z názvu p°ípojky ADSL vyplývá, ºe se jedná o asymetrickou digitální ú£astnickou p°ípojku.
Asymetri£nost (nikoliv asynchronnost) spo£ívá v odli²ných velikostech dosahovaných p°enosových rychlostí. Pro tyto skupiny uºivatel· je práv¥ charakteristické, ºe objem p°ená²ených dat
sm¥rem od poskytovatele p°ipojení ke koncovému uºivateli (sestupný sm¥r - downstream) je
podstatn¥ vy²²í neº objem p°ená²ených dat ve sm¥ru opa£ném (vzestupný sm¥r upstream).
P°ípojka ADSL musí být schopna pracovat sou£asn¥ s dal²í sluºbou na jednom symetrickém
páru vedení. Vzájemná koexistence analogové telefonní p°ípojky a ADSL je umoºn¥na díky
odd¥lení jejich frekven£ních pásem. Pro analogový hovorový kanál se vyuºívá pásmo od 300
Hz do 3400 Hz, p°ípojku ADSL je tak moºné provozovat na stejném symetrickém
vedení ve vy²²ích kmito£tových pásmech.
Odd¥lení kmito£tových pásem telefonní sluºby a p°ípojky ADSL umoº¬uje ltr, tzv. splitter. Splitter obsahuje ltr typu dolní propust pro vyd¥lení telefonního kanálu a ltr typu horní
propust pro pásmo ADSL. Na stran¥ zákazníka je nutno mít splitter a za ním tzv. ADSL modem, který zaji²úje vysokorychlostni p°enos dat, viz. obr. 7.1 a obr. 7.2.
Vysokorychlostní p°enos digitálních signál· ADSL zaji²újí ADSL modemy. Modem
ATUR (ADSL Termination Unit Remote) je umíst¥n na stran¥ ú£astníka a ATUC
(ADSL Termination Unit Central Oce) na stran¥ poskytovatele. Modem na stran¥ poskytovatele je nej£ast¥ji sou£ástí ú£astnického multiplexoru DSLAM (DSL Access Multiplexor),
který soust°e¤uje digitální toky od v²ech p°ípojek v dané lokalit¥. Architektura systému ADSL
je znázorn¥na na obr. 7.3 Na obr. 7.4 je znázorn¥no schéma zapojení ADSL p°ípojky.
Pro vytvo°ení dvou nezávislých kanál· se v modemech ADSL pouºívá frekven£ní d¥lení
FDD (Frequency Division Duplex). Dop°edný kanál sm¥rem od ú£astníka k DSLAM (uplink)
je obvykle umíst¥n p°ímo nad hovorovým pásmem POTS (Plain Old Telephone Service).
63
7
PÍSTUPOVÉ SÍT
Obrázek 7.1: Splitter pro systém ADSL
Obrázek 7.2: P°íklad modemu pro systém ADSL
Obrázek 7.3: Architektura systému ADSL
64
Obrázek 7.4: Schéma zapojení ADSL p°ípojky
Zp¥tný kanál (downlink) s velkou p°enosovou rychlostí se nachází v pásmu vy²²ích kmito£t·.
Celkový pracovní rozsah kmito£t· pro ADSL je obvykle limitován do 1,1 MHz. Princip je
nazna£en na obr. 7.5.
....
DOW NSTREAM
1 3 8 -1 1 0 0 k H z
....
f
0 -4 k H z
POTS
UPSTREAM
2 6 -1 3 8 kH z
Obrázek 7.5: Princip frekven£ního d¥lení pro ADSL
7.2.2 ADSL2
P°ínosem ADSL2 je zejména zavedení exibilní struktury rámce bez pevné délky. B¥hem
p°enosu je moºno adaptivn¥ p°izp·sobovat p°enosovou rychlost podle ²umových pom¥r· a
m¥nit i vysílací výkon. Dostupná p°enosová rychlost pro uºivatele se zvý²ila na 12 Mb/s.
7.2.3 ADSL2+
P°ípojka typu ADSL2+ p°iná²í dal²í navý²ení p°enosové rychlosti sm¥rem k ú£astníkovi díky
roz²í°ení pásma aº do 2,208 MHz, viz.: obr. 7.6.
65
7
PÍSTUPOVÉ SÍT
DOW NSTREAM
ADSL2+
1 3 8 -2 2 0 8 k H z
....
ADSL, ADSL2
1 3 8 -1 1 0 0 kH z
....
....
f
0 -4 k H z
POTS
UPSTREAM
2 6 -1 3 8 kH z
Obrázek 7.6: Princip frekven£ního d¥lení pro ADSL
Maximální dosaºitelná p°enosová rychlost pro downlink je 24Mbit/s a pro uplink. Tyto
teoretické rychlosti je v²ak moºné dosáhnout jen p°i krat²ím ú£astnickém vedení (malá vzdálenost mezi ú£astníkem a DSLAM). Maximální p°enosová rychlost s nar·stající délkou ú£astnického vedení klesá a p°i délce vy²²í neº 3 km dosahují v²echny varianty ADSL (tedy první
generace, ADSL2 a pop°. ADSL2+) zhruba stejné maximální p°enosové rychlosti.
7.2.4 VDSL
VDSL
(Very High Speed DSL) vychází ze stejné lozoe jako ADSL, a sice z koexistence s
POTS, £emuº odpovídá stejná architektura uvedená na obr. 7.3. Vy²²ích p°enosových rychlostí
se dosahuje podstatným roz²í°ením kmito£tového pásma (aº do 12 MHz), ov²em za cenu
niº²ího dosahu. Teoretická p°enosová rychlost dosahuje aº 52 Mb/s pro downstream a 6,2
Mb/s pro upstream p°i maximální délce vedení 300 m.
7.2.5 VDSL2
VDSL2 poskytuje nejvy²²í p°enosové rychlosti ze v²ech sou£asných systém· xDSL. Vy²²ích
p°enosových rychlostí se zde dosahuje reálným roz²í°ením kmito£tového pásma aº do 30 MHz.
Teoretické p°enosové rychlosti pro pásmo 30 MHz mohou být aº 200 Mbit/s pro vzdálenosti
pár desítek aº stovek metr· a p°i nasazení jediné technologie v kabelu. Tab. 7.2 zobrazuje
maximální pouºitou ²í°ku pásma pro v²echny uvedené technologie.
Tabulka 7.2: Pouºitá ²í°ka pásma pro technologie xDSL
Typ p°ípojky ADSL ADSL2 ADSL2+ VDSL VDSL2
í°ka pásma
1,1
1,1
2,2
12
30
66
7.3 P°ístupové sít¥ po kabelovém koaxiálním vedení
Protokol DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specication) je hlavním p°edstavitelem v oblasti p°ístupových sítí pouºívaný v úseku tzv. last-mile. DOCSIS specikuje pravidla
pro p°enos dat p°es stávající kabelové koaxiální rozvody ur£ené p·vodn¥ jen pro kabelovou televizi (CATV). V míst¥ poskytovatele musí být pro realizaci datových p°enos· umíst¥n
tzv. CMTS (Cable Modem Termination System). Hlavním úkolem CMTS je modulace signálu
ze vstupního rozhraní Ethernet na koaxiální kabel a naopak. Na stran¥ ú£astníka je CATV
p°ípojka zpravidla rozbo£ena, jeden výstup je p°ipojen k TV, druhý výstup je p°ipojen na
DOCSIS modem, viz. 7.7.
Na fyzické vrstv¥ je pouºit frekven£ní duplex (FDD), kde je namísto n¥kterých standardních TV kanál· nasazen DOCSIS. Pouºívá se frekven£ní pásmo 5 - 42 MHz pro upstream
a 91-857 MHz pro downstream. V Evrop¥ se pouºívá standard EuroDOCSIS, v n¥mº jsou
p°izp·sobeny ²írky kanál· pro Evropské normy. EuroDOCSIS veze 3.0 umoº¬uje aº 300 Mb/s
ve sm¥ru downstream. [31]
Obrázek 7.7: P°íklad modemu pro DOCSIS
7.4 Pasivní optické p°ístupové sít¥
V souvislosti s velkou evolucí p°ístupových sítí se v sou£asné dob¥ stále £ast¥ji diskutují
optické p°ístupové p°ípojky ozna£ované jako FTTx (Fibre to the X). Optická £ást p°ípojek
je zaloºena na n¥které z variant pasivních optických p°ístupových sítí PON Passive Optical
Network, nej£ast¥ji na variant¥ GPON (Gigabit Passive Optical Network), EPON (Ethernet
Passive Optical Network) £i nov¥ (D)WDM-PON (Dense Wavelength Division Multiplexed
Passive Optical Networks). Optické sít¥ nabízejí dostate£né p°enosové rychlosti a pot°ebné
p°eklenutelné vzdálenosti v kombinaci s dal²ími výhodami plynoucími z pouºití optických
vláken. [32, 33, 30, 22]
7.4.1 GPON a EPON
GPON (Gigabit Passive Optical Network) £i EPON (Ethernet Passive Optical Network) nabízejí podobné p°enosové vlastnosti, jsou v²ak vzájemn¥ nekompatibilní. Základní koncepce
67
7
PÍSTUPOVÉ SÍT
vychází ze stejného modelu a rovn¥º z pouºití obdobných prvk· a princip·. Hlavní charakteristiky GPON jsou shodné i pro variantu EPON.
Základní prvky pasivní optické jsou, viz. obr. 7.8:
Optická distribu£ní sí´ ODN
Pat°í sem zejména optická vlákna, pasivní optické rozbo£ova£e (splitter), vlnové ltry,
konektory a jiné pasivní prvky. Typická topologie distribu£ní sít¥ je rozv¥tvená stromová
struktura.
Optické linkové zakon£ení OLT
Je optické za°ízení zakon£ující optickou distribu£ní sí´ na stran¥ poskytovatele p°ipojení.
Optická síóvá jednotka ONU
Koncové za°ízení na zákaznické stran¥ optické sít¥.
Obrázek 7.8: Struktura pasivní optické p°ístupové sít¥
7.4.2 WDM-PON
Sou£asné optické p°ístupové sít¥, zejména GPON a EPON, jsou jiº postupn¥ instalovány pro
praktické aplikace a v n¥kterých m¥stech je budována i optická infrastruktura. V pasivních
optických p°ístupových sítích jsou pouºity pro realizaci optické trasy pouze pasivní prvky,
zejména pasivní optické rozbo£ova£e. Uvedené typy optických sítí vyuºívají pro sdílený p°ístup
v¥t²ího po£tu p°ipojených uºivatel· £asového d¥lení TDMA (Time Division Multiple Access).
ist¥ pasivní optické sít¥ zaloºené na £asovém d¥lení TDMA se jiº postupn¥ blíºí z pohledu
p°enosových parametr· k pomyslné výkonnostní hranici.
Dal²í generace optických p°ístupových sítí budou perspektivn¥ vyuºívat p°enos pomocí
vlnového multiplexování WDM (Wavelength Division Multiplex), pop°. DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing, tedy umíst¥ní v¥t²ího mnoºství odd¥lených vlnových délek do
spole£ného vlákna. Tyto sít¥ se ozna£ují jako WDM-PON.
Technologie vlnového d¥lení WDM umoº¬uje paraleln¥ p°ená²et po jednom optickém
vlákn¥ n¥kolik navzájem odd¥lených vlnových délek a tím znásobit jeho celkovou kapacitu.
Pro pot°eby sou£asných aplikací optických p°ístupových sítí nap°. p°ípojek typu FTTx kombinované s VDSL2, £i p°ipojení p°ístupových bod· bezdrátových sítí typu IEEE 802.11n,
je pot°eba adekvátn¥ navy²ovat p°enosové parametry optických sítí. Tato £ást sít¥ se také
ozna£uje jako backhaul. Na obr. 7.9 je znázorn¥no moºné vyuºití WDM-PON pro backhaul.
68
Obrázek 7.9: Vyuºití WDM-PON pro
backhaul
7.4.3 FTTX
V souvislosti s optickými p°ístupovými sít¥mi existují varianty p°ípojek ozna£ovaných jako
FTTx (Fiber to the x), které specikují bod, ve kterém bude ukon£ena optická sí´ a odkud
jiº bude pokra£ovat navazující metalická varianta k zákazníkovi, viz. obr. 7.10.
Typy p°ípojek:
FTTN (Fibre to the Node)
vlákno je zakon£eno ve sk°íni (uzlu), umíst¥né aº n¥kolik kilometr· od objektu zákazníka
FTTC (Fibre to the Curb)
p°ivád¥jí optická vlákna k ú£astnickému rozvad¥£i, k n¥muº jsou koncové body sít¥
p°ipojeny metalickými kabely
FTTB (Fibre to the Building)
p°ivád¥jí optická vlákna aº do budov ú£astník·, kte°í jsou p°ipojování pomocí vnit°ních
ú£astnických rozvod·
FTTO (Fibre to the Oce)
optická vlákna zavedena do prostor d·leºitých zákazník· s velkými nároky na p°enosovou
kapacitu
FTTH (Fibre to the Home)
optická vlákna zavedena aº ke koncovým bod·m sít¥, tj. aº na ú£astnické zásuvky
Telekomunika£ní optická vlákna, která se v sítích FTTx pouºívají, mají ²í°ku pásma n¥kolik desítek Terabit·/s. P°edstavuje to více neº 10 000 x v¥t²í p°enosovou kapacitu neº má
metalická p°ípojka 1 Gbit/s. Optické vlákno poloºené v p°ístupové síti p°edstavuje skute£n¥
²irokopásmové médium s dostate£nou rezervou kapacity do budoucna.
Kapacita jednoho vlákna je sou£asnosti natolik posta£ující, ºe je moºné p°ipojovat více
domácností a ú£astník· na jedno vlákno. Vlákno od p°ípojného bodu sít¥ se postupn¥ v¥tví
69
7
PÍSTUPOVÉ SÍT
Obrázek 7.10: Typy p°ípojek
FTTx
odbo£uje k jednotlivým ú£astník·m. Vznikají tak sít¥ bod-multibod (point to multipoint,
P2MP).
7.5 Budoucí trendy v p°ístupových sítích
Metalická p°ístupová sí´ není v sou£asnosti v podstat¥ rozvíjena, pouze jsou budovány jednotlivé p°ípojky £i v omezené mí°e obnovovány £ásti sít¥ tam, kde je to nutné. Vyuºití této sít¥
pro ²irokopásmové sluºby je omezené fyzikálními parametry m¥d¥ných kabel·. Technologie na
bázi xDSL (SDSL, ADSL, VDSL) v maximální mí°e vyuºívají moºností této infrastruktury.
V sou£asnosti lze poskytovat na ADSL aº 24 Mbit/s, na VDSL je moºné poskytovat aº cca 50
Mbit/s, VDSL2 aº 200 Mb/s, ov²em pouze na vzdálenost n¥kolika desítek, maximáln¥ stovek
metr·.
Rostoucí komunika£ní pot°eby zákazník· proto musí být uspokojeny s vyuºitím optické
p°ístupové sít¥. Nad vybudovanou optickou infrastrukturou pak lze provozovat r·zné p°ístupové technologie.
Budoucí rozvoj p°ístupových sítí lze jednodu²e shrnout do n¥kolika bod·:

sniºování po£tu telefonních a ISDN p°ípojek,
p°echod na xDSL,
rozvoj mobilních sítí 4. generace,
rozvoj WLAN (IEEE 802.11n, MIMO),
p°ibliºování k teoretické informa£ní propustnosti (modulace, korekce, kódování, zabezpe£ení, prokládání),
rozvoj optických sítí,
stálý pokles významu ATM, rozvoj Ethernetu (1 Gb/s, 10 Gb/s),
70
rozvoj multimédií (kombinace audio/data/video Triple Play),
velký rozvoj metropolitních optických sítí.
71
8
POÍTAOVÉ SÍT
8 Po£íta£ové sít¥
8.1 Historie
Stávající analogová telefonní sí´ nebyla vhodným prost°edkem pro p°enos dat mezi po£íta£i,
nebo´ byla navrºena pro poskytování hovorových sluºeb a bylo t°eba navrhnout nové °e²ení.
První architekturou byl systém typu sálový po£íta£ sada terminál· pro sdílení výpo£etní
kapacity drahého sálového po£íta£e. P°enos dat mezi po£íta£i se uskute£¬oval prost°ednictvím fyzického p°enosu d¥rných ²títk· a pozd¥ji magnetických disk·. Koncem ²edesátých let
vznikají první po£íta£ové sít¥ (Arpanet, 1969 základ budoucí celosv¥tové sít¥ Internet). S
rozvojem technologií v mikroelektrotechnice se po£íta£e staly mnohem dostupn¥j²í ²ir²í ve°ejnosti. Objevily se první mikropo£íta£e (ZX Spectrum, Atari, Sharp, Commodore, aj.), které
v²ak stejn¥ jako sálové po£íta£e byly izolovanými výpo£etními jednotkami. Data se uchovávala a p°ená²ela na magnetických kazetách a pozd¥ji na disketách. Po£átkem sedmdesátých let
byl navrºen paketový zp·sob komunikace, zp·sob propojení segment· sít¥ pomocí sm¥rova£·,
vzdálený p°ístup Telnet a protokol FTP. V polovin¥ 70. let byl specikován protokol TCP a
byla navrºena architektura sít¥ Ethernet. V druhé polovin¥ 70. let vznikla elektronická po²ta
e-mail. Po£átkem 80. let byla naimplementována protokolová sada TCP/IP do sít¥ Arpanet
a do opera£ního systému BSD Unix. Rozvojem sít¥ Arpanet a dal²ích síóvých technologií
vzniká základ Internetu.
V 80. letech se postupn¥ rozvíjí Internet, vznikají první poskytovatelé p°ístupu k Internetu prost°ednictvím telefonní sít¥ (dial-up p°ístup) a nových sluºeb (NNTP Network News
Transport Protocol, IRC Internet Relay Chat, apod.).
Na po£átku 90. let kon£í sí´ Arpanet a nastává obrovský rozvoj Internetu, p°edev²ím díky
vzniku a bou°livému rozvoji sít¥ www (World Wide Web propojení informa£ních zdroj·
pomocí hypertextových odkaz·). Internet se stává dal²í oblastí pro obchod poskytování
komunika£ních sluºeb, zve°ejn¥ní nabídek výrobk· a sluºeb rem apod.
Po£íta£ová sí´ je souhrnné ozna£ení pro technické prost°edky, které realizují spojení a vým¥nu informací mezi po£íta£i. Umoº¬ují tedy uºivatel·m komunikaci podle ur£itých pravidel,
za ú£elem sdílení vyuºívání spole£ných zdroj· nebo vým¥ny zpráv. [34, 35]
8.2 Typy po£íta£ových sítí
Po£íta£ové sít¥ se nej£ast¥ji rozli²ují na [34, 35, 36]:
LAN (Local Area Network)
Ozna£ení pro tzv. lokální po£íta£ovou sí´, která pokrývá malé geogracké území (nap°.
domácnosti, malé rmy). Cílem LAN je propojit mezi sebou po£íta£e (a jiné komunika£ní za°ízení jako nap°. sm¥rova£e) v rámci jedné nebo n¥kolika budov tak, aby mohly
vzájemn¥ mezi sebou komunikovat. P°i pouºití optických rozvod· muºe LAN pokrývat
území i n¥kolika kilometr·. P°enosové rychlosti jsou vysoké, °ádov¥ Gb/s. Nejroz²í°en¥j²ími technologiemi v dne²ních LAN sítích jsou Ethernet, v minulosti byly pouºívány
nap°. ARCNET a Token Ring.
MAN (Metropolitan Area Network)
Metropolitní sít¥ s vysokou p°enosovou rychlostí (°ádov¥ Gb/s) a s dosahem °ádov¥
desítky kilometr·. Tyto metropolitní sít¥ jsou ve vlastnictví síóvých operátor· s nep°etrºitým provozem síóvých uzl·.
72
WAN (Wide Area Network)
Dnes b¥ºn¥ vysokorychlostní optické páte°ní sít¥ s dosahem °ádov¥ stovky aº tisíce kilometr·. P°enosové rychlosti jednotky aº desítky Gb/s. Tyto sít¥ jsou ve vlastnictví
jednoho i více síóvých operátor·, s nep°etrºitým provozem síóvých uzl·.
Moºné geogracké rozd¥lení mezi LAN, MAN a WAN je uvedeno na obr. 8.1
Obrázek 8.1: P°íklad geograckého rozd¥lení LAN, MAN a WAN
8.3 Topologie LAN
8.3.1 Topologie sb¥rnice
Pouºívá se spole£né p°enosové metalické médium - koaxiální kabel, na který jsou napojeny
v²echny stanice, viz. obr. 8.2. Koaxiální kabel musí být na obou koncích ukon£en zakon£ovacími
£leny tzv. terminátory s charakteristickou impedancí rovnou impedanci kabelu (v¥t²inou 50
Ω) [34, 35, 36].
T e rm in á to r
T e rm in á to r
T s p o jka
T s p o jk a
T s p o jk a
T sp o jka
T s p o jk a
Obrázek 8.2: Topologie sb¥rnice
P·vodní rozvod by provád¥n tzv. tlustým koaxiálním kabelem ozna£ovaným jako 10Base5.
Koaxiální kabel, který mohl být dlouhý maximáln¥ 500 metr·, tvo°il jeden segment lokální
sít¥. 10Base5 vyjad°uje, ºe se jedná o sí´ pouºívající p°enosovou frekvenci 10 MHz.
Topologie sbernice se masov¥ roz²í°ila aº na tzv. tenkém koaxiálním kabelu, ozna£ovaná
jako 10Base2, kde segment m·ºe být tvo°en maximální délkou 185 metr·.
Výhody:
jednoduchost,
malé zpoºd¥ní signálu.
Nevýhody:
73
8
POÍTAOVÉ SÍT
p°íjem v²emi stanicemi,
nutnost nasazení p°ístupového algoritmu ke spole£nému kanálu,
komunikace stanic neodd¥litelná - malá bezpe£nost z d·vodu sdílení spole£ného média,
malá odolnost proti výpadk·m média.
8.3.2 Topologie hv¥zda
Ve hv¥zdicové topologii se pouºívá centrální prvek, viz.: obr. 8.3. Signál ze stanice vºdy
putuje p°es tento prvek k ostatním prvk·m.
Obrázek 8.3: Topologie hv¥zda
Výhody:
odolné proti výpadku stanic,
levná realizace díky jednomu centrálnímu prvku,
spoje bod-bod se mechanicky snadno realizují,
výhodné i pro pouºití optických spoj·.
Nevýhody:
citlivé na výpadek rozbo£ova£e.
8.3.3 Topologie kruh
Jednotlivé stanice jsou spolu propojeny tak, aby vytvá°ely souvislý kruh, viz. obr. 8.4. Zprávy
jsou pak v této síti p°edávány postupn¥ od stanice ke stanici. Neexistují ºádné zakon£ené
konce.
Výhody:
jednoduchá koncepce p°edávání zpráv mezi stanicemi,
moºnost ov¥°ování neporu²enosti zprávy p°i ob¥hu celým kruhem.
Nevýhody:
p°i poru²e rozvod· je nefunk£ní celá sí´, je nutné p°emosóvat vypnuté £i odpojené
stanice,
zpráva putuje p°es jednotlivé stanice - malá bezpe£nost.
74
Obrázek 8.4: Topologie kruh
8.4 P°enosová média
8.4.1 Koaxiální kabel
Dlouhodobý úsp¥ch Ethernetu by nebyl moºný bez neustálého vývoje, jehoº klí£ovými body
byl p°echod od pouºívání koaxiálního kabelu na kroucenou dvoulinku a optické kabely a neustálé zvy²ování p°enosové rychlosti. Z tohoto d·vodu je koaxiální kabel dnes pouºíván záasdn¥
v oblasti rádiové techniky a TV techniky [34, 35, 36].
V dob¥ vyuºití koaxiálního kabelu byly typy d¥leny na dv¥ varianty:
tenký koaxiální kabel
pr·m¥r kabelu je 6 mm, standard
10Base2,
tlustý koaxiální kabel
pr·m¥r kabelu je 13 mm palc·, standard
viz. obr. 8.5
10Base5,
viz. obr. 8.5
Obrázek 8.5: Koaxiální kabel pro poºití v po£íta£ových sítích 10Base5 (vlevo) a 10Base2
(vpravo)
Mezi hlavní vlastnosti pat°í:
Nízké po°izovací náklady,
odolné v·£i elektromagnetickému ru²ení,
snadné p°ipojení dal²í stanice p°es konektor typu T, segment musí být ukon£en zakon£ovacím odporem, viz. obr. 8.6
75
8
POÍTAOVÉ SÍT
Obrázek 8.6: Zleva: T-konektor (z jedné strany s ukon£ovacím odporem), BNC konektor a
spojka, zakon£ovací odpor
8.4.2 Kroucená dvojlinka (twisted pair)
Kroucená dvojlinka (twisted pair) je tvo°ena páry vodi£·, jejichº dv¥ ºíly jsou po své délce
pravidelným zp·sobem zkrouceny a následn¥ jsou do sebe zakrouceny i samy výsledné páry.
Kroucená dvojlinka pat°í mezi tzv. symetrická vedení, viz. obr. 8.7. Pro propojení za°ízení
pomocí kroucené dvojlinky se pouºívá konektor typu RJ45, který se na kabel nalisuje pomocí
tzv. krimpovacích kle²tí, viz. obr. 8.8
D·vod zkroucení vychází z principu elektromagnetické indukce. Kroucením se minimalizují
takzvané p°eslechy (crosstalk) mezi ºílami a páry. Existují r·zné kategorie kabel· (Cat3 Cat7), které denují maximální pouºitelnou ²í°ku pásma.
Obrázek 8.7: Kroucená dvojlinka pro pouºití v po£íta£ových sítích
Obrázek 8.8: Konektor RJ45
8.4.3 Optické vlákno
Optická vlákna jsou ²iroce vyuºívána v komunikacích, kde umoº¬ují p°enos na del²í vzdálenosti
a p°i vy²²ích p°enosových rychlostech dat neº jiné formy komunikace. Vlákna se pouºívají místo
kovových vodi£·, protoºe signály jsou p°ená²eny s men²í ztrátou a zárove¬ jsou vlákna imunní
v·£i elektromagnetickému ru²ení.
Fyzikální principy p°enosu sv¥telného paprsku v optickém vlákn¥ jsou uvedeny v rámci
kap. 5, proto se zam¥°íme pouze na jeho aplikaci v po£íta£ových sítích. Zde má optické vlákno
zastoupení pro tzv. gigabitové technologie, nap°. gigabit Ethernet. Pro propojování se vyuºívá
r·zných typ· konektor·, nap°. SC, ST nebo FC, viz. obr. 8.9.
76
Obrázek 8.9: Optická vlákno s r·znými typy optických konektor·
8.4.4 Bezdrátové vedení
Bezdrátové vedení (sí´) je typ po£íta£ové sít¥, ve které je spojení mezi jednotlivými ú£astníky sít¥ uskute£¬ováno pomocí bezdrátové komunikace, nej£ast¥ji elektromagnetických vln,
viz. obr. 8.10. Tato implementace se nachází na fyzické vrstv¥ síóvé struktury. Nejb¥ºn¥j²ím
p°edstavitelem takovéto sít¥ je technologie WLAN a standard IEEE 802.11.
Obrázek 8.10: P°íklad bezdrátové sít¥
8.5 Propojovací prvky
Propojovací prvky v síti m·ºeme rozd¥lit na dv¥ hlavní skupiny, a to na pasivní a aktivní
propojovací prvky. Pasivní prvky aktivn¥ neovliv¬ují p°enos v síti a jsou to konektory, zásuvky
a kabely. Aktivní prvky se aktivn¥ podílejí na p°enosu dat a slouºí k vzájemnému propojení
po£íta£· v po£íta£ové síti [34, 35, 36, 37].
Rozbo£ova£ (hub)
Je to prvek pracující na fyzické úrovni a jeho hlavním úkolem je obnova (regenerace)
p°ijatého signálu. Signál p°ijatý na jednom portu je regenerován a odeslán na v²echny
ostatní porty.
P°epína£ (switch)
Je to prvek pracující na linkové úrovni. Jeho hlavní funkcí je p°epínání rámc· na
základ¥ informací uloºených v p°epínací tabulce, která obsahuje vazbu mezi hardwarovou
(fyzickou - MAC) adresou a odpovídajícím portem, kam je stanice p°ipojena. Dnes se
b¥ºn¥ pouºívají rychlosti 100 Mb/s - 10 Gb/s.
77
8
POÍTAOVÉ SÍT
Sm¥rova£ (router)
Je to prvek zahrnující vrstvu fyzickou, linkovou a síóvou. Jeho hlavním úkolem je sm¥rování paket· jednotlivými sít¥mi leºícími na cest¥ mezi zdrojovou a cílovou sítí. Prvek
pracuje podle ur£itého sm¥rovacího mechanizmu, tzv. sm¥rovacího protokolu.
P°íklad jednotlivých prvk· je uveden na obr. 8.11
Obrázek 8.11: P°íklad aktivních prvk·, zleva: hub, switch, router
8.6 Ethernet
Sí´ Ethernet je nejpouºívan¥j²í typ lokálních po£íta£ových sítí. Vznikl v roce 1973 ve výzkumném ústavu PARC (Palo Alto Research Center) spole£nosti Xerox s po£áte£ní p°enosovou
rychlostí 2,94 Mb/s. Dnes se odhaduje, ºe více neº 80 % sítí LAN je vybudováno na tomto typu
sít¥. V sou£asnosti se v²ak Ethernet (ve verzi gigabitového a desetigigabitového Ethernetu)
uplat¬uje i na poli metropolitních sítí. Je standardizován skupinou standard· IEEE 802.3.
V sou£asné dob¥ se pouºívá zejména verze Ethernetu, která pracuje s kroucenou dvojlinkou
a p°enosovou rychlostí 100 Mb/s nebo 1000 Mb/s. Ethernet a jeho síóvá rozhraní (resp. síóvé
karty) pracují pouze s tak zvanými ethernetovými rámci. B¥ºné síóvé protokoly (nap°. dnes
nejroz²í°en¥j²í rodina protokol· TCP/IP) jsou p°ená²eny v datové £ásti ethernetových rámc·
[34, 35, 36].
8.6.1 Typy
10Base5
p·vodní Ethernet na koaxiálním kabelu a rychlosti 10 Mbit/s.
10Base2
Ethernet na tenkém koaxiálním kabelu a rychlosti 10 Mbit/s.
10Base-T
jako p°enosové médium pouºívá kroucenou dvojlinku s rychlostí 10 Mbit/s.
10Base-F
varianta s optickými vlákny o rychlosti 10 Mbit/s.
100Base-TX
Fast Ethernet, p°enosová rychlost maximáln¥ 100 Mb/s, pouºívá UTP nebo STP kabel
kategorie 5.
100Base-FX
Fast Ethernet pouºívající dv¥ optická vlákna.
1000Base-T
Gigabit Ethernet s rychlostí 1000 Mbit/s, vyuºívá 4 páry UTP kabeláºe kategorie 5e, je
denován do vzdálenosti 100 metr·.
78
1000Base-SX
Gigabit Ethernet pouºívající mnohavidové optické vlákno. Je ur£en pro páte°ní sít¥ do
vzdáleností n¥kolik set metr·.
1000Base-LX
Gigabit Ethernet pouºívající jednovidové optické vlákno. Je ur£en pro v¥t²í vzdáleností
aº n¥kolika desítek kilometr·.
10GBase-T
Ethernet s rychlostí 10 Gbit/s, nazývaný Ten Gigabit Ethernet, do vzdálenosti 55 metr·
lze vyuºít kabeláº kategorie 6.
40GBase
(KR4,CR4,SR4,LR4) Ethernet s rychlostí aº 40 Gb/s, r·zné varianty copper, SMF,
MMF, standard IEEE P802.3ba - ratikován v £ervnu 2010.
100GBase
(CR10,SR10,LR4,ER4) Ethernet s rychlostí aº 100 Gb/s, r·zné varianty copper, SMF,
MMF, standard IEEE P802.3ba - ratikován v £ervnu 2010.
400 Gb/s Ethernet
ve fázi vývoje, p°edpoklad nasazení v roce 2017
1 Tb/s Ethernet
(Terabit Ethernet) ve vývoji, fyzikální omezení, p°edpoklad nasazení v r. 2020.
8.7 Protokol TCP/IP
Celosv¥tová sí´ Internet je v sou£asnosti zaloºena protokolové sad¥ TCP/IP (Transmission
Síóvá komunikace je rozd¥lena do tzv. vrstev, které
znázor¬ují hierarchii £inností. Vým¥na informací mezi vrstvami je p°esn¥ denována. Kaºdá
vrstva vyuºívá sluºeb vrstvy niº²í a poskytuje své sluºby vrstv¥ vy²²í [34, 35].
Komunikace mezi stejnými vrstvami dvou r·zných systém· je °ízena komunika£ním protokolem za pouºití spojení vytvo°eného sousední niº²í vrstvou. Architektura umoº¬uje vým¥nu
protokol· jedné vrstvy bez dopadu na ostatní. P°íkladem m·ºe být moºnost komunikace po
r·zných fyzických médiích - Ethernet, optické vlákno, sériová linka.
Architektura TCP/IP ve vztahu k RM OSI je £len¥na do £ty° vrstev, viz. obr. 8.12.
Control Protocol/ Internet Protocol).
aplika£ní vrstva (application layer)
transportní vrstva (transport layer)
síóvá vrstva (network layer)
vrstva síóvého p°ístupu (network access)
8.7.1 Vrstva síóvého p°ístupu
Nejniº²í vrstva umoº¬uje p°ístup k fyzickému p°enosovému médiu. Vrstva síóvého p°ístupu
denuje protokol pro komunikaci s fyzickým médiem (nap°. Ethernet) a denuje rovn¥º typ
p°enosového média (nap°. UTP kabel nebo optické vlákno).
79
8
POÍTAOVÉ SÍT
T C P /IP
OSI
A p lika čn í
(A p p lic a tio n )
A p lik a čn í
(A p p lica tio n )
P re ze n ta čn í
(P re se n ta tio n )
R e la čn í
(S e s sio n )
T ra n sp o rtn í
(T ra n sp o rt)
T ra n sp o rtn í
(T ra n s p o rt)
S íťo vá
(N e tw o rk)
S íťo v á
(N e tw o rk)
S íťo vé h o
p řístu p u
(N e tw o rk
A c ce ss)
L in ko v á
(D a ta L in k)
F yz ická
(P h ys ica l)
Obrázek 8.12: Architektura TCP/IP vzhledem k RM OSI
8.7.2 Síóvá vrstva
Vrstva zaji²úje p°edev²ím síóvou adresaci, sm¥rování a p°edávání datagram· od hostitele A k hostiteli B, viz.: obr. 8.13. Vrstva je implementována ve v²ech prvcích sít¥ sm¥rova£ích (router) i koncových za°ízeních.
H o stite l
A
R o u te r
R o u te r
H o stite l
B
Obrázek 8.13: P°edávání datagram·
8.7.3 Transportní vrstva
Realizuje a zaji²úje komunikaci koncových uzl·. S entitami aplika£ní vrstvy komunikuje p°es
p°ístupové body, tzv. porty. Nabízí 2 sluºby z hlediska spojení:
spojov¥ orientovanou protokol TCP
(Transmission Control Protocol)
nespojov¥ orientovanou protokol UDP (User Datagram Protocol) pakety se vysílají
p°íjemci bez ov¥°ení existence, dostupnosti a p°ipravenosti cíle. Neexistuje potvrzování
p°ijetí ani °ízení toku dat.
8.7.4 Aplika£ní vrstva
Obsahuje protokoly nej£ast¥ji pouºívaných sluºeb, nap°. HTTP (Hypertext Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) nebo FTP (File Transfer Protocol). Pro rozli²ení
aplika£ních protokol· je aplika£ní vrstva svázána s konkrétním portem, coº jsou domluvená
£íselná ozna£ení aplikací.
Kaºdé síóvé spojení aplikace je tedy jednozna£n¥ ur£eno
80
£íslem portu a transportním protokolem,
síóvou (n¥kdy IP) adresou po£íta£e.
Enkapsulace (zapouzd°ení) dat z aplika£ní vrstvy do vrstvy síóvého rozhraní je zob-
razeno na obr. 8.14. Na obr. 8.15 je znázorn¥na architektura TCP/IP a pouºití p°íslu²ných
vrstev p°i procesu sm¥rování.
A p lika č n í v rstva
DATA
(n a p ř. H T T P , S M T P a d a lš í)
Z d ro jo vý p o rt,
c ílo vý p o rt, ...
p ro to k o ly
HTTP, SM TP,
P O P 3 , IM A P ,
DNS
T ra n s p o rtn í v rs tv a
h la vičk a
TCP, UDP
DATA
Z d ro jo vá IP ,
cílo vá IP , ...
S íťo vá vrstva
DATA
h la vičk a
Z d ro jo vá M A C ,
cílo vá M A C , ...
IP
V rstv a síťo vé h o p řís tu p u
DATA
zá h la ví
E th e rn e t, W iF i
z á p a tí
Obrázek 8.14: Enkapsulace dat v TCP/IP
PC
PC
A p lik a č n í
A p lik a č n í
T ra n s p o rtn í
T ra n s p o rtn í
ro u te r
ro u te r
S íťo vá
S íťo v á
S íťo v á
S íťo v á
S íťo vé
ro z h ra n í
S íťo v é
ro z h ra n í
S íťo v é
ro z h ra n í
S íťo v é
ro z h ra n í
E th e rn e t
U T P k a b e l,
O p tic k é v lá k n o
E th e rn e t
Obrázek 8.15: Architektura TCP/IP p°i procesu sm¥rování
8.7.5 Adresování v IP sítích
Sada protokol· TCP/IP pouºívá pro adresování konkrétního procesu v síti 2 £ísla, která jsou
umíst¥na v protokolech r·zných vrstev:
IP adresa je adresa síóvého rozhraní, ve verzi IPv4 je 32-bitová,
81
8
POÍTAOVÉ SÍT
port je p°ístupový bod na rozhraní transportní vrstva - aplika£ní vrstva.
IP adresa se skládá ze 2 £ástí, viz.: obr. 8.16:
adresa sít¥,
adresa hosta.
a d re s a s ítě
a d re s a h o s ta
Obrázek 8.16: Struktura IP adresy
Sm¥rova£e, které se nacházejí v cest¥ Internetu, vyuºívají pro sm¥rování pouze adresu
sít¥. Aº sm¥rova£ v cílové síti se rozhoduje podle druhé £ásti adresy. IP adresa se zapisuje
pomocí 4 dekadických £ísel odd¥lených te£kami, nap°.
158.196.128.70
8.7.6 Vlastnosti adresování
IP adresa musí být v rámci celého Internetu jedine£ná, proto pro koordinaci p°id¥lování IP
adres existuje struktura autorit (správc·), která zaji²úje jejich jedine£nost:

RIPE správce Evropského adresního prostoru,
ARIN správce adresního prostoru pro Severní a Jiºní Ameriku,
AfriNIC správce adresního prostoru pro Afriku,
APNIC správce adresního prostoru pro Asii a Austrálii,
LACNIC - správce adresního prostoru pro Latinskou Ameriku.
Podle velikosti sí´ové £ásti a £ásti hosta se IP adresa rozd¥luje do 5 t°íd ozna£ených
písmeny:
t°ída A

dovoluje adresování jen 126 sítí, ale v kaºdé z nich m·ºe být aº 16 milión· po£íta£·,
první bajt tvo°í adresu sít¥ a dal²í t°i bajty adresu po£íta£e, viz.: obr. 8.17,
rozsah IP adres je 0.0.0.0 aº 127.255.255.255,
v R nikdo tento rozsah nemá.
8
0
0 n e t-ID
16
h o s t-ID
24
h o s t-ID
32
h o s t-ID
Obrázek 8.17: Tvar IP adresy t°ídy A
t°ída B
82

umoº¬uje adresovat aº 16 tisíc sítí a 65 tisíc po£íta£· v kaºdé síti,
první dva bajty tvo°í adresu sít¥ a dal²í dva bajty adresu po£íta£e, viz.: obr. 8.18,
rozsah IP adres je: 128.0.0.0 aº 191.255.255.255,
v R mají tuto t°ídu významné organizace.
0
8
16
1 0 n e t-ID
n e t-ID
24
h o s t-ID
32
h o s t-ID
Obrázek 8.18: Tvar IP adresy t°ídy B
t°ída C

umoº¬uje adresovat aº 2 milióny sítí, v kaºdé síti m·ºe být 254 po£íta£·,
první t°i byte tvo°í adresu sít¥ a jeden byte adresou po£íta£e, 8.19,
rozsah IP adres je: 192.0.0.0. aº 223.255.255.255,
v R nejpouºívan¥j²í.
8
0
1 1 0 n e t-ID
16
n e t-ID
24
n e t-ID
32
h o s t-ID
Obrázek 8.19: Tvar IP adresy t°ídy C
t°ída D
Tato t°ída je vyuºívána pouze pro multicast provoz, rozsah IP adres je: 224.0.0.0 aº
239.255.255.255.
t°ída E
Tyto IP adresy jsou ur£eny pro experimentální ú£ely a v praxi se nepouºívají, rozsah IP
adres je: 240.0.0.0 aº 247.255.255.255.
Rozd¥lení IP adresy na 2 £ásti je dost hrubé, nap°. n¥jaká organizace by mohla vlastnit
aº 16 milión· IP adres v p°ípad¥ t°ídy A , coº je evidentn¥ plýtvání IP adresami. Proto byly
zavedeny tzv. podsít¥, kde je adresa síóvého rozhraní rozd¥lena na 2 £ásti:
na adresu podsít¥,
na adresu hosta.
Maska podsít¥ denuje, jak velkou £ást která poloºka zabírá. Maska se skládá ze
souvislých posloupností jedni£ek a nul, kdy logickým sou£inem této masky s danou IP adresou
získáme adresu podsít¥. ást sít¥ p°idaná maskou se nazývá subnet.
Princip masek vychází z p°edpokladu, ºe tam, kde je v binárním vyjád°ení masky jedni£ka,
tam je sí´. Tam kde je nula, je host. Tabulka 8.1 p°ehledn¥ zobrazuje masku sít¥ pro jednotlivé
t°ídy IP adres.
Pomocí masky sít¥ jsme schopni si oblast sít¥ roztáhnout na úkor po£tu host·, viz. tab.
8.2. Nemusíme se p°itom vázat na danou t°ídu IP adres a jakousi k ní p°edepsanou standardní
83
8
POÍTAOVÉ SÍT
t°ída
t°ída A
t°ída B
t°ída C
Tabulka 8.1: Maska sít¥ pro jednotlivé t°ídy IP adres
p°irozená maska
binární vyjád°ení masky
255.0.0.0
11111111.00000000.00000000.00000000
255.255.0.0
11111111.11111111.00000000.00000000
255.255.255.0
11111111.11111111.11111111.00000000
masku. V tomto p°ípad¥ bude i pro rozsah IP adres t°ídy A moºno v rámci jedné sít¥ adresovat
254 po£íta£·, rozsah IP adres bude v 10.1.1.0 aº 10.1.1.255, adresa sít¥ bude 10.1.1.0. Jedná
se o nejjednodu²²í typ maskování, tedy maskování IP adresy t°ídy A p°irozenou maskou t°ídy
C.
t°ída
Adresa
Maska
Tabulka 8.2: P°íklad
p°irozená maska
dekadické vyjád°ení
10.1.1.1
255.255.255.0
vyuºití masky sít¥
binární vyjád°ení masky
binární vyjád°ení
00001010.00000001.00000001.00000001
11111111.11111111.11111111.00000000
Krom¥ standardních masek IP adresy t°ídy A, B a C existují i masky, které nemají v
oktetu samé jedni£ky. Masku sít¥ m·ºe v podstat¥ tvo°it libovolný po£et jedni£ek a nul s
pravidly:
jedni£ky musí být v masce zleva bez p°eru²ení, tj. musí existovat jedna hranice mezi £ástí sít¥ a £ásti hosta, není povoleno mít masku nap°. 255.255.0.224
(11111111.11111111.00000000.11000000)
subnet sloºený ze samých nul není doporu£en,
subnet sloºený ze samých jedni£ek není povolen,
adresy host· sloºené ze samých jedni£ek nebo samých nul nejsou povoleny.
Princip vytvá°ení podsítí je gracky znázorn¥n na obr. 8.20
P o d s íť 2
P o d síť 3
P o d síť 1
S íť
P o d síť 4
S
Obrázek 8.20: Princip vytvá°ení podsítí
84
8.8 Protokol IPv6
Internet Protocol verze 6 (IPv6) se má stát následníkem Internet Protocol verze 4 (IPv4).
Vývoj za£al na za£átku devadesátých let, kde zásadním d·vodem byly vypracované studie,
které ukazovaly, ºe brzy dojde k vy£erpání adresního prostoru IPv4 [36].
8.8.1 Vlastnosti a poºadavky IPv6
Hlavní poºadavky p°i vývoji IPv6:
rozsáhlý adresní prostor (vydrºí navºdy),
jednotné adresní schéma pro Internet i vnit°ní sít¥,
zvý²ení bezpe£nosti (zahrnout do IPv6 mechanismy pro ²ifrování, autentizaci a sledování
cesty k odesilateli),
podpora pro sluºby se zaji²t¥nou kvalitou,
automatická kongurace (pokud moºno plug and play)
podpora mobility (p°enosné po£íta£e apod.).
Koncem roku 1995 byly vydány RFC denujících IPv6. Jedná se o RFC 1883 Internet Protocol - Version 6 (IPv6) Specication. Délka adresy byla stanovena na 128 bit·,
tedy £ty°násobek délky pouºité v IPv4. To znamená, ºe k dispozici je 3, 4 · 1038 adres. Formát datagramu byl podroben zásadní revizi. Po£et poloºek byl minimalizován a jejich sloºení
upraveno tak, aby základní hlavi£ka datagramu m¥la konstantní délku.
Masivní nasazení IPv6 se zatím nekoná, i kdyº n¥které organizace ve svých LAN IPv6
podporují. Za£alo se pouºívat bezt°ídní adresování CIDR, zp°ísnila se kritéria pro p°id¥lování síóvých adres a byly zavedeny mechanismy pro p°eklad adres NAT (Network Address
Translation). Tyto mechanismy stále drºí rozsah IPv4 jako dosta£ující.
8.8.2 Adresy a doru£ování
Adresy v IPv6 mají velikost 128b a zapisují se jako 8 £tve°ic hexadecimálních £ísel odd¥lených
dvojte£kou. Je moºné vynechat nuly zleva £i £tve°ici nul zkrátit na jednu. Navazující £tve°ice
nul je moºné zkrátit na ::, ale vºdy nejvý²e jednou v jedné adrese. P°íkladem zápisu IPv6
adresy je adresa fc00:0:0:0:0:0:90:0, kterou m·ºeme zkrácen¥ zapsat jako fc00::90:0. V
URL se IPv6 adresa uvádí v hranatých závorkách, aby bylo moºné rozli²it adresu a port, nap°.
https://[fc00:0:0:0:0:0:1234:1234]:443/.
Síóvé prexy se uvádí ve stejné notaci jako CIDR, tedy nap°. fe80::/10. IPv6 nezná
síóvé t°ídy jako IPv4. P°ehled vybraných adres a adresových rozsah·:
::/128 - nespecikovaná adresa
::1/128 - loopback
fe80::/10 - lokální linkové adresy, jedine£né v místní síti

fc::/7 - unikátní lokální adresy, jedine£né typicky v rámci organizace
ff00::/8 - multicastové adresy
::ffff:0:0/96 - prex IPv4 adres mapovaných do IPv6

2002::/16 - adresa pro tunelování v IPv4
85
8
POÍTAOVÉ SÍT
8.8.3 IPv6 v konguraci
V linuxu nastavíme IPv6 adresu nástrojem ip z balíku iproute.
P°idání adresy:
ip -6 addr add 2001:db8::10/64 dev eth0
Nastavení výchozí brány:
ip -6 route add default via 2001:db8::1/64
IPv6 nabízí moºnost autokongurace, to znamená, ºe za°ízení jsou schopná odvodit svou
vlastní adresu. Routery posílají v síti tzv. ohlá²ení sm¥rova£e, tím kaºdé za°ízení na lince získá
informace o své výchozí brán¥. Autokongurace se d¥lí na stavovou a bezstavovou. Stavová
je podobná DHCP a denuje ji protokol DHCPv6. V bezstavové autokonguraci si za°ízení
vytvo°í svou adresu kombinací prexu (zná od routeru) a svého lokálního identikátoru.
Autokonguraci IPv6 zaji²úje radvd (Router Advertisement Daemon). Démon posílá do
sít¥ tzv. ohlá²ení sm¥rova£e. Konguraci provedeme úpravou souboru /etc/radvd.conf, k
odchytávání výzev sm¥rova£e m·ºeme pouºít program radvdump.
Ukázka nastavení:
interface eth0
{
AdvSendAdvert on;
prefix 2001:db8:0:1::/64
{
AdvOnLink on;
AdvAutonomous on;
AdvRouterAddr on;
};
};
8.9 Protokol DNS
V²echny aplikace, které zaji²újí komunikaci mezi po£íta£i, pouºívají k identikaci komunikujících uzl· IP adresu. Pro £lov¥ka jako uºivatele jsou v²ak IP adresy t¥ºko zapamatovatelné.
Proto se pouºívá místo IP adresy název síóvého rozhraní. Pro kaºdou IP adresu máme zavedeno jméno síóvého rozhraní (po£íta£e), p°esn¥ji °e£eno doménové jméno. Toto doménové
jméno m·ºeme pouºívat ve v²ech p°íkazech, kde je moºné pouºít IP adresu.
Vazba mezi jménem po£íta£e a IP adresou je denována v DNS databázi. DNS (Domain Name System) je celosv¥tov¥ distribuovaná databáze. Jednotlivé £ásti této databáze
jsou umíst¥ny na tzv. name serverech [34, 35].
8.9.1 Domény
Internet je rozd¥len do tzv. domén, tj. skupin jmen, které k sob¥ logicky pat°í. Domény specikují, pat°í-li jména jedné rm¥, jedné zemi apod. V rámci domény je moºné vytvá°et
podskupiny tzv. sub-domény, nap°.:
86
subdomena.domena.cz
kde:
první °et¥zec je jméno po£íta£e, dal²í jméno nejniº²í vno°ené domény, dal²í vy²²í domény
atd.,
celé jméno m·ºe mít maximáln¥ 255 znak·, °et¥zec pak maximáln¥ 63 znaky,
°et¥zec se m·ºe skládat z písmen, £íslic a poml£ky,
poml£ka nesmí být na za£átku ani na konci °et¥zce,
z hlediska uloºení a zpracování v databázi jmen se velká a malá písmena nerozli²ují.
8.10 Protokol DHCP
DHCP (Dynamic Host Conguration Protocol) je aplika£ní protokol z rodiny TCP/IP. Pouºívá se pro automatické p°id¥lování IP adres koncovým stanicím v síti. Sou£asn¥ s IP adresou
posílá server stanicím (klient·m) dal²í nastavení pot°ebná pro pouºívání sít¥ jako je adresa
nejbliº²ího sm¥rova£e, masku sít¥, adresy DNS server·.
Po p°ipojení do sít¥ klient vy²le na broadcast adrese DHCPDISCOVER paket. Na ten odpoví
DHCP server paketem DHCPOFFER s nabídkou IP adresy. Klient si z (teoreticky n¥kolika)
nabídek vybere jednu IP adresu a o tu poºádá paketem DHCPREQUEST. Server mu ji vzáp¥tí
potvrdí odpov¥dí DHCPACK. Jakmile klient obdrºí DHCPACK, m·ºe uº IP adresu a zbylá nastavení
pouºívat [34, 35].
Sí´ GSM pouºívá modulaci GMSK se symbolovou rychlostí 270,833 kbit/s a rozestupem
kanál· 200 kHz (FDMA). Protoºe se sousední kanály p°ekrývají, viz obrázek 3.4, tento standard nedovoluje pouºití sousedících kanál· ve stejné bu¬ce. Standard obecn¥ denuje n¥kolik
p°enosových pásem od 400 MHz aº po 1990 MHz (v¥t²ina pásem byla dodenována v pozd¥j²ích standardech spadajících do generace 2,5 G). Odstup kanál· vºdy z·stává na hodnot¥ 200
kHz a rozestup kanálu p°íchozího a odchozího sm¥ru (downlink/uplink) je 45 MHz (PGSM,
EGSM) nebo 95 MHz v p°ípad¥ sít¥ GSM 1800 ozna£ované rovn¥º jako DCS 1800 (Digital
Cellular Service). Kaºdý duplexní pár t¥chto kanál· (dowlink/uplink) je identikován tzv.
£íslem ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). V bu¬ce je místn¥ p°id¥leným
kanál·m s r·zným ARFCN p°id¥leno dopl¬kové ozna£ení nosné, tzv. carrier index, C0..Cn-1,
kde C0 je ur£en jako °ídící kanál a je vºdy provozován s konstantním vysílacím výkonem
(p°íklad viz obrázek 3.5).
87
9
MOBILNÍ TECHNOLOGIE
9 Mobilní technologie
V sou£asné dob¥ dochází k prudkému rozvoji informa£ních a komunika£ních technologií. Neustále stoupají poºadavky na kvalitu sluºeb a jejich maximální dostupnost. Vysokorychlostní
datové komunikace spojené s neustále nar·stajícími poºadavky na p°enosovou kapacitu zásadním zp·sobem ovlivnily telekomunika£ní trh. Novým poºadavkem, který se prosadil v komunika£ních technologiích, je mobilita uºivatele. Uºivatel jiº nechce být vázán doma na pevnou
p°ípojku, ale chce vyuºívat telekomunika£ní sluºby kdekoli, nezávisle na p°ipojení do sít¥. Tuto
mobilitu uºivatele lze zajistit pouºitím rádiových prost°edk·. V souvislosti s mobilitou jsou
denovány tzv. mobilní systémy, kdy jeden p°ípadn¥ oba ú£astníci vzájemné komunikace se
mohou pohybovat.
Mobilní rádiové systémy vyuºívají k p°enosu informace volné prost°edí (volný prostor), ve
kterém je informace p°ená²ena od vysíla£e k p°ijíma£i prost°ednictvím rádiových vln. Pracují
v pásmu ultra krátkých vln UHF (Ultra High Frequency - 300 MHz aº 3000 MHz), ve kterém
je ²í°ení výrazn¥ ovliv¬ováno £etnými odrazy od p°ekáºek, jejichº rozm¥ry jsou srovnatelné
s délkou vlny (10 - 1 dm). Zvlá²t¥ v m¥stské zástavb¥ musí být voleno místo pro míst¥ní
vysílací antény s ohledem na moºný výskyt odraz·. Pásmo ultra krátkých vln je v posledních
letech dominantn¥ vyuºíváno r·znými mobilními systémy. Tato kapitola v základech shrnuje
problematiku mobilních sítí. Dal²í informace lze nalézt nap°. v [38, 39, 40, 41, 42, 43].
9.1 Základní koncepce a pouºívané techniky
9.1.1 Zp·soby p°enosu
Mobilní sít¥ zaji²újí tzv. pln¥duplexní p°enos (duplex) komunikace probíhá sou£asn¥
ob¥ma sm¥ry, v kaºdém sm¥ru p°enosu je vyhrazen jeden kanál. Podle toho, jakým zp·sobem
je provedeno odd¥lení sm¥r· p°enosu, rozd¥lujeme duplexní p°enos na: [38, 40]
kmito£tový duplex FDD (Frequency Division Duplex) odd¥lení sm¥r· p°enosu je provedeno v kmito£tové oblasti, kaºdý sm¥r má p°id¥len jiný rádiový kanál (kaºdý v jiném
kmito£tovém pásmu), které spolu tvo°í tzv. duplexní pár (vyuºití nap°. v GSM, UMTS).
£asový duplex TDD (Time Division Duplex) odd¥lení sm¥r· p°enosu je provedeno v
£asové oblasti, kaºdému sm¥ru je p°i°azen jeden £asový úsek (timeslot) v rámci jednoho
rádiového kanálu (vyuºití nap°. v UMTS).
9.1.2 P°ístupové techniky
Tyto techniky ur£ují, jakým zp·sobem sdílí více ú£astník· rádiové prost°edí. V podstat¥ se
jedná o metody, které rozd¥lují p°enosové médium na jednotlivé kanály, které pak ú£astníci
pouºívají ke komunikaci. V sou£asné dob¥ existují tyto základní metody mnohonásobného
p°ístupu:
FDMA (Frequency Division Multiple Access) mnohonásobný p°ístup s frekven£ním
d¥lením. R·zní ú£astníci vyuºívají systém sou£asn¥ ve stejnou dobu, kaºdému je v²ak
p°i°azen jiný rádiový kanál. Tato metoda se pouºívala v nejstar²ích analogových systémech.
88
TDMA (Time Division Multiple Access) mnohonásobný p°ístup s £asovým d¥lením.
R·zní ú£astníci vyuºívají stejný rádiový kanál systému, av²ak kaºdý v jiném £asovém
úseku. Tato metoda je pouºitelná pouze v digitálních systémech.
CDMA (Code Division Multiple Access) mnohonásobný p°ístup s kódovým d¥lením.
R·zní ú£astníci vyuºívají ve stejném okamºiku stejný rádiový kanál, ale jsou od sebe
rozli²eni individuálními kódy.
V praktických aplikacích je p°id¥lené kmito£tové pásmo rozd¥leno metodou FDMA na
rádiové kanály, ve kterých jsou pak metodou TDMA respektive CDMA vytvo°eny jednotlivé
ú£astnické kanály.
9.1.3 Bu¬ková struktura systém· pro mobilní komunikace
Mobilní sít¥ zásadn¥ fungují v licen£ních pásmech. Mobilní operáto°i dostávají p°id¥lený omezený po£et frekvencí na základ¥ individuální licence. S tímto omezeným po£tem frekvencí musí
pokrýt neomezen¥ velké území, typicky území státu. Z tohoto d·vodu moderní systémy pro
mobilní komunikaci pouºívají bu¬kovou (celulární) strukturu. Území, které chceme pokrýt
signálem (nap°. území jednoho státu), je rozd¥leno na velké mnoºství malých oblastí tzv. bun¥k. Pro bu¬kové systémy je typické tzv. mnohonásobné opakování kmito£tu. Sousední bu¬ky
nemohou z d·vodu ru²ení pouºívat stejné kmito£ty, vzdálen¥j²í bu¬ky v²ak ano. Bu¬ky, které
pouºívají r·zné kmito£ty, vytvá°í tzv. svazek bun¥k, který se na daném území opakuje a
proto je moºné tímto zp·sobem s omezeným kmito£tovým pásmem pokrýt nekone£n¥ rozlehlé
území. Celá situace je znázorn¥na na obr. 9.1.
Obrázek 9.1: Bu¬kový princip s mnohonásobným vyuºitím kmito£t·
Obsluhovaná oblast je rozd¥lena na 14 bun¥k, které vytvá°ejí 2 svazky po 7 bu¬kách. Uprost°ed kaºdé bu¬ky je umíst¥na základnová rádiová stanice BTS (Base Transceiver Station) pracující s ur£itou skupinou rádiových kanál·, která svým signálem pokrývá oblast této bu¬ky a
zaji²úje spojení mobilních ú£astník· nacházejících se v této bu¬ce se systémem. Nap°. první
bu¬ce prvního svazku jsou p°id¥leny rádiové kanály £. 1 aº 10, druhé bu¬ce kanály £. 11 aº
20, atd., aº poslední sedmé bu¬ce prvního svazku kanály £. 61 aº 70. V²ech 70 kanál· tohoto
svazku je v²ak moºné op¥t vyuºít v dal²ím sousedním svazku.
89
9
Bu¬ková struktura je velice exibilní co se tý£e kapacity systému. Kapacitu lze regulovat
velikostí bun¥k. Bu¬ky nejsou stejn¥ velké nejen z d·vod· r·zného terénu, ale jejich velikost
se m¥ní podle p°edpokládané hustoty provozu a p°edpokládaného po£tu ú£astník·.
Rozli²ujeme:
makrobu¬ky velké bu¬ky o polom¥ru aº desítek km, pouºívají se ve venkovských a
p°ím¥stských oblastech s malou hustotou provozu.
mikrobu¬ky malé bu¬ky s polom¥rem do cca 1 km, pouºívají se v oblastech s v¥t²ím
provozem, nap°. v centru m¥st.
pikobu¬ky velice malé bu¬ky o polom¥ru men²ím neº cca 50 metr·, pouºívají se v místech s vysokou koncentrací uºivatel·, nap°. nádraºí, obchodní domy, bu¬ky v poschodích
nad sebou ve vý²kových budovách, aj..
U makrobun¥k je pom¥rn¥ jednoduché p°edvídat hustotu provozu. Pro mikrobu¬ky a pikobu¬ky je toto ur£ení obtíºn¥j²í. Se zmen²ujícím se polom¥rem bun¥k rovn¥º prudce rostou
poºadavky na handover, protoºe k n¥mu dochází mnohem £ast¥ji.
9.2 Handover
Handover je p°epnutí spojení mezi mobilní stanicí MS (Mobile Station) a BTS b¥hem komunikace z jednoho rádiového kanálu na jiný. Dochází k n¥mu na základ¥ rádiové nebo síóvé
p°í£iny, kdyº systém vyhodnotí nový rádiový kanál jako kvalitn¥j²í (nap°. zm¥na bu¬ky, ²patná
kvalita rádiového kanálu - ru²ení, velká vzdálenost zpoºd¥ní; rozd¥lení zatíºení, optimalizace
vysílacího výkonu atd.). V¥t²inou k handoveru dochází na hranicích mezi bu¬kami.
9.3 Mobilní radiotelefonní systémy
Radiotelefonní systémy nabízející obdobné sluºby jako pevné sít¥ mají oproti t¥mto sítím
jednu obrovskou výhodu a tou je mobilita uºivatel·. Proto jsou £asto ozna£ovány jako mobilní
sít¥. Celosv¥tový vývoj t¥chto systém· je obecn¥ rozd¥len do n¥kolika generací.[39, 38, 41, 40]
9.3.1 Mobilní sít¥ 1. generace - obecn¥
Jednalo se o analogové vzájemn¥ neslu£itelné systémy (nemoºnost mezinárodního roamingu)
ur£ené pro hlasové sluºby vyuºívající p°ístupovou metodu FDMA. Mezi tyto systémy m·ºeme
za°adit:
skandinávský systém NMT
SFR,
americký systém AMPS
britský systém TACS
(Nordic Mobile Telephone),
od r. 1991 pouºíván v tehdej²í
(Advanced Mobile Phone System),
(Total Access Communications System),
n¥mecký systém C-NETZ
(Funktelefonnetz-C),
francouzský systém RadioCom 2000, NMT-F.
Na obr. 9.2 jsou znázorn¥ny vybrané evropské mobilní sít¥ 1. generace.
90
Obrázek 9.2: Vybrané evropské sít¥ 1. generace.
9.4 Systém NMT
Specikace technologie byla zapo£ata v roce 1970 telekomunika£ními ú°ady severských zemí.
Technické specikace byly hotovy roku 1973 a návrh základnových stanic roku 1977. První
hovor prob¥hl v Tampere (Finsko) roku 1978. Sí´ byla spu²t¥na roku 1981 ve védsku a Norsku
a v roce 1982 také ve Finsku a Dánsku. Roku 1991 i v tehdej²í SFR.
Prvotní uºivatelské terminály byly montovány do kufr· aut s ovládacími prvky poblíº
sedadla °idi£e, z roku 1982 lze jmenovat nap°. Mobira Senator ( hmotnost 9,8 kg) autotelefon
rem Nokia a Salora. Existovaly i r·zné p°enosné verze jako Mobira Talkman (hmotnost 5
kg), ov²em aº v roce 1987 Nokia vydala první ru£ní p°ístroj Mobira Cityman 900 (800 g,
cena 4.500 e).
Základní charakteristika sít¥ NMT
Sí´ byla prvotn¥ specikována pro pouºití v okolí kmito£tu 450 MHz od toho pozd¥j²í
název NMT-450. Základní charakteristika sít¥ NMT je následující:
analogová sí´,
pouºitá metoda mnohonásobného p°ístupu FDMA,
duplexní p°enos,
hovory nebyly zabezpe£eny (moºnost odposlechu).
V roce 1986 byla uvedena specikace NMT-900 (provozován na frekvencích v okolí 900
MHz), jejíº hlavním p°ínosem bylo znásobení po£tu dostupných kanál· (navý²ení kapacity
sít¥).
9.4.1 Mobilní sít¥ 2. generace - obecn¥
Jedná se o digitální systémy ur£ené zejména pro hovorovou sluºbu. Mezi tyto systémy pat°í:
evropský standard GSM
americké systémy ADC
(Global System for Mobile Communication),
zna£ovaný také jako D-AMPS (Dinebo jako standard IS-54 (Interim Standart 54)
(American Digital Cellular)
gital-Advanced Mobile Phone System)
v modernizované verzi potom IS-136,
japonský systém JDC (Japan Digital Cellular) podobný systému AMPS, PDC (Personal
Digital Cellular),
91
9
americký systém s kódovým mnohonásobným p°ístupem CDMA (rozprost°eným spektrem) nesoucí ozna£ení IS-95.
9.4.2 Systém GSM
Celulární radiotelefonní systém GSM pat°í mezi systémy druhé generace, které jsou pln¥ digitální. Vývoj standardu byl zahájen na po£átku osmdesátých let na podn¥t organizace CEPT
(Conference of European Post and Telekommunications Administrations). Na vývoji tohoto
celoevropského standardu ve°ejné radiotelefonní sít¥ se podílel také Evropský telekomunika£ní
standardiza£ní institut ETSI (European Telecommunications Standard Institute), který v roce
1991 vydal první £ást doporu£ení GSM. Zpo£átku se systém pouºíval pouze pro p°enos hovorových signál·, av²ak pozd¥ji a v omezené mí°e i dnes se vyuºívá také k p°enosu dat. [38, 40]
Architektura systému GSM
Systém GSM je navrºen tak, aby nebyl autonomní a uzav°ený, ale aby umoº¬oval p°ístup
i do jiných sítí. Na obr. 9.3 je znázorn¥na architektura systému GSM. Skládá se ze t°í tzv.
subsystém·:
Subsystém základnových stanic BSS
(Base Station Subsystem),
Síóvý a spínací (p°epojovací) subsystém NSS
Opera£ní podp·rný subsystém OSS
(Network and Switching Subsystem),
(Operation Support Subsystem).
Obrázek 9.3: Architektura systému GSM
Mobilní stanice
92
Samotné mobilní stanice MS (Mobile Station) jsou autonomní sou£ásti systému GSM,
nenáleºí v²ak k ºádnému ze t°í uvedených subsystém·. Bez vloºené karty SIM (Subscriber
Identity Module) je MS nefunk£ní z pohledu komunikace se sítí. Výjimku p°edstavuje
pouze tzv. tís¬ové volání na známé lince 112, které lze uskute£nit i bez této karty. Karta
SIM bývá v provedení telefonní karta nebo v provedení zásuvný modul (plug-in). MS
provádí celou °adu funkcí (zabezpe£ení, kódování, ²ifrování a p°enos hovorových a datových
signál·, nalad¥ní na poºadovaný kmito£et, sledování kvality spojení, sledování výkonu a
kvality signálu v sousedních bu¬kách pro optimální handover a zasílání výsledk· do sít¥ apod.).
Subsystém základnových stanic BSS
Tento subsystém, který je nazýván téº rádiový subsystém tvo°í zejména základnové
stanice BTS (Base Tranceiver Stations), které zaji²újí rádiové spojení s mobilními stanicemi
MS. Uvnit° kaºdé bu¬ky je obvykle umíst¥na jedna BTS. V¥t²í po£et BTS, obvykle n¥kolik
desítek aº stovek °ídí základnová °ídící jednotka BSC (Base Station Controller), která se
stará nap°. o handover.
Síóvý p°epojovací subsystém NSS
Subsystém NSS, který se ozna£uje také jako mobilní resp. radiotelefonní úst°edna,
p°edstavuje hlavní (pevnou) £ást GSM sít¥. Realizuje p°edev²ím p°epojovací (spínací funkce),
podobn¥ jako jej uskute£¬uje klasická telefonní úst°edna. Tento subsystém m·ºeme souhrnn¥
ozna£it jako funk£ní celek, který °ídí komunikaci mezi mobilními ú£astníky systému GSM a
mezi ú£astníky externích telekomunika£ních sítí. Subsystém NSS realizuje je²t¥ celou °adu
specických úloh spojených s mobilitou ú£astník·.
Opera£ní podp·rný subsystém OSS
Jeho úkolem je zaji²óvat °ádnou £innost a servis celého systému GSM, a to p°edev²ím
za podpory systémových technik·, provád¥jících monitorování, diagnostiku a opravy poruch
jednotlivých sloºek systému apod.. Do tohoto subsystému mají p°ístup výhradn¥ zam¥stnanci
daného mobilního operátora. Opera£ní subsystém OSS provádí kontrolu a údrºbu ve²keré
technologie (hardwaru) daného systému, podílí se na managementu ú£astník· GSM, podílí
se na managementu mobilních stanic, tyto stanice nap°. monitoruje, dále zji²úje stanice
porouchané apod.
Základní charakteristika systému GSM
Základní varianta systému GSM je ur£ena pro pouºití v okolí kmito£tu 900 MHz od toho
pouºívané ozna£ení GSM 900.Tento systém je moºno charakterizovat následovn¥:
vyuºití p°ístupové metody TDMA a digitální modula£ní techniky,
efektivn¥j²í vyuºití p°id¥lených kmito£tových pásem,
vy²²í provozní kapacita,
vy²²í kvalita spojení,
vysoká úrove¬ zabezpe£ení,
roz²í°ení sortimentu nabízených sluºeb,
93
9
zavedení mezinárodního roamingu.
Pro pot°eby navý²ení kapacity systému byla pozd¥ji specikována varianta systému GSM
pracující v okolí 1800 MHz, jenº nese ozna£ení GSM 1800 nebo DCS (Digital Cellular System.
9.4.3 Mobilní sít¥ 2,5 a 2,75 generace
Tato generace tvo°í jakýsi p°elom mezi systémy druhé generace, jeº se orientují na hlasové
sluºby a systémy 3. generace, které se orientují p°edev²ím na sluºby datové. Nejedná se tedy
o nové systémy, ale o zdokonalení stávajících systém· druhé generace, která umoº¬ují operátor·m nabídnout vy²²í rychlosti pro p°enos dat pro koncové uºivatele. Navý²ení p°enosových
rychlostí °e²í systémy 2,5 a 2,75 generace, které umoº¬ují p°enos datových signál· p°enosovými rychlostmi desítky aº stovky kbit/s. Systém GSM byl p·vodn¥ navrºen p°edev²ím pro
p°enos hovorových signál· a ve své základní variant¥ umoº¬uje i p°enos datových signál· s
p°enosovou rychlostí aº 9,6 kbit/s, která v²ak p°estala vyhovovat tehdej²ím poºadavk·m. Mezi
systémy zdokonalující evropský systém GSM pat°í: [38, 40, 41]
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)
p°enos dat s p°epojováním okruh· umoº¬ující max. teoretickou p°enosovou rychlost 57,6
kbit/s. HSCSD byl standardizován v roce 1997. HSCSD pouºívá nové kanálové kódovací
metody, které zvy²ují p°enosovou rychlost v jednom kanálu z b¥ºných 9,6 kbit/s (rychlost
platná pro klasický p°enos dat v síti GSM) na 14,4 kbit/s. Dále umoº¬uje kombinaci
timeslot·, sdruºením aº 4 timeslot· lze vytvo°it kanál s p°enosovou rychlostí 57,6 kbit/s.
GPRS (General Packet Radio Service)
navý²ení max. teoretické p°enosové rychlosti na 171,2 kbit/s, první zkou²ky GPRS prob¥hly v roce 1998 a první ve°ejný datový p°enos v roce 2000. Specikaci tohoto systému
vypracoval ETSI. Vzhledem k tomu, ºe systém GSM neumoº¬uje paketový p°enos dat,
je nutné doplnit jak MS, tak i dal²í £ástí systému GSM o nové funk£ní bloky. Na rádiovém rozhraní byly specikovány £ty°i r·zné kódovací systémy CS (Coding Scheme).
Kódovací systém CS1 p°edstavuje nejbezpe£n¥j²í zp·sob kódování s vysokou odolností
proti chybám zatímco kódovací systém CS4 má velice nízkou odolnost v·£i chybám.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
navý²ení max. teoretické p°enosové rychlosti na 384 kbit/s zejména pouºitím nového
typu modulace 8-PSK
9.4.4 Mobilní sít¥ 3. generace
Se zvy²ováním zájmu o datové p°enosy se hledaly cesty, jak zvý²it objem p°enesených dat ve
stávající síti. V síti GSM se tento problém snaºí °e²it technologie GPRS/EDGE.
Nedostatkem sítí druhé generace byla stále nedostate£ná p°enositelnost, konkrétn¥ odli²nost digitálních sítí evropských, amerických a japonských. Specikace jednotného standardu,
stejn¥ jako specikace rychlej²ích datových p°enos· a aplikace IP protokolu, se staly hlavními p°edpoklady mobilních sítí t°etí generace (3G). V Evrop¥ se t°etí generace sítí nazývá
UMTS (Universal Mobile Telephony System), v Americe se pouºívá také název CDMA 2000.
V této generaci digitálních systém· je hlavní d·raz kladen na vysokorychlostní p°enos dat se
zam¥°ením na multimediální sluºby.
94
9.4.5 Systém UMTS
Je evropskou formou sít¥ 3. generace vyvíjenou nejprve organizací ETSI, poté vývoj pln¥ p°e²el
pod partnerský projekt 3GPP (3rd Generation Partnership Project).
Systém UMTS vychází ze systému GSM, základní d¥lení sít¥ z·stalo shodné, do²lo pouze
k odli²nému pojmenování jednotlivých £ástí. Nov¥ se p°ístupová sí´ nazývá UTRAN (UMTS
Terrestrial Access Network). Tato £ást sít¥ je tvo°ena základnovými stanicemi Node B, ke
kterým jsou p°es rádiové rozhraní p°ipojené mobilní stanice UE (User Equipment). Základnová stanice Node B je p°ipojena ke kontroléru RNC (Radio Network Controler). ídící
kontrolér RNC a jím ovládané stanice Node B dohromady tvo°í rádiový subsystém RNS (Radio Network Subsystem). Rádiová p°ístupová sí´ je spojena s páte°ní sítí CN (Core Network),
které umoº¬uje okruhov¥ orientované p°enosy CS (Circuit Switched), i paketov¥ orientované
p°enosy PS (Packet Switched). Architektura systému UMTS je uvdena na obr. 9.4. [42]
Obrázek 9.4: Architektura systému UMTS
9.4.6 HSPA
Technologie HSPA je vysokorychlostní paketovým p°ístupe pro stávající systém UMTS. Je jakýmsi vylep²ením stávající technologie s cílem nabídnout koncovým uºivatel·m vy²²í dosupné
p°enosové rychlosti. HSPA se d¥lí na:
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)
Vysokorychlostní paketový p°ístup ve sm¥ru downlink, max. teoretická p°enosová rychlost 10 Mbit/s.
HSUPA
(High Speed Uplink Packet Access)
95
9
V principu jde o aplikaci metod a technik pouºitých v HSDPA ve sm¥ru uplink, max.
teoretická p°enosová rychlost 5,74 Mbit/s.
HSPA+ je specikace vylep²ení p·vodních systém· HSDPA a HSUPA, je známé také jako
Evolved HSPA, jejíº vývoj byl ukon£en na konci roku 2007. Mezi tato vylep²ení pat°í zejména
pouºití techniky MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) a agregace nosných frekvencí.
9.4.7 LTE
LTE
(Long Term Evolution) je projekt skupiny 3GPP, který se zabývá vývojem v oblasti
rádiové £ásti p°ístupové sít¥ UTRAN. Jeho prot¥j²kem zabývajícím se vývojem jádra sít¥
je projekt SAE (System Architecture Evolution). LTE a SAE dohromady tvo°í tzv. EPS
(Evolved Packet Systém), jak je znázorn¥no na obr. 9.5. [44]
Obrázek 9.5: Architektura systému LTE
Mezi hlavní rysy standardu LTE pat°í:
Zlep²ení výkonnosti, jeº je docíleno za pomocí pouºití ortogonálního multiplexu OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ve sm¥ru downlink. Jedná se o p°enosovou
techniku pracující s rozprost°eným spektrem aº 20 MHz ²irokým, kdy je signál vysílán
na n¥kolika stovkách aº tisících nezávislých nosných kmito£tech.
LTE je £ist¥ paketový systém, kde hlavní roli p°ebírá IP protokol, coº vede k unikaci
architektury.
LTE má jednodu²²í architekturu sít¥, kdy jako jediný uzel p°ístupové sít¥ E-UTRAN
(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) guruje základnová stanice eNodeB
(evolved Node B)
vyuºití technologie MIMO,
maximální p°enosová rychlost datových kanál· je 86,4 Mbit/s ve sm¥ru uplink a 326,4
Mbit/s ve sm¥ru downlink,
Na systém LTE se poprvé pohlíºí jako na celosv¥tovou technologii, která by m¥la dostát poºadavk·m systému IMT-2000. Je tomu tak proto, ºe spole£nosti stojící za technologií
CDMA2000 upustili od vývoje standardu zvaného UMB (Ultra Mobile Broadband) a p°iklonili
se k technologii LTE.
96
9.4.8 LTE-A
LTE-A
je jako roz²í°ení stávajícího LTE, které ve své p·vodní specikaci
nevyhoví poºadavk·m na sí´ 4G v poskytovaných rychlostech a ²í°ce variabilního spektra,
která je pouze 20 MHz. První specikace je uvedena specikace v 3GPP Release 10. LTE-A
p°iná²í nové vlastnosti jako sdruºování nosných frekvencí, tzv. CA (Carrier Aggregation),
kdy jednotlivé nosné jsou tzv. komponenty se ²í°kou pásma 1.4, 3, 5, 10, 15 nebo 20 MHz,
sdruºováním lze dosáhnout celkov¥ aº 100 MHz. [43]
(LTE Advanced)
9.4.9 LTE-B
LTE-B je p°ipravovaná dal²í verze standardu v rámci 3GPP Release 12 a Release 13. Cílem
tohoto standardu je p°edev²ím vylep²ení stávajících technik jako vícenásobné MIMO a dále
zavedení techniky LTE-Hi (LTE Hotspot Improvements and small cells) a Multi-RAT Operations, coº je koncept slou£ení více technologií (nap°. LTE, UMTS, HSPA, EDGE, ...) do
jedné antény a jedné základnové stanice.
9.4.10 LTE-C
V rámci LTE-C se p°edpokládá aº 800x lep²í eneregtická ú£innost a 1000x v¥t²í kapacita
systému. Návrh toho standardu je²t¥ neza£al, nicmén¥ se p°edpokládá jeho uvoln¥ní v roce
2020 jako 3GPP Release 14 a Release 15.
9.4.11 Mobile WiMAX
Mobile WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je sou£ástí posledního
návrhu z rodiny 802.16 organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Jde konkrétn¥ o 802.16m, kde je specikováno rádiového rozhraní spl¬ujícího podmínky IMT
Advanced a tudíº spadajícího do rodiny 4G. P°enosové rychlosti jsou denovány do 300 Mbit/s
pro download p°i ²í°ce kanálu 20 MHz a pouºití MIMO 4x4.
9.4.12 UMB
UMB
byl návrh skupiny 3GPP2 sdruºující organizace stojící za
technologií CDMA2000. Tento návrh byl podporován p°edev²ím rmou Qualcomm, která v²ak
v listopadu 2008 ukon£ila nancování vývoje UMB ve prosp¥ch technologie LTE. Cílem UMB
bylo dosaºení 275 Mbit/s ve sm¥ru downlink a 75 Mbit/s ve sm¥ru uplink. Plánováno bylo
pouºití OFDM, variabilní ²í°ka spektra a architektura pln¥ zaloºená na protokolu IP.
(Ultra Mobile Broadband)
97
10
MULTIMEDIÁLNÍ KOMUNIKACE
10 Multimediální komunikace
Pro práci se zvukem £i videem je zapot°ebí rychlé kódování/dekódování, které zajistí minimální zpoºd¥ní b¥hem zpracování informace a adekvátní p°enosová E2E (end-to-end) síóvá
kapacita, nedostatek p°enosových prost°edk· zp·sobuje ztrátovost. Proto se multimediální komunikace za£ala v Internetu objevovat aº v 90-tých letech. V této dob¥ vznikly i komunika£ní
protokoly a standardy, které se v modikované podob¥ dnes pouºívají.
10.1 Klasikace multimediální komunikace
Multimediální komunikaci bychom mohli rozd¥lit do následujících kategorií:
Voice over IP (VoIP), jedná se o soubor standard· umoº¬ující p°enos hlasu, £asto se
rovn¥º setkáváme s pojmem IP telefonie;
Videokonference, video je oproti hlasu náro£n¥j²í jak na výpo£etní, tak i na p°enosové
prost°edky, videokonference se realizují v reºimu 1-1 anebo 1-N, u druhého typu videokonferencí je obvykle nutná multikonferen£ní jednotka s dostate£n¥ velkým výpo£etním
výkonem, která zaji²úje mixování jednotlivých tok· a je schopna v p°ípad¥ pot°eby i
transkódovat (propojit i ú£astníky s r·znými kodeky)
Streaming, typickým p°íkladem vyuºití je sluºba Video on Demand , uºivatel si zvolí
video, které si on-line p°ehrává.
Zatímco u prvních dvou zmín¥ných jsou vysoké nároky na p°enos v reálném £ase a z pohledu uºivatele se jedná o aplikaci nárokující symetrický p°enos, tak streaming nemá vysoké
nároky na real-time, z pohledu uºivatele jde o asymetrický p°enos (download) a pro poºadovanou kvalitu je nutné zajistit adekvátní p°enosové prost°edky, obvykle se uºívají adaptivní
kodeky, které s navy²ující se p°enosovou kapacitou navy²ují rozli²ení. V p°ípad¥ sou£asného
p°íjmu signálu více uºivateli zárove¬, nap°. IP-TV, se pouºívá multicast.
V dal²ích £ástech se zam¥°íme p°edev²ím na Voice over IP technologii, p°i£emº principy
jsou pouºitelné i pro videokonference.
10.2 Audio-Kodeky
Kodek je za°ízení nebo algoritmus, který slouºí ke zmen²ení jinak zbyte£n¥ velkého objemu
audiovizuálních dat. Kodeky provád¥jí transformaci dat/signálu obvykle za ú£elem efektivn¥j²ího p°enosu, uloºení £i za ú£elem ²ifrování. Slovo kodek vzniklo sloºením slov kodér a dekodér,
tj. za°ízení jeº je na jedné stran¥ schopné data zakódovat a na druhé stran¥ op¥t rozkódovat.
P°i pouºití osobního po£íta£e je typicky vstupem kodeku zvuková karta, data získaná z mikrofonního vstupu kodér zpracuje a p°edá je RTP vrstv¥, vzniklé protokolové datové jednotky
se enkapsulují v jednotlivých vrstvách OSI modelu, aº jsou nakonec vyslána p°íjemci. P°ijatá
data p°evede do p·vodní podoby dekodér a po²le na audio výstup zvukové karty. Kodeky velmi
£asto pouºívají ztrátovou kompresi a proto dekódovaná data nejsou zcela totoºná s daty, která
byla zakódována. [45]
Zdrojem hovorového signálu jsou °e£ové orgány, které se skládají z hlasivek, hrdelní dutiny,
ústní dutiny, nosní dutiny, m¥kkého a tvrdého patra, zub· a jazyka. Zdrojem buzení této
soustavy jsou plíce ve spolupráci s dýchacími svaly. Vlivem tlaku proudu vzduchu vycházejícího
z plic dochází k jeho modulaci hlasivkami. Kmito£et závisí na tlaku vzduchu na svalovém
98
nap¥tí hlasivek. Kmito£et hlasivek je charakterizován základním tónem lidského hlasu, který
tvo°í základ zn¥lých zvuk·. Kmito£et základního tónu je r·zný u d¥tí, dosp¥lých, muº· i ºen,
pohybuje se v¥t²inou v rozmezí 150 aº 400 Hz. V klidu je ²t¥rbina hlasivek otev°ena a proud
vzduchu voln¥ prochází hlasivkami [46]. Vytvá°ený zvuk je po pr·chodu hlasivkami formován
ústní dutinou a je vy°azován do volného prostoru. Sd¥lení zprost°edkované °e£ovým signálem
je diskrétní, tzn. m·ºe být vyjád°eno ve tvaru posloupnosti kone£ného po£tu symbol·. Kaºdý
jazyk má vlastní mnoºinu t¥chto symbol· - fonem·, v¥t²inou 30 aº 50. Lidská °e£ je souvislý
£asov¥ prom¥nný proces, z toho plyne i náro£nost popisu lidské °e£i a jejího modelování.
Hovorový signál snímáme mikrofonem, který p°evádí modulovaný proud vzduchu na elektrický
signál. P°ístupy ke kódování jsou následující:
10.2.1 PCM
Nejznám¥j²í a nejpouºívan¥j²í kodek je PCM ITU-T G.711, výstupem kodéru je bitový tok 64
kbit/s. Kódování PCM (Pulse Code Modulation) se sestává ze t°í krok·:
vzorkování 8 kHz, hodnoty spojitého analogového signálu ve frekven£ní oblasti 300 3400 Hz se ode£ítají v diskrétním £ase,
kvantování, ke kaºdému vzorku získanému v p°edchozím kroku se p°i°adí bitová sekvence z moºných diskrétních úrovní,
a nakonec kódování.
Vzorkuje se 8 kHz a jednotlivé vzorky jsou reprezentovány osmibitovými sekvencemi, z toho
odvodíme p°enosovou rychlost 64 kbit/s. P°i kvantování vzniká kvantiza£ní zkreslení, protoºe
kaºdému vzorku je p°i°azen jemu nejbliº²í kvantiza£ní stupe¬ a po£et hodnot je omezený.
Kvantiza£ní zkreslení se eliminuje pouºitím nelineární stupnice za pouºítí logaritmické k°ivky
A-law a µ-law (Severní Amerika). Nízké hodnoty vzork· se na vysílací stran¥ zesílí a vysoké
naopak zeslabí. Na p°ijímací stran¥ prob¥hne inverzní proces. [47]
10.2.2 ADPCM
Kódování ADPCM (Adaptive Dierential Pulse Code Modulation) vychází z DPCM. Kódování DPCM (Dierential Pulse Code Modulation) je modikací PCM kódování. Nekódují se
navzorkovaná data, ale jejich rozdíl oproti odhadnutému pr·b¥hu signálu. Pr·b¥h signálu je
moºné £áste£n¥ odhadnout, navzorkovaný pr·b¥h a odhadnutý pr·b¥h jsou si podobné. Výsledný rozdíl má mnohem men²í dynamický rozsah a je moºné ho zakódovat pomocí men²ího
po£tu bit·, tedy mnoºství p°ená²ených dat se sniºuje. ADPCM je vylep²eno tak, ºe generátor
srovnávacího pr·b¥hu je adaptivní a p°izp·sobuje se konkrétní °e£i, která se kóduje. Výsledkem je je²t¥ men²í dynamický rozsah neº v p°ípad¥ DPCM a tedy op¥t men²í po£et bit· nutný
k zakódování. Krom¥ toho se m¥ní i vlastnosti kvantikace pro charakteristiku konkrétní °e£i.
Nejznám¥j²ím p°edstavitelem ADPCM je ITU-T G.726 (32 kbit/s), ale jsou moºné i jiné
rychlosti výstupního toku z kodéru v závislosti na pouºitém adaptivním algoritmu, G.726 a
G.727 umoº¬ují 40, 32, 24 a 16 kbit/s. V·bec prvním standardem ADPCM bylo doporu£ení
ITU-T G.721 pro 32 kbit/s.
99
10
10.2.3 LPC
LPC (Linear Predictive Coding) je zp·sob kódování zaloºený na úpln¥ jiném principu neº
PCM nebo ADPCM, ty vycházely z kvantikace pr·b¥hu signálu. Metoda LPC vychází naopak ze znalostí o mluvícím traktu (tj. hlasivkách a krku). Tato metoda se snaºí vytvo°it model
hlasového ústrojí £lov¥ka. LPC vyuºívá p°edpokladu ºe hlasový signál je generován bzu£ákem
na konci trubky, ²t¥rbina mezi hlasivkami produkuje bzukot, který je charakterizován hlasitostí a frekvencí. Mluvící ústrojí (krk, ústa) vytvá°í trubku, která je charakterizována svými
rezonancemi nazývanými formanty. LPC analyzuje °e£ aproximováním formant·, odstran¥ním
jejich p·sobení z hlasového signálu a odhadem intenzity a frekvence zbývajícího signálu, který
je generován hlasivkami. Proces odstran¥ní formant· se nazývá inverzní ltrování. LPC vytvá°í signál °e£i obráceným procesem, vygeneruje se signál s p°íslu²nou hlasitostí a frekvencí a
z formant· se vytvo°í ltr. Tímto ltrem se potom vygenerovaný signál zpracuje a výsledkem
je signál podobný p·vodnímu signálu °e£i. Protoºe vstupní signál se m¥ní v závislosti na £ase,
je nutné tento proces opakovat pro krat²í £asové intervaly, tzv. rámce. Pro rozumnou kvalitu
výsledné °e£i se pouºívá 30 aº 50 rámc· za vte°inu.
P°edstavitelem je LPC kodek s výstupním tokem 4,8 kbit/s nebo kodek LPC-10 s tokem
2,4 kbit/s.
10.2.4 CELP
Kódování CELP (Code Excited Linear Prediction) zásadn¥ vylep²uje LPC. Problém metody
LPC je v tom, ºe to, co zbude po odltrování formant·, není pouze signál bzu£áku. D·vodem
je, ºe v °e£i se vyskytují sloºky reprezentující t°eba sykot. Takovéto zvuky nebudou jednoduchým LPC kodekem správn¥ aproximovány. Nep°esnosti p°i odhadu formant· zp·sobí, ºe
více informací o signálu z·stane v reziduu (zbytek po odltrování formant·). To platí pro
zvuky které neodpovídají jednoduchému LPC modelu, platí to nap°íklad pro zvuky generované r·znou pozicí jazyka atd. Tedy reziduum obsahuje d·leºité informace o tom, jak má °e£
znít, tyto informace se zakódováním pomocí LPC ztratí, protoºe reziduum se zakóduje pouze
pomocí dvou parametr·, frekvence a amplitudy signálu. Vzniká tedy otázka, jak reziduum
zakódovat lépe tak, aby se p°íli² nezvý²il nárok na ²í°ku pásma a tyto d·leºité informace se
p°itom neztratily.
Jednou z nejú£inn¥j²ích metod je pouºití tyv. codebooku. Kódová kniha je tabulka obsahující
typické pr·b¥hy rezidua. Kodér potom porovnává pr·b¥h rezidua s hodnotami v tabulce a
pouºije tu, která odpovídá nejvíc, index této hodnoty z tabulky se potom p°ená²í. Druhá
strana má stejnou tabulku a po p°íjmu indexu dokáºe pr·b¥h rezidua z tabulky obnovit,
toto reziduum potom slouºí jako budi£ pro ltr aproximující formanty. Výsledkem je lep²í
aproximace hlasového signálu neº v p°ípad¥ jednodu²²í metody LPC. Tato metoda se nazývá
Code Excited Linear Prediction, zkratka CELP. Aby metoda CELP správn¥ fungovala, tabulka
obsahující typické pr·b¥hy rezidua musí být velmi rozsáhlá, pokud je ale tabulka velká, bude
vyhledávání v tabulce trvat rovn¥º velmi dlouho. Dal²ím problémem je, ºe tabulka by musela
obsahovat vzorky pro r·zn¥ vysoký hlas, taková tabulka by v²ak byla extrémn¥ rozsáhlá.
Tento problém se °e²í vytvo°ením dvou tabulek. Jedna tabulka je vytvo°ena p°i tvorb¥ kodeku
a obsahuje vzorky pro práv¥ jednu vý²ku hlasu. Druhá tabulka je adaptivní, ze za£átku je
prázdná a pr·b¥ºn¥ se plní p°ede²lými vzorky rezidua zpoºd¥nými o ur£itou hodnotu. Práv¥
hodnota zpoºd¥ní ur£uje vý²ku hlasu, popsaný algoritmus poskytuje dobrou kvalitu p°ená²ené
°e£i uº p°i ²í°ce pásma 4,8 kbit/s.
100
Typickými p°edstaviteli jsou ACELP dle G.723.1 s tokem 5,3 kbit/s, CS-ACELP dle G.729
s tokem 8kbit/s anebo LD-CELP dle G.728 s tokem 16 kbit/s.
Mezi modikace CELP pat°í ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction), LD-CELP (Low Delay Code Excited Linear Prediction) a CS-ACELP (Conjugate Structure Algebraic Linear Code Prediction).
10.2.5 P°ehled audio-kodek·
Následn¥ si popí²eme nejpouºívan¥j²í kodeky, °ada z nich je specikována v doporu£eních
ITU-T °ady G:
G.711 je základní kodek PCM, který se pouºívá i v klasické telefonní síti. Kvalita p°ená²eného hlasu je totoºná s kvalitou hlasu p°i b¥ºném telefonním hovoru, MOS má hodnotu
4,2, rámec trvá 0,125 ms;
G.723.1 pouºívá bu¤ kódování MP-MLQ nebo ACELP. První typ kódování vyºaduje
²í°ku pásma 6,3 kbit/s, druhý typ 5,3 kbit/s. Jeden rámec obsahuje úsek trvající 30 ms
a MOS skóre je 3,9 p°i pouºití kódování MP-MLQ a 3,65 p°i pouºití ACELP; G.726
kodek pouºívá kódování ADPCM, pot°ebná ²í°ka pásma je 16, 24, 32 a 40 kbit/s. Kodek
m·ºe zpracovávat bloky r·zné délky podle toho, jak velké zpoºd¥ní je poºadováno, pro
32 kbit/s se uvádí MOS=3,85;
G.728 pouºívá kódování LD-CELP. Pot°ebná ²í°ka pásma je 16 kbit/s, MOS skóre je
p°ibliºn¥ 3,6;
G.729 Pouºité kódování je CS-ACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited
Linear Prediction). Rámec trvá 10 ms a pot°ebná ²í°ka pásma je 8 kbit/s, MOS je
hodnocen 3,92;
GSM kodek, ²í°ka pásma je 13 kbit/s (Full Rate GSM-FR). Kodek je zaloºen na
kódování LPC. Dal²ím roz²í°ením v roce 1997 byl kodek GSM-EFR (Enhanced Full
Rate) s rychlostí 12,2 kbit/s a rámcem 20 ms (obsahuje 244 bit·). V roce 1998 p°i²lo
dal²í kódovací schéma, a to AMR kodek (Adaptive Multi-Rate), který je pouºíván i v
UMTS. AMR pouºívá ACELP techniku kódování a rychlosti se pohybují od 4,75 (AMR
4,75) do 12,2 kbit/s (AMR 12,2). AMR 12,2 je kompatibilní s GSM EFR.
iLBC internet Low Bit Rate Codec, tento kodek byl vyvinut rmou Global IP Sound,
pot°ebná ²í°ka pásma je 13,33 kbit/s, rámec obsahuje úsek trvající 30 ms. Kodek umoº¬uje elegantní sníºení kvality p°ená²eného signálu v p°ípad¥ zpoºd¥ní nebo ztráty paket·. Pouºitý algoritmus je Block Independent Linear Predictive Coding. Kaºdý rámec
je komprimován na 399 bit·, které se potom p°ená²í.
10.3 Video-Kodeky
Uvedeme si kodeky, které jsou nativn¥ podporovány v open-source °e²ení Asterisk:
H.261,
H.263,
H.263p (H.263+) a
H.264.
101
10
10.4 H.261
H.261 je ITU standard kodek z roku 1990 pouºívaný ke kódování videa a je p·vodn¥ ur£en pro
ISDN linky. Kódovací algoritmus byl navrºen tak, aby byl pracoval s rychlostmi 40 kbit/s aº 2
Mbit/s. Standardn¥ podporuje video formát CIF (Common Intermediate Format) s rozli²ením
snímk· 352x288 a QCIF (Quarter Common Intermediate Format) s rozl. 176x144.
10.5 H.263
H.263 je video kodek navrºený pro videokonference v roce 1995, vyuºití na²el v systémech
H.324 (video p°es PSTN, vyuºití v 3GP kontejnerech - ETSI 3GPP) a H.323 (video p°es IP)
i v systémech H.320 (N-ISDN). H.263 podporuje p¥t rozli²ení:
QCIF a CIF (popsáno u H.261)
SQCIF, má polovi£ní rozli²ení oproti QCIF, 128 Ö 96
4CIF a 16CIF, jsou 4 (704 Ö 576) a 16- ti násobným (1408 Ö 1152 ) rozli²ením CIF.
H.263 (zaloºen na DCT - Discrete Cosine Transform ) je náhradou za H.261, vy²²í kvalita, vyuºití pro low-motion video. Kodek H.263 se stal zdrojem pro MPEG. Vylep²ení H.263
prob¥hlo v H.263+ (H.263v2 , 1998) a H.263++ (H.263v2, 2000), podporováno ve VLC a
MPlayer.
10.6 H.264
H.264/MPEG-4 AVC (Advanced Video coding) byl standardizován v roce 2003 a je uºíván
pro HD video. Nahradil MPEG-2 a stal se standardem pro HD TV (1920x1080, ozna£ováno
jako Full-HD). Kodek je neustále vylep²ován a nap°. dne²ní implementace H.264 na Youtube
vyuºívají rozli²ení aº 4096x3072, coº je oblast 4K videa.
10.7 H.265
H.265/HEVC (High Eciency Video Coding) je standard videoformátu z roku 2013, který
sniºuje datový tok cca na polovinu oproti H.264 p°i zachování srovnatelné kvality, ale jeho
výpo£etní náro£nost je cca 1000 krát vy²²í. Tento standard dosud není v Asterisku podporován,
ale o£ekává se brzké za°azení.
10.8 P°enos médií
Transportní protokoly Internetu nabízí spolehlivou sluºbu s potvrzováním doru£ených datagram· pomocí spojov¥ orientovaného protokolu TCP (Transmission Control Protocol) anebo
nespolehlivou sluºbu na nespojov¥ orientovaném protokolu UDP (User Datagram Protocol).
UDP protokol p°idává k IP záhlaví d·leºitá pole, kterými jsou: zdrojový a cílový port sluºby,
délka p°ená²ených dat v£etn¥ záhlaví a kontrolní sou£et pseudozáhlaví. Nepochybn¥ stojí za
zmínku, ºe UDP nezaru£uje doru£ení ve správném po°adí, coº n¥kterým aplikacím p°iná²í
komplikace. Je z°ejmé, ºe u poºadavku na real-time p°enos není moºné pouºít sluºbu s potvrzováním datagram·, nebo´ informace pozbývá svou platnost s £asem a pro IP telefonii je
nutné pouºit transportní sluºbu zaji²óvanou UDP.
102
DP protokol je vhodn¥j²í pro Real-time aplikace, umoº¬uje sice nespolehlivé, ale rychlé
doru£ování. I tady ov²em najdeme nedostatky a pot°ebu adaptace pomocí dal²ího protokolu
nad UDP, °e²ením je protokol p°enosu v reálném £ase RTP, struktura zprávy je na zobrazena
na obr. 10.1.
Obrázek 10.1: Struktura zprávy pro real-time p°enos.
Real Time Protocol je ozna£ován jako protokol aplika£ní vrstvy, který vyuºívá transportní protokol UDP, ale dle ú£elu a obsahu polí hlavi£ek nese d·leºité znaky transportního
protokolu a tak se jeví logi£t¥j²í ho za°adit na transportní vrstvu hned nad UDP, jehoº p°enos
vylep²uje. RTP protokol p°edev²ím zaji²úje se°azení zaslaných paket· (Sequence Number) a
jejich £asové zna£kování (Timestamp), dal²í vlastnost, která ho °adí do transportní vrstvy je
multiplexování a demultiplexování. Pokud si vezmeme postup odesílání hlasu v IP sítí, tak
tok bit· digitalizovaného hlasu ve zvoleném formátu (nap°. PCM) je naporcován do blok·
(typicky 20 B aº 160 B) a kaºdý blok je opat°en hlavi£kou RTP o velikosti 12 B, dále se p°ed
hlavi£ku za°adí 8 B hlavi£ky UDP, viz. obr. 10.1. Tím je datagram p°ipraven ke vstupu do
vrstvy síóvé, kde dostane IP hlavi£ku o velikosti 20 B, celkov¥ tedy bylo k uºite£né zát¥ºi
p°idáno 40 B.
Samotný p°enos audia/videa v RTP bývá dopln¥n o dohledový protokol RTCP (Real Time
Control Protocol), který nese statistické informace o pr·b¥hu p°enosu. Port pro RTCP je
nastaven o jedni£ku vy²²í neº RTP, minimální doba pro odeslání RTCP je stanovena na 2 sec.,
nap°. u G.711 by to znamenalo jeden paket RTCP na sto paket· RTP.
P°i zpracování audio signálu na stran¥ odesílatele dochází k následujícím operacím :
audio je kódováno na kodéru (nap°. do formátu PCM),
bitový tok z kodéru je doslova naporcován do balí£k· o konstantní velikosti (u PCM jsou
to balí£ky o velikosti 160B), k uºite£né zát¥ºi s audio informací dochází k p°idání RTP
hlavi£ky (12B) a UDP hlavi£ky (8B) a IP hlavi£ky (20B), audio je enkapsulováno nap°í£
jednotlivými protokolovými vrstvami ,
nakonec dojde k vytvo°ení rámce (dopln¥ní fyzických adres a kontrolního sou£tu) a jeho
odeslání, viz. obr. 10.2.
P°i p°enosu audia IP sítí dochází k £asové variaci rozestup· mezi RTP pakety p°edev²ím
vlivem jejich °azení ve frontách na sm¥rova£ích, vzniká jitter. Overhead zp·sobuje navý²ení
poºadavk· na pásmo, £ili p°i pouºití VoIP p°es prost°edí IEEE 802.3 (Ethernet) jsou nároky
duplexního p°enosu na jeden hovor následující:
G.711, cca 90 kb/s,
GSM FR, cca 40 kb/s,
G.729, cca 35 kb/s,
G.723.1, cca 25 kb/s.
103
10
Obrázek 10.2: Cesta audia od odesílatele k p°íjemci.
10.9 Asterisk
Asterisk je open-source softwarová PBX ur£ená pro instalaci na standardních PC a spolu se
správným rozhraním m·ºe být pouºita jako PBX pro domácí uºivatele, podniky, poskytovatele VoIP sluºeb a telefonní spole£nosti. Asterisk je rovn¥º open-source komunita a komer£ní
produkt od rmy DigiumTM .
Systém je navrºen tak, aby vytvo°il rozhraní mezi telefonním hardwarem £i softwarem a
libovolnou telefonní aplikací. S jednotlivými protokoly SIP, IAX, H.323 pracuje Asterisk jako
s kanály navázanými na jádro. DAHDI (Digium Hardware Device Interface) p°edstavuje rozhraní sm¥rem k PSTN, m·ºe se jednat o ISDN BRI £i PRI karty, FXS, FXO, apod. P°íkazový
°ádek CLI je silným nástrojem Asterisku, stejn¥ jako Manager Interface. Srdcem Asterisku je
Dialplan, kde je denováno chování v p°ípad¥ obsluhy poºadavku, a´ uº odchozího £i p°íchozího
volání anebo poºadavku na vyvolání sluºby.
Obvykle je snaha, aby bylo moºné v dané datové sítí realizovat co nejvíce hlasových spojení.
Kodeky poskytují nové moºnosti pro digitální p°enos hlasu, v£etn¥ komprese, která je jednou
z nejd·leºit¥j²ích vlastností, mezi dal²í vlastnosti pat°í detekce hlasové aktivity, vyrovnání
paketové ztráty, a generování výpl¬ového ²umu. V Asterisku jsou podporovány následující
kodeky s uvedenou ²í°kou pásma. Ty mohou být samoz°ejm¥ transparentn¥ p°ekládány z
jednoho na druhý.
G.711 µ law (USA) - (64 kb/s).
G.711 alaw (Europe) - (64 kb/s).
G.722 (²irokopásmový kodek) (64 kb/s).
G.723.1 pouze pass-through reºim.
104
G.726 - (16/24/32/40 kb/s).
G.729 nutná licence (8kb/s).
GSM - (12-13 kb/s).
iLBC - (15 kb/s).
LPC10 - (2.5 kb/s).
Speex - (2.15-44.2 kb/s).
Odesílání dat z jednoho telefonu do druhého by m¥lo být snadné za p°edpokladu, ºe si
data samy najdou cestu skrze sí´. V praxi je nutné pro toto sm¥rování vyuºívat signaliza£ní
protokoly, dominantním a nejpouºívan¥j²ím signaliza£ním protokolem je SIP. P°esto existuje
stále spousta systém·, které pro signalizaci ve VoIP síti vyuºívají star²ích protokol· jako jsou
nap°. H.323. Jiný protokol IAX je zase nativním protokolem Asterisku a výborn¥ prochází
NATem. Seznam podporovaných signaliza£ních protokol· v Asterisku je uveden níºe:
SIP,
H323,
IAX2,
MGCP,
SCCP (Cisco Skinny),
Nortel unistim.
105
11
SÍT NOVÉ GENERACE
11 Sít¥ nové generace
Ve druhé polovin¥ devadesátých let za£ala vznikat koncepce sít¥ nové generace NGN (Next
Generation Network), která byla postavena na my²lence odd¥lení transportní úrovn¥ telekomunika£ních sítí a orientace na technologie s p°epojováním zpráv a garancí QoS. Moºnost
p°ená²et r·zné sluºby v jediné transportní síti s garantovanou kvalitou je pochopiteln¥ efektivn¥j²í neº provozování separátních sítí pro rozdílné sluºby. [48]
Nejv¥t²í ²anci na úsp¥ch m¥la technologie ATM, ale v dal²ích letech bylo z°ejmé, ºe propracovanost ATM se p°íli² odrazila v cen¥ a exibilit¥, coº m¥lo fatální d·sledky na její reálné
pouºití. První systém NGN je IMS (IP Multimedia Subsystem), který byl specikován koncem
roku 2006 studijní skupinou SG 13 v ITU-T Y.2021 (IMS for Next Generation Networks).
Se vznikem IMS, jako prvního standardu spl¬ujícího lozoi NGN, narostl význam protokolu
SIP, nebo´ SIP je klí£ovým protokolem v IMS. Proto mu budeme v¥novat podstatnou £ást
této kapitoly.
11.1 SIP/SDP
SIP
je protokolem pro sestavení, modikaci a terminaci obecné
relace v Internetu a nej£ast¥ji je pouºíván pro audio. Byl vyvíjen od roku 1996 pracovní skupinou MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control) v rámci IETF (Internet Engineering
Task Force). V roce 1999 byl p°edloºen ve form¥ navrhovaného standardu (Proposed Standard)
v RFC 2543. Téhoº roku na popud IETF vznikla nová pracovní skupina, nazvaná p°ízna£n¥
SIP, která p°evzala vývoj hlavního jádra protokolu. Její práce v kv¥tnu roku 2002 vyústila v
nový standard RFC 3261. Dnes existuje kolem stovky dal²ích RFC, které se p°ímo týkají
SIPu nebo na n¥j navazují, a´ uº jde p°ímo o nové metody komunikace anebo nap°. roz²í°ení
poloºek v hlavi£kách. [45]
SIP pracuje na aplika£ní vrstv¥. Byl navrºen tak, aby byl snadno implementovatelný,
roz²i°itelný a dostate£n¥ exibilní. Protokol je uºíván pro sestavení, modikaci a ukon£ení
spojení s jedním nebo více ú£astníky, ale není jediným protokolem, který je pot°ebný pro
audiovizuální komunikaci, ve spojení se SIPem jsou pouºívány je²t¥ dva dal²í protokoly, RTP
(Real-Time Protocol) pro p°enos vlastního obsahu a SDP (Session Description Protocol) pro
popis p°ená²eného obsahu.
SIP je end-to-end orientovaný signaliza£ní protokol, coº znamená, ºe ve²kerá logika je
uloºená v koncových za°ízeních, koncová za°ízení znají i jednotlivé stavy komunikace, chování
lze popsat stavovým diagramem, ve kterém se v rámci dialogu (spojení) probíhají jednotlivé
transakce (ºádosti a odpov¥di). Tím je zvý²ena odolnost komunikace proti chybám.
SIP je textov¥ orientovaný protokol z rysy podobnými HTTP a SMTP protokolu. HTTP
a SMTP jsou nepochybn¥ nejúsp¥²n¥j²ími a nejpouºívan¥j²ími protokoly v Internetu, volba
osv¥d£eného modelu komunikace zaru£uje SIPu robustnost a nad£asovost. Klient posílá poºadavky na server, který zasílá odpov¥di obdobn¥ jako u HTTP, v hlavi£kách najdeme poloºky
From, To £i Subject jako u mailové komunikace pomocí SMTP. [45]
SIP entity jsou identikovány pouºitím SIP URI (Uniform Resource Identier), °ekli
bychom jednodu²e jmennými identikátory, jejich obecný tvar je uveden níºe.
(Session Initiation Protocol)
sip:user:password@host:port;uri-parameters?headers
SIP URI se skládá jednak z £ásti username identikující uºivatele a jednak z host vztaºené
k domén¥ neboli hostiteli, který poskytuje uºivateli ur£ité prost°edky k zaji²t¥ní komunikace.
106
Následuje pole password jehoº pouºití není doporu£eno. Port je standardn¥ 5060 na UDP,
p°ípadné parametry se odd¥lují st°edníkem a pokud je pot°ebné p°ímo do URI zadat i n¥jaké
parametry hlavi£ky, tak se uvád¥jí za otazníkem. V¥t²inou ale uvidíme SIP URI v podob¥
jednoduché konstrukce sip:user@host , coº nápadn¥ p°ipomíná emailovou adresu.
11.1.1 Prvky SIP °e²ení
A£koliv v nejjednodu²²í konguraci je moºné pouºít dva UA posílající si navzájem SIP zprávy,
typická SIP sí´ bude obsahovat více neº jeden typ prvk·. Základními SIP prvky jsou:
SIP user agent (UA), který je prezentován koncovým terminálem,
SIP proxy, registrar, redirect a location servery, £asto ozna£ováno jako SIP server.
UA obvykle jsou p°edstavovány koncovými terminály ve form¥ HW SIP telefonu nebo
aplikace, SIP UA mohou být IP telefony, Smartphones, PSTN brány (GW), IVR systémy,
atd. UA jsou vztaºeni k User Agent Server (UAS) a User Agent Client (UAC). UAS a UAC
jsou pouze logické entity, kaºdý UA obsahuje UAC a UAS:
UAC je £ást vysílající poºadavky a p°ijímající odpov¥di,
UAS je £ást p°ijímající poºadavky a odesílající odpov¥di.
ádost a odpov¥¤ jsou dva základní typy SIP zpráv. Protoºe koncové za°ízení tém¥° vºdy
obsahuje UAC a UAS, tak pouºíváme pouze ozna£ení UA namísto UAC a UAS.
B2BUA je speciální typ UA vkládaného do cesty a vytvá°ejícího dv¥ spojení, na B2BUA
je ukon£eno jedno spojení a sestaveno nové na cíl, B2BUA zprávy a odpov¥di na rozdíl od
SIP Proxy nep°eposílá, ale vytvá°í nové sm¥rem k ob¥ma komunikujícím stranám. Koncový
terminál ov²em nerozezná rozdíl mezi voláním p°es B2BUA a SIP Proxy.
SIP umoº¬uje vytvo°it infrastrukturu sít¥ hostitel· nazývaných jako SIP Proxy servery.
Koncové terminály UA mohou odesílat zprávy na SIP Proxy server. SIP Proxy servery jsou
d·leºité entity infrastruktury. Zaji²újí sm¥rování ºádostí o spojení dle aktuálního umíst¥ní
adresáta, mohou provád¥t autentizaci, ú£tování a realizovat dopl¬kové sluºby (nap°. p°esm¥rování). Nejd·leºit¥j²í úloha SIP Proxy serveru je sm¥rovat ºádosti o sestavení spojení blíº
k volanému. P°i inicializaci sestavení spojení je základní úlohou SIP Proxy nalézt dal²í SIP
Proxy, která obslouºí poºadavek a na tuto danou zprávu odeslat. K nalezení SIP proxy pro
next hop m·ºe krom¥ statického záznamu i vyhledávat v DNS (SRV záznam). Krom¥ SIP
Proxy serveru máme následující servery:
Redirect Server slouºí pro p°esm¥rování, vrací nové URI uºivatele,
Registrar Server p°ijímá poºadavky na registraci, aktualizuje lokaliza£ní databázi a
mapuje logickou URI uºivatele (user URI) na fyzickou URI za°ízení (device URI), user
URI je taky ozna£ována jako AOR (Address of Record),
Location Server je úloºi²t¥m informací o umíst¥ní uºivatel· a SIP Proxies,
posledním p°ípadem je B2BUA, který je pouºíván v reºimu SIP serveru.
107
11
SÍT NOVÉ GENERACE
11.1.2 Metody a odpov¥di
Komunikace v SIPu je tvo°ena zprávami, které jsou obvykle p°ená²eny v samostatných UDP
datagramech. Kaºdá zpráva obsahuje hlavi£ku zprávy (header) a m·ºe obsahovat vlastní t¥lo
zprávy s popisem médií (body, v¥t²inou SDP), hlavi£ka a t¥lo jsou odd¥leny volným °ádkem
(CRLF). V prvním °ádku zprávy je identikován její typ. Známe dva typy zpráv, jednak ºádost
(neboli metoda) a jednak odpov¥¤.
ádosti neboli metody jsou obvykle uºívány k inicializaci procedury (sestavení, aktualizaci
£i ukon£ení spojení). V jádru SIP protokolu je dle RFC 3261 specikováno ²est metod, které
jsou následující:
INVITE je ºádost o inicializaci spojení nebo zm¥nu parametr· jiº probíhajícího spojení
(re-INVITE);
ACK je metoda potvrzující p°ijetí kone£né odpov¥di na ºádost INVITE. Sestavení relace
pouºívá 3-way hand-shaking , volaný periodicky opakuje odpov¥¤ (nap°. 200 OK),
dokud nep°ijme ACK, coº indikuje, ºe odpov¥¤ byla doru£ena. Metoda ACK má °adu
výjimek v pravidlech gramatice SIPu, které budou zmín¥ny pozd¥ji;
BYE je zpráva uºívána k ukon£ení sestaveného spojení;
CANCEL se pouºívá ke zru²ení sestavovaného spojení, kdyº není sestaven dialog, volaný je²t¥ nepotvrdil kone£nou odpov¥dí ºádost INVITE a volající chce zru²it sestavování
spojení;
REGISTER je ºádost registrace anebo odregistrování uºivatele, sváºe se logická jmenná
adresa uºivatele s jeho fyzickým umíst¥ním (IP adresa a port), konkrétn¥ jde o poloºky
FROM a CONTACT ze SIP hlavi£ky. Registrace jsou £asov¥ limitovány a je nutné je
periodicky obnovovat;
OPTIONS je speciální typ metody k zji²t¥ní vlastností SIP za°ízení, má stejnou strukturu jako INVITE, ale spojení není sestavováno, pouze se p°ijme odpov¥¤. Vyuºívá se
nap°. nejen ke zji²t¥ní podporovaných funkcí, ale SIP Proxy m·ºe periodickými dotazy
zji²óvat mezi registracemi, zda SIP UA odpovídá a je dostupný anebo naopak SIP UA
m·ºe periodicky posílat Options p°es NAT k udrºení záznamu p°ekladu a tím pádem
pr·chodnosti zven£í.
Krom¥ vý²e vysv¥tlených ²esti základních metod existují i dal²í ºádosti, které byly denovány dodate£n¥ v n¥kterých dal²ích RFC. Jestliºe UAS obdrºí ºádost, tak na ºádost odesílá odpov¥¤. Kaºdá ºádost musí být zodpov¥zena, výjimkou je metoda ACK, coº je ºádost,
která má význam potvrzení doru£ení odpov¥di na INVITE. Odpov¥di jsou svou strukturou
velmi podobné ºádostem, krom¥ prvního °ádku, první °ádek odpov¥di obsahuje verzi protokolu (SIP/2.0) a kód odpov¥di (reply code). Kód odpov¥di je celé £íslo z rozsahu 100 aº 699
a ozna£uje typ odpov¥di. Celkem je denováno 6 t°íd odpov¥dí, bu¤ jsou informativní 1xx
anebo nální 2xx-6xx:
1xx jsou do£asné informativní odpov¥di, které jsou odesílány na ºádosti, které byly
p°ijaty, ale výsledek zpracování je²t¥ není znám, na základ¥ této odpov¥di musí odesílatel
zastavit opakování odesílání dané ºádosti. Obvykle SIP Proxy servery odesílají odpov¥di
s kódem 100 (Trying), jestliºe za£ínají zpracovávat INVITE a UA odesílají odpov¥di s
108
kódem 180 (Ringing), které oznamují vyzván¥ní volaného, kód 183
stejný význam jako 180, ale je dopln¥n o popis médií (SDP),
Session Progress
má
2xx jsou pozitivní nální odpov¥di, je to poslední odpov¥¤, kterou odesílatel na svou
ºádost dostává, vyjad°uje výsledek zpracování konkrétní ºádosti. Odpov¥di s kódy 200
aº 299 oznamují, ºe poºadavek byl akceptován a úsp¥²n¥ zpracován, nap°íklad odpov¥¤
200 OK je vyslána, jestliºe uºivatel akceptuje ºádost INVITE. V p°ípad¥ v¥tvení zprávy
INVITE m·ºeme dosáhnout n¥kolik UAS a kaºdý z nich bude akceptovat ºádost. V
tomto p°ípad¥ je kaºdá odpov¥¤ rozli²ena parametrem tag v poli To. Kaºdá odpov¥¤
probíhá v odli²ném dialogu s jedine£ným identikátorem dialogu,
3xx odpov¥di jsou uºívány k p°esm¥rování. Tyto odpov¥di dávají informaci o nové poloze uºivatele nebo alternativní sluºb¥, která má být pouºita. Pokud Proxy p°ijme ºádost
a nezpracuje ji z n¥jakého d·vodu, tak vy²le volajícímu v odpov¥di poºadavek na p°esm¥rování a vloºí do odpov¥di jiné umíst¥ní, které má být kontaktováno. M·ºe to být
jiná Proxy nebo aktuální umíst¥ní volajícího (z lokaliza£ní databáze vytvo°ené registrar
serverem). Volající následn¥ znovu vy²le ºádost na nové umíst¥ní, odpov¥di 3xx jsou
kone£né,
4xx jsou negativní kone£né odpov¥di a znamenají problém na stran¥ klienta. ádost
nemohla být zpracována, protoºe obsahuje chybnou syntaxi,
5xx znamenají problém na stran¥ serveru. ádost je z°ejm¥ v po°ádku, ale server selhal
p°i zpracování, klient by m¥l obvykle poºadavek zkusit znovu,
6xx p°edstavuje globální chybu a tento kód je vysílán, pokud ºádost nem·ºe být spln¥na
na ºádném serveru, to je odpov¥¤ obvykle vysílaná serverem, kdyº má informaci o konkrétním uºivateli, nap°. UA vysílá 603 Decline response, kdyº odmítá ºádost o sestavení
spojení.
11.1.3 SDP − popis relace
SDP je Session Description Protocol, který obecn¥ slouºí k popisu kterékoliv relace a je se SIP
signalizací velmi £asto pouºíván. Povinnými poloºkami hlavi£ky SDP jsou °ádky v, o, s, t,
m:
v=0
o=<username> <sess-id> <sess-version> <nettype> <addrtype> <unicast-addr.>
s= název relace
t= 0 0
m=m=<media> <port> <proto> <fmt>
Popis médií v m °ádku se obvykle dopl¬uje nepovinnými atributy, uve¤me si p°íklad
struktury SDP:
v=0
o=root 3177 3177 IN IP4 158.196.146.12
s=session
c=IN IP4 158.196.146.12
109
11
SÍT NOVÉ GENERACE
t=0 0
m=audio 13226 RTP/AVP 0 8 3 97 18
a=rtpmap:0 PCMU/8000
a=rtpmap:8 PCMA/8000
a=rtpmap:3 GSM/8000
a=rtpmap:97 iLBC/8000
a=rtpmap:18 G729/8000
Vyjednávání probíhá v modelu ozna£ovaného jako Oer/Answer model. Na nabídku médií
druhá strana odpovídá tak, ºe v odpov¥di uvede na základ¥ nabídky své typy (port, kodeky),
v odpov¥di je uveden stejný po£et m °ádk· obsaºených v nabídce a to i ve stejném po°adí.
Nabídka toku m·ºe být odmítnuta z jakéhokoliv d·vodu (nepodporovaná média nap°. video),
odmítá se konkrétní m °ádek a to tak, ºe v odpov¥di se v m °ádku nastaví port na hodnotu 0.
11.1.4 Scéná° sestavení spojení
Na obr. 11.1 je znázorn¥n tok zpráv v rámci jednoho SIP Proxy serveru, ze kterého je £itelná
souslednost konkrétních ºádostí a odpov¥dí. V p°ípad¥ pouºití autentizované relace SIP Proxy
nejd°íve odmítne INVITE jako neautorizovanou pomocí 407 a v dal²ím INVITE je p°ipojen
°et¥zec s autentizací. Popis médií v SDP je obvykle p°ipojen ke zpráv¥ INVITE a odpov¥¤ je
obdrºena ve 200 OK.
Obrázek 11.1: Scéná° spojení.
110
Jsou moºné i jiné scéná°e vým¥ny SDP a dokonce i b¥hem jiº sestaveného spojení je
moºné pomocí op¥tovného zaslání re-INVITE dosáhnout zm¥nu zasílání médií, a´ uº IP pro
terminaci RTP, port £i kodek. Do pole From zapí²e odesílatel svou logickou SIP URI, p°i£emº
text p°ed úhlovými závorkami se zobrazuje na displeji jako textová identikace odesílatele. Do
pole Contact zapí²e odesílatel svou device SIP URI, na které je k zastiºení. Je vytvo°eno nové
jedine£né Call-ID, po°adí transakce Cesq a za ním název metody, nakonec je v hlavi£ce odkaz
na t¥lo SDP (v na²í ukázce odebráno).
INVITE sip:[email protected] SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP pc33.atlanta.com;branch=z9hG4bKnashds8
Max-Forwards: 70
To: Bob <sip:[email protected]>
From: Alice <sip:[email protected]>;tag=1928301774
Call-ID: a84b4c76e66710
CSeq: 314159 INVITE
Contact: <sip:[email protected]>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 142
P°es pole Contact si ob¥ komunikující za°ízení vym¥ní své kontaktní (device SIP URI),
dal²í ºádost ACK uº m·ºe být sm¥rována p°ímo na cílový SIP UA, stejn¥ tak dal²í ºádost
BYE o ukon£ení relace m·ºe prob¥hnout na p°ímo, viz. SIP trapezoid na obr. 11.2.
Obrázek 11.2: SIP trapezoid.
111
12
KVALITA EI
12 Kvalita °e£i
Základními skupinami metodik posuzování kvality hovoru jsou :
konverza£ní testy
a poslechové testy,
Konverza£ní testy jsou zaloºeny na vzájemné interaktivní komunikaci dvou subjekt· p°es
p°enosový °et¥zec testovaného systému. Tyto testy poskytují nejrealisti£t¥j²í testovací prost°edí, av²ak jsou ze v²ech ostatních zp·sob· testování nejvíce £asov¥ náro£né. ast¥ji doporu£ované jsou práv¥ testy poslechové, které v²ak nedosahují takové v¥rohodnosti jako testy
konverza£ní, protoºe v n¥kterých ohledech je jejich omezení mén¥ tvrdé. [46]
Tyto testy lze dále rozd¥lit podle zp·sobu získávání ohodnocení na:
subjektivní metody
a objektivní metody.
Obrázek 12.1: Stupnice MOS.
Pro ohodnocení kvality °e£i se vyuºívá stupnice MOS (Mean Opinion Score) denovaná
doporu£ením ITU-T P.800. Výstupem obou typ· metod, jak subjektivních tak objektivních,
je p°ímo hodnota MOS, nebo s mírnou modikací stupnice dle pot°eby. Aby nedocházelo k
nedorozum¥ním a ²patným interpretacím výsledk· MOS hodnot, vydala ITU-T v roce 2003
doporu£ení P.800.1, ve kterém se rozd¥lily stupnice jak pro metody subjektivní a objektivní,
tak i pro druhy test· konverza£ní a poslechové.
V tab. 12.1 je znázorn¥n p°ehled, kde LQ znamená d°íve zmi¬ované Listening Quality, CQ
Conversational Quality a poslední písmeno je p°id¥leno dle metody m¥°ení, S - Subjective, O
- Objective a E - Estimated.
Metoda hodnocení
Subjektivní
Objektivní
Odhadovaná
112
Tabulka 12.1: P°ehled metod hodnocení MOS
Poslechový typ
Konverza£ní typ
MOS-LQS
MOS-CQS
MOS-LQO
MOS-CQO
MOS-LQE
MOS-CQE
12.1 Subjektivní metody hodnocení
Jak jiº bylo nazna£eno v úvodu, subjektivní metody k posuzování kvality °e£i jsou zaloºeny na
hodnocení lidských uºivatel· (poslucha£·). P°i testování jsou p°ehrávány vzorky k hodnocení
dostate£nému po£tu subjekt· (skupin¥ osob) a jejich výsledky posléze statisticky vyhodnocovány. Subjekty mají moºnost hodnotit kvalitu °e£i v p¥ti stupních od nejhor²í po nejlep²í,
které odpovídají MOS modelu dle ITU-T specikace [46]. Nejvyuºívan¥j²í zástupci subjektivních metod testování jsou:
ACR
(Absolute Category Rating)
a DCR
(Degradation Category Rating).
U ACR poslucha£i ud¥lují jedno hodnocení kaºdému vzorku °e£i dle poslechové stupnice
MOS. Poté jsou hodnoty v²ech subjekt· se£teny a zpr·m¥rovány do výsledné hodnoty MOS
(MOS-LQS) pro kaºdý daný vzorek °e£i. U DCR je poslucha£·m nejprve poskytnut vzorek °e£i
"originální", p°ed p°enosem p°es testovaný telekomunika£ní systém a posléze vzorky testované
a je na subjektech, aby vyhodnotili degradaci p°eneseného hovoru v·£i vzorku p·vodnímu.
Pro provád¥ní test· v poºadovaném rozsahu a pro zaji²t¥ní co moºná nejv¥t²í objektivnosti
je pot°eba v¥t²ího mnoºství osob, coº je z £asového hlediska, a £asto také nan£ního, velmi
neefektivní. Hodnocení jednotlivých subjekt· je ovlivn¥no r·znými faktory, jako je psychické
rozpoloºení, soust°ed¥nost, zku²enosti a mnohé dal²í, proto lze £astokrát dosáhnout r·zných
výsledk· p°i m¥°ení jednoho hovorového vzorku. Z tohoto d·vodu je výhodn¥j²í vyuºívat
metod objektivních.
12.2 Objektivní metody hodnocení
Pouºití objektivních metod pro hodnocení kvality hovoru odstra¬uje nutnost pouºití subjekt·
ºivých vyuºitím matematických výpo£etních model· nebo algoritm·. Jejich výstupem je
op¥t hodnota MOS nebo podle pouºitého algoritmu hodnota jiná, která je v²ak na hodnotu
MOS snadno p°epo£itatelná i s modikacemi, nap°. podle ITU-T P.800.1, viz. tab. 12.2.
Cílem objektivních m¥°ení je co moºná nejp°esn¥ji p°edpov¥d¥t hodnotu MOS, která by
byla získána subjektivním m¥°ením za pouºití dostate£ného po£tu osob. P°esnost a efektivita objektivního testu je tedy dána korelací výsledku subjektivního a objektivního testu [46].
Test
Tabulka 12.2: Objektivní metody
Conversational Opinion
Absolute Category Rating (ACR)
Quantal-Response Detectability
Degradation Category Rating (DCR)
Comparison Category Rating (CCR)
Typ testu
Konverza£ní
Poslechový
Poslechový
Poslechový
Poslechový
Objektivní metody posuzování kvality °e£i se d¥lí do dvou skupin na:
Intrusivní
113
12
KVALITA EI
a Neintrusivní.
Intrusivní m¥°ení kvality je zaloºeno na porovnání p·vodního a degradovaného p°eneseného
vzorku pomocí vhodného algoritmu. Neintrusivní testy naopak pouºívají ke svému výpo£tu
pouze vzorek p°enesený a nemají p°ístup ke vzorku p·vodnímu. Intrusivní metody m¥°ení
kvality °e£i jsou více precizní a p°esné v ur£ení výsledné kvality, ale v¥t²inou jsou pro m¥°ení v
ºivých sítích pro nasazení v reálném £ase nepouºitelné. Naopak neintrusivni objektivní metody
pro m¥°ení kvality °e£i pot°ebují ke svému výpo£tu pouze vzorek p°enesený, tedy degradovaný.
Tyto testy mají v¥t²inou sloºit¥j²í výpo£etní modely práv¥ díky absenci vzorku p·vodního.
Jednou z nov¥j²ích metod pro neintrusivní vyhodnocování kvality °e£i je E-model, zpracovaný v doporu£ení ITU-T G.107.
12.3 E-model
E-model je zaloºen na metod¥ tzv. equipment impairment factor . P·vodní strukturu tohoto
modelu vyvinul ²védský expert Nils-Olof Johannesson p·sobící ve skupin¥ Voice Transmission
Quality from Mouth to Ear, pat°ící pod seskupení ETSI. V letech 1997 - 2000 tento model
rozpracovala studijní skupina SG12 pat°ící pod ITU-T a vydala jej v doporu£ení ITU-T G.107
s názvem E-model [49]. Struktura referen£ního modelu spojení je znázorn¥na na obr. 12.2. Zde
je patrné rozd¥lení na vysílací a p°ijímací stranu, stejn¥ tak jako parametry, se kterými E-model po£ítá.
Obrázek 12.2: Referen£ní model spojení pro hodnocení E-modelem, 12.2.
Mezi klí£ové parametry výpo£tu E-modelu pat°í:
114

SLR [dB] (Send Loudness Rating)
- p°edstavuje míru hlasitosti ve vysílacím sm¥ru.

RLR [dB] (Receive Loudness Rating)

- p°edstavuje celkovou míru hlasitosti. OLR, jak
je patrné z referen£ního modelu 12.2, se vypo£ítá jako sou£et SLR a RLR (OLR =
- p°edstavuje míru hlasitosti v p°ijímajícím sm¥ru.
OLR [dB] (Overall Loudness Rating)
SLR + RLR ).
Zhor²ení kvality zp·sobené OLR m·ºe plynout jak z p°íli² nízkých, tak
vysokých hodnot. Za optimální hodnotu se udává 10 dB, coº podle doporu£ení ITU-T
P.310 odpovídá SLR = 8 dB a RLR = 2 dB.

Ta [ms](Absolute Delay)
- p°edstavuje celkové zpoºd¥ní, tedy od p°ístroje na p°ijímací
stran¥ k p°ístroji na stran¥ vysílací. Tento parametr je nezávislý na po£tu cest ozv¥n
²í°ících se po stejném vedení.

TELR [dB] (Talker Echo Loudness Rating)

Ie [-] (Equipment Impairment Factor) - p°edstavuje míru zhor²ení vlivem za°ízení, coº
také zahrnuje vliv pouºitého kodeku. Provizorní hodnoty Ie pro plánování v závislosti
na pouºitém kodeku jsou uvedeny v tab. 12.3.
- p°edstavuje míru hlasitosti ozv¥ny na stran¥
hovo°ícího. Tento parametr je velmi úzce spjat s parametrem T, kde v p°ípad¥ klesajících
hodnot TELR a rostoucích hodnot T, klesá celková kvalita p°ená²eného hovoru.
Kodek
Tabulka 12.3:
Ie
pro plánování v závislosti na pouºitém kodeku
ADPCM (G.726, G.727)
ADPCM (G.721, G.726, G.727)
ADPCM (G.726, G.727)
ADPCM (G.726, G.727)
LD-CELP (G.728)
LD-CELP (G.728)
CS-ACELP (G.729)
CS-ACELP (G.729A + VAD)
VSELP (IS-54)
ACELP (IS-641)
QCELP (IS-96-A)
RCELP (IS-127)
VSELP (Japanese PDC)
RPE-LTP (GSM 06.10, FR)
VSELP (GSM 06.20, HR)
ACELP (GSM 06.60, EFR)
ACELP (G.723.1)
MP-MLQ (G.723.1)

Bpl [-] (Packet-loss Robustness Factor)

Ppl [%] (Packet-loss Probability)

BurstR [-] (Burst Ratio)

A [-] (Advantage Factor)
deku v·£i ztrátovosti paket·.
paket·.
Bitová rychlost [kbit/s]
Ie
40
32
24
16
16
12,8
8
8
8
7,4
8
8
6,7
13
5,6
12,2
5,3
6,3
2
7
25
50
7
20
10
11
20
10
19
6
24
20
23
5
19
15
- p°edstavuje odolnost pouºitého hlasového ko-
- p°edstavuje procentuální ztrátovost v²ech uºite£ných
- p°edstavuje pravd¥podobnost, ºe moºné projevené ztrátovosti
paket· budou shlukového charakteru £i nikoliv.
st°ed¥nosti poslucha£e.
- p°edstavuje faktor zvýhodn¥ní v závislosti na pot°eb¥ sou-
115
12
KVALITA EI
V²echny tyto uvedené parametry se spolu podílí na výsledné hodnot¥ R. Kaºdý z nich má
doporu£enou výchozí hodnotu, p°i které je výsledná kvalita dle skaláru R = 93,2, coº odpovídá
p°ibliºn¥ hodnot¥ 4,4 na stupnici MOS.
12.3.1 Výpo£et kvality °e£i v E-modelu
Výpo£et celého modelu se skládá z r·zných matematických operací nad parametry ovliv¬ujcí
kvalitu °e£i. Samotný výpo£et lze rozloºit do n¥kolika komponent [49]. Rovnice pro výpo£et
skaláru R je denována následujícím vztahem:
R = Ro − Is − Id − Ie -eff + A
Ro p°edstavuje základní odstup signálu od ²umu, ve kterém jsou zahrnuty v²echny moºné
druhy ²umu v£etn¥ ²um· zp·sobenými elektrickými obvody za°ízení a ²umy zp·sobených
na vedení. Is zahrnuje v²echny moºné kombinace zhor²ení, které se objevují více £i mén¥
soub¥ºn¥ s uºite£ným hlasovým signálem. Faktor Id p°edstavuje v²echna zhor²ení, která jsou
zp·sobena r·znými kombinacemi zpoºd¥ní. Ie-e zahrnuje zhor²ení zp·sobené uºitím ur£itého
hlasového kodeku, projevením moºné ztrátovosti paket·, a jeho odolnosti v·£i ztrátovosti.
V poslední °ade nám parametr A celkovou výslednou kvalitu mírn¥ zlep²uje, nebo´ nap°.
v p°ípad¥ satelitního telefonu je uºivatel na hovor více soust°ed¥ný neº p°i b¥ºném pouºití
pevného terminálu v domácím prost°edí.
12.3.2 Faktor zhor²ení zp·sobené za°ízením (Ie-e )
Zhor²ení kvality p°eneseného hlasu zp·sobené za°ízením v sob¥ zahrnuje ovlivn¥ní zp·sobené
uºitím ur£itého typu hlasového kodeku. To s sebou také p°iná²í r·znou odolnost v·£i moºné
ztrátovosti p°ená²ených paket·. Z toho plyne, ºe celková hodnota Ie-e je ovlivn¥na také
ztrátovostí a jejím charakterem. Záleºí tedy, zda ztrátovost je shlukového £i náhodného charakteru.
Parametr BurstR = 1, pokud m·ºeme °íci, ºe celková ztrátovost p°ená²ených paket· je
£ist¥ náhodná a BurstR > 1, pokud ztrátovost má shlukový charakter a projevuje se v ur£itých
pravidelných £i nepravidelných £asových intervalech, kde je za sebou ztraceno více paket·.
Komponenta Ie-e je tedy denována vztahem:
Ie -eff = Ie + (95 − Ie) ·
Ppl
Ppl
BurstR
+ Bpl
12.3.3 Faktor zvýhodn¥ní (A)
Faktor zvýhodn¥ní mírn¥ vylep²uje celkovou hodnotu skaláru R, coº je dáno tím, ºe za r·zných
podmínek je kladen jiný d·raz na soust°ed¥nost poslucha£e. Provizorní hodnoty denované v
doporu£ení ITU-T G.107 jsou uvedeny v tab. 12.4:
12.3.4 P°epo£et hodnoty R na MOS
Hodnota skaláru R leºí v rozsahu 0 - 100, kde niº²í hodnoty blíºící se k 0 odpovídají velmi nízké
kvalit¥ a hodnoty blíºící se ke 100 kvalit¥ vysoké. Tyto hodnoty lze p°epo£ítat na hodnoty
116
Tabulka 12.4: Provizorní hodnoty A
P°íklad komunika£ního systému
A
Pevný terminál
Mobilní terminál v budov¥
Mobilní terminál ve venkovním prost°edí nebo v pohybu
Terminál v oblasti s t¥ºkým p°ístupem (nap°. satelitní telefon)
0
5
10
20
MOS-CQE
odpovídající doporu£ení ITU-T P.800.1. Pro p°epo£et je pouºit vztah:

pro
 1
1 + 0, 035 · R + R · (R − 60) · (100 − R) · 7 · 10−6 pro
MOS -CQE =

4, 5
pro
<0
<R<
R > 100
R
0
100
117
13
BEZPENOST V KOMUNIKACÍCH
13 Bezpe£nost v komunikacích
Uº v nejstar²ích dobách lidé m¥li pot°ebu utajovat n¥která sd¥lení, £ili utajit zprávu, resp.
samotnou komunikaci, výsledkem je tajná komunikace.
Obrázek 13.1: P°ístup k °e²ení tajné komunikace.
Metody utajení zprávy b¥hem p°enosu m·ºeme rozd¥lit do dvou skupin, viz. 13.1:
steganograe (steganography), utajuje existenci zprávy, resp. existenci komunikace,
a kryptograe (cryptography), jejím cílem je za²ifrovat zprávu tak, aby obsah sd¥lení
nemohla získat osoba nepovolaná a aby ne²ifrovaný text byl znám pouze komunikujícím
stranám.
Obrázek 13.2: D¥lení kryptologie.
Kryptologie (cryptology) je v¥dní obor zahrnující kryptograi a kryptoanalýzu, viz. obr.
13.2:
kryptograe
ritm·,
118
(cryptography)
se zabýva návrhem a konstrukcí kryptograckých algo-
kryptoanalýza (cryptoanalysis) se v¥nuje metodám získávání otev°eného text· bez
znalosti klí£e a zkoumá odolnost kryptograckých algoritm·.
Nejprve si vysv¥tleme n¥kolik základních pojm· a zkratek, se kterými budeme v textu
b¥ºn¥ pracovat:
otev°ený text OT/PT (plain text) je informace v £itelné podob¥, která je ²ifrována,
²ifrovaný text T/CT (cipher text) výsledkem ²ifrování,
²ifrování E (encryption) je matematický postup p°etvá°ející otev°ený text na ²ifrový
text,
de²ifrování D (decryption), je komplementární matematický k operaci ²ifrování a analogicky p°etvá°í ²ifrový text do £itelné podoby,
zpráva M (message) je informace, kterou p°ená²íme,
klí£ K (key) je utajovaný parametr kryptograckého systému.
P°i vysv¥tlování moderních ²ifrovacích protokol· se £asto setkáváme s pouºíváním ktivních osob:
Alice a Bob, jsou tradi£ní jména pro základní ú£astníky protokolu, Alice obvykle odesílá
zprávu Bobovi,
Eva (Eve), je od odposlouchávající osoba eavesdropper v komunika£ním kanálu mezi
Alicí a Bobem, která se snaºí zjistit obsah sd¥lení.
13.1 Steganograe
Steganograe vyuºívá metody utajení komunikace ukrytím zpráv. Utajený p°enos zprávy probíhá v pozadí neutajené zprávy. Jedná se o techniku ukrytí zprávy v zpráv¥, resp. ukrytí tajné
informace ve zpráv¥. U£ebnicovým p°íkladem ze starého ecka je oholení hlavy posla, na kterou byl napsán vzkaz, kdyº vlasy op¥t narostly, mohl se posel vydat na cestu. Okolo roku 440
p°. n. l. Histiaeus z Milétu vyslal svého otroka s takto utajenou zprávou, aby varoval p°ed
útokem per²an·. Název metody má p·vod z °eckých slov steganos (skrytý) a graphein (psát).
Jedná se tedy o ukrytí zprávy ve zpráv¥ a m·ºeme ji rozd¥lit na technickou a lingvistickou
steganograi. [50]
13.1.1 Metody steganograe
Technická steganograe vyuºívá na utajení technické postupy jako neviditelné prvky,
ukrytí p°enosového média £i extrémní zmen²ení rozm¥r· zprávy. Pouºívá se v r·zných
formách i dnes, m·ºou to být nap°. miktrote£ky.
Lingvistická steganograe vyuºívá na ukrytí zprávy jinou podobu zápisu, nap°. se
objevuje na r·zných pozicích textu, aby ji bylo moºné získat, tak je nutné mít m°íºku s
119
13
otvory na t¥chto pozicích, tzv. Cardanova m°íºka.
Moderní steganograe realizuje utajenou komunikaci v pozadí neutajené. P°íbuznou
oblastí je vodoznak (watermarking), ten je zaloºen na vloºení p°ídavné informace do zprávy
resp. objektu, umoº¬uje vkládat ochranné známky. [51]
Tajnou zprávou, vodoznakem, je zpravidla informace o autorských právech, základním
poºadavkem je nejen spolehlivá lokalizace, extrakce a utajení, ale rovn¥º robustnost, £ili jeho
odolnost proti pozm¥n¥ní £i odstran¥ní. V jednom z obrázk· níºe, viz. obr. 13.3, je skryt text.
Obrázek 13.3: Steganograe ve snímku dívky Lena, zdroj USC-SIPI Image Database, University of Southern California.
13.2 Kryptograe
Primárním cílem kryptograe je utajit obsah zprávy ²ifrováním. ifra, kryptogracký algoritmus, ²ifrovací algoritmus nebo-li kryptosystém je matematický postup, který p°etvá°í otev°ený
text do takové podoby, kdy p·vodní informace se stává ne£itelnou.
13.2.1 Kerckhos·v princip
Základní axióm návrhu kryptograckého algoritmu formuloval v roce 1883 holandský lingvista
Auguste Kerckhos v £asopise Journal of Military Science, tzv. Kerckhos·v princip vyjad°uje
následující:
Bezpe£nost ²ifrovacího systému nesmí záviset na utajení algoritmu, ale pouze na utajení klí£e.
Vºdy se musí p°edpokládat, ºe nep°ítel zná ²ifru (algoritmus) do nejmen²ích detail·. Utajení musí spo£ívat pouze v klí£i (nap°. hesle), které nezná nikdo jiný. Kerckhos tím stanovil
základní pravidla p°i návrhu kryptosystému:
pouze klí£ je tajný,
kryptogracké algoritmy nejsou tajné,
120
musím p°edpokládat, ºe úto£ník zná princip ²ifrovacího systému.
13.2.2 Metody kryptograe
Klasická kryptograe pracuje p°edev²ím se substitucí a transpozicí:
substituce, nahrazuje kaºdý symbol neza²ifrované zprávy jiným symbolem, který z·stává na stejném míst¥ jako symbol p·vodní, výb¥r symbol· pro substituci ur£uje klí£
K,
transpozice, je p°euspo°ádání symbol· v neza²ifrované zpráv¥ zvoleným zp·sobem
(nap°. permutací), £ímº vznikne za²ifrovaná zpráva.
Moderní kryptograe je spojena s elektronickou formou komunikace, kde je p°enosový
kanál snadno monitorovatelný a zachycení zprávy jednodu²e realizovatelné a je stimulovaná
rozvojem teorie informace, výpo£etní techniky a neustálého r·stu výpo£etního výkonu a rozvojem moderních sítí.
Obrázek 13.4: Základní schéma, komunika£ním kanálem je p°ená²en ²ifrovaný text.
Z hlediska realizace ²ifrování lze moderní kryptograi rozd¥lit na:
kryptograi s tajným klí£em (Secret Key Cryptography), která pouºívá identický klí£ pro
²ifrování i de²ifrování a proto se ozna£uje jako symetrická,
a s ve°ejným klí£em, která pracuje s dvojicí klí£· privátním (Private Key) a ve°ejným
(Public Key), p°i£emº první je ur£ený k de²ifrování a druhý k ²ifrování, proto se
ozna£uje jako asymetrická.
Obtíºnost výpo£tu zaru£ují dva základní p°ístupy:
obtíºnost faktorizace velkých £isel (rozklad na prvo£initele),
a výpo£tu diskrétních logaritm·.
N¥které matematické operace jsou v jednom sm¥ru snadné a v opa£ném sm¥ru velmi
obtíºné, s po£tem nutných operací roste doba výpo£tu, £ili zvy²ujeme délku vstupu, na tomto
principu je postavena asymetrická kryptograe.
121
13
Novou oblastí je kvantová kryptograe (Quantum Cryptography), kvantová fyzika totiº
°e²í problém bezpe£ného p°enosu klí£e. Abeceda, do níº se kóduje p°edstavuje kvantové stavy
jedné £ástice, nap°. fotonu, odposlech se snadno detekuje, nebo´ ovlivní stav £ástice. Je-li
zji²t¥n odposlech, klí£ se nepouºije, kvantová kryptograe neumí zabránit odposlechu, umí jej
ale spolehliv¥ odhalit. Pro kvantovou fyziku, na rozdíl od klasické, platí, ºe n¥které veli£iny
v ur£itých stavech nelze p°esn¥ zm¥°it a opakování m¥°ení na identických replikách systému
vede k rozdílným výsledk·m, kvantové m¥°ení stav systému podstatn¥ zm¥ní. A£koliv je na
°ad¥ pracovi²´ v této oblasti veden dlouholetý intenzivní výzkum, tak na pouºití v praxi si
je²t¥ po£káme. [51]
13.2.3 Cíle kryptograe
Níºe je uvedeno p¥t cíl· kryptograe, kterými jsou d·v¥rnost, autentizace, autorizace, nepopiratelnost a integrita:
d·v¥rnost (Condentiality) nebo-li také utajení znamená uchování p°ená²ené informace
v tajnosti, je to nejd·leºit¥j²í cíl kryptograe,
autentizace (Authentication) je ov¥°ení identity, tj. ov¥°ení, ºe ten, s kým komunikujeme, je opravdu ten, se kterým si myslíme, ºe komunikujeme, p°i£emº autentizace m·ºe
probíhat na nap°. základ¥ znalosti hesla £i biometrických údaj· (otisky prst·),
autorizace (Authorization) je potvrzení p·vodu dat, prokázání, ºe data vytvo°il skute£n¥ ten, o n¥mº si myslíme, ºe je autorem,
nepopiratelnost (Non-Repudiation) zaji²úje, ºe autor dat nem·ºe pop°ít své autorství
a souvisí s autorizací, nap°. nezpochybn¥ní autorství provedené bankovní transakce,
integrita (Integrity) neboli celistvost dat se týká zamezení neoprávn¥né modikace
dat, tato modikace m·ºe být smazání £ásti dat, vloºení nových dat, nebo substituce
£ásti stávajících dat jinými daty.
13.3 Moderní kryptogracké systémy
V roce 1948 publikoval Claude E. Shannon práci A Mathematical Theory of Communication
[52], která je pokládána za základ teorie informace, a rok poté práci Communication Theory of
Secrecy Systems [53], která je pokládána za základ moderní kryptologie. Není bez zajímavosti,
ºe byla publikována díky nepozornosti vládních agent·, m¥la z·stat utajena. Shannon vyuºil
pojm· z teorie informace k ohodnocení bezpe£nosti známých ²ifer. Denoval entropii jazyka,
vzdálenost jednozna£nosti, dokázal absolutní bezpe£nost Vernamovy ²ifry, zavedl pojmy difúze
a konfúze a ukázal, jak posuzovat a konstruovat ²ifrové systémy kombinací r·zných typ· ²ifer.
Zavedl také model komunika£ního kanálu, který se pouºívá p°i popisu kryptograckých systém· dodnes. Ne£ekané impulsy pro kryptologii p°inesla po£íta£ová revoluce v sedmdesátých
letech. Nové technologické moºnosti p°inesly nové koncepty. Vznikly moderní blokové ²ifry a
byl objeven princip kryptograe s ve°ejným klí£em [54, 55]. Ochrana dat ve státní sfé°e v USA
si pak vynutila i vydání ve°ejné státní ²ifry DES [56].
Sou£asné algoritmy ²ifrování jsou obecn¥ známé a tajnost zprávy závisí pouze na tajnosti
klí£e. £asto jsou vyuºívány funkce, u kterých platí, ºe je výpo£tem velice obtíºné získat klí£
122
Obrázek 13.5: ifrovací algoritmus zaloºený na utajení klí£e.
p°i znalosti p·vodní zprávy a za²ifrované zprávy (záleºí na délce klí£e). Zárove¬ platí, ºe
²ifrování a de²ifrování (kdyº je k dispozici klí£) je rychlé. Obecn¥ platí, ºe zv¥t²ující se délka
klí£e zvy²uje výpo£etní náro£nost, p°i£emº na jedné stran¥ to znamená minimální zvý²ení
nárok· ²ifrování/de²ifrování p°i znalosti klí£e a na druhé stran¥ extrémní navý²ení sloºitosti
znemoº¬ující de²ifrovat ²ifrový text bez klí£e.
Nech´ M je mnoºina moºných otev°ených text·, S mnoºina ²ifrových text·, K mnoºina
moºných klí£·. Pak se zobrazení C : K × M → S prosté pro ∀k ∈ K nazývá ²ifrovací
algoritmus.
Nech´ m ∈ M, k ∈ K . Zna£íme Ck(m) := C(k, m).De²ifrovacim algoritmem se rozumí
zobrazení Dk(Ck(m)) = m.
Obrázek 13.6: Klasikace moderních ²ifer.
Zabezpe£ení komunikace je zaji²óváno pomocí kryptograckých nástroj·, denn¥ je pouºíváme, aniº jsme si toho v¥domi. Jde o ²ifrování v mobilních telefonech a £ím dál £ast¥ji je
komunikace ²ifrována i v síti Internet, nezbytností je pouºití kryptograckých protokol· p°i
123
13
autentizaci v po£íta£ových sítích, v elektronickém obchodování, internetovém bankovnictví,
atd ...
Zaji²t¥ní integrity p°ená²ených (²ifrovaných) zpráv je kupodivu velkým praktickým problémem mnoha moderních systém· a p°etrvává do sou£asnosti, stejn¥ jako mýtus, ºe ²ifrování
°e²í v²echny problémy bezpe£nosti. Klasikaci moderních ²ifer znázor¬uje obrázek.
Kryptogracký systém pro ²ifrování zpráv je p¥tice (M, C, K, E, D), kde M je prostor
otev°ených zpráv, C prostor ²ifrových zpráv a K prostor klí£·. E, D je dvojice zobrazení, které
kaºdému klí£i k ∈ K p°i°azují transformaci pro za²ifrování zpráv Ek a transformaci
pro de²ifrování zpráv Dk, Ek: M → C : m → c a Dk: C → M : c → m, p°i£emº pro kaºdé
k ∈ K a m ∈ M platí Dk(Ek(m)) = m.
Obrázek 13.7: Klasikace moderních kryptograckých algoritm·.
asto je myln¥ zam¥¬ován pojem kódování s pojmem ²ifrování. Stejn¥ jako ²ifrování je
kódování proces transformace dat, nicmén¥ kódování není p°ímo spojeno s cílem informaci
utajit, ale v nahrazení p·vodní informace informací jinou. Hlavní rozli²ující kritérium mezi
kódy a ²iframi je fakt, ºe k p°evodu kódu do £itelné podoby je nutná pouze znalost mechanismu
kódování, k p°evodu ²ifry ale nikoli [50].
13.3.1 Symetrická kryptograe
Pro de²ifrování zprávy je pot°eba za²ifrovaný text a stejný (sdílený) klí£, kterým byl otev°ený
text za²ifrován. Z toho vyplývá nutnost p°ed za£átkem komunikace p°edat d·v¥ryhodným
kanálem ²ifrovací klí£ spolu s dal²ími údaji (konkrétní typ algoritmu) druhé stran¥ [57].
Symetrický kryptogracký systém pro ²ifrování zpráv (symetrická ²ifra) je taková ²ifra, kde
pro kaºdé k ∈ K lze z transformace za²ifrování Ek ur£it transformaci de²ifrování Dk a naopak.
Mezi základní algoritmy vyuºívající symetrickou kryptograi pat°í DES, 3DES, CAST a
IDEA:
DES
je symetrický ²ifrovací algoritmus vyvinutý NSA
(National Security Agency). Je zaloºen na matematické permutaci 56-bitovým klí£em.
De²ifrování je provád¥no inverzní funkcí se stejným klí£em. Do nedávné doby byla tato
metoda povaºována za bezpe£nou. S nár·stem výpo£etní kapacity b¥ºn¥ dostupných
po£íta£· je dnes délka klí£e 56 bit· nedostate£ná a je doporu£ováno pouºití 3DES klí£·.
(Data Encryption Standard)
3DES (Triple-DES) je DES, který aplikuje na stejný blok dat 3 klí£e. Triple DES je
tedy 168-bitový. Zaji²úje vy²²í bezpe£nost, neºli CAST nebo IDEA. Ale je také mnohem
pomalej²í. Toto zpomalení v²ak není kritické pro rozumný objem dat.
124
Obrázek 13.8: Schéma symetrického kryptograckého systému.
IDEA (International Data Encryption Algorithm) je bloková ²ifra zaloºená na konceptu
mixování operací z r·zných algebraických skupin .
CAST je 128-bitová velmi rychlá ²ifra a je voln¥ k pouºití. Jmenuje se po svých
tv·rcích Carlisle Adams a Staord Tavares z Northern Telecom (Nortel). CAST je
imunní v·£i diferenciální i lineární kryptoanalýze. Tyto dv¥ metody jsou nejsiln¥j²í
publikované metody. Ob¥ byly úsp¥²né na DES.
Výhodou symetrické kryptograe je její rychlost. Dá se dob°e vyuºít pro ²ifrování dat, která
se nikam neposílají (za²ifrují se dokumenty na po£íta£i, aby je nikdo nemohl £íst). Nejv¥t²í
nevýhodou je, ºe pokud chceme s n¥kým tajn¥ komunikovat, musíme si p°edem bezpe£ným
kanálem p°edat klí£. To n¥kdy m·ºe být velký problém. Druhá nevýhoda je po£et pouºitých
klí£·, který roste s po£tem komunikujících stran [58].
13.3.2 Jednocestné funkce
Jednocestná funkce je taková funkce f : X → Y , pro kterou snadno z jakékoli hodnoty x ∈ X
vypo£ítáme y = f (x), ale pro jakýkoliv náhodn¥ vybraný obraz y ∈ f (X) je nemoºné najít její
vzor x ∈ X tak, aby y = f (x). P°itom víme, ºe takový vzor existuje, ale jeho nalezení je tak
výpo£etn¥ náro£né, ºe to pokládáme za nemoºné. Nejjednodu²²í cesta je faktorizace extrémn¥
velkých prvo£ísel, vynásobení je snadné a rychlé, pro rozklad existuje jen jedno °e²ení a jeho
nalezení nám £iní problém [59], [60].
13.4 Bezkoliznost a jednosm¥rnost
Funkci f : X → Y nazveme jednosm¥rnou (jednocestnou), jestliºe z jakékoli hodnoty x ∈
X je snadné vypo£ítat y = f (x), ale pro náhodn¥ vybranou hodnotu x ∈ X neumíme (je
výpo£etn¥ nemoºné) najít její vzor x ∈ X tak, aby y = f (x).
125
13
Obrázek 13.9: Princip jednocestné funkce.
Funkci f : X → Y nazveme bezkolizní, jestliºe je výpo£etn¥ nemoºné nalézt r·zná
x, x0 ∈ X tak, ºe f (x) = f (x0 ).
M¥jme p°irozená £ísla D, n a nech´ X je mnoºina v²ech binárních °et¥zc· délky 0 aº D
(prázdný °et¥zec je platným vstupem a má délku nula). Funkci h : X → (0, 1)n nazveme
ha²ovací funkce, jestliºe je jednosm¥rná a bezkolizní. íkáme, ºe kaºdému binárnímu °et¥zci z
mnoºiny X p°i°adí binární ha²ový kód délky n bit·.
Vezm¥me si p°íklad ha²ovací funkce MD5. Moºných zpráv je mnoho (1 + 21 + ... + 2D =
2D + 1 − 1), kde D = 26 4 − 1, a ha²ovacích kód· málo. U MD5 je jich pouze 21 28. Musí proto
existovat ohromné mnoºství zpráv, vedoucích na tentýº ha²ový kód - v pr·m¥ru je to °ádov¥
2D − 127. Kolizí tedy existuje ohromné mnoºství. Pointa je v tom, ºe nalezení by´ jediné kolize
je nad na²e výpo£etní moºnosti.
Obrázek 13.10: Výklad kolize.
13.4.1 Ha²ovací funkce
Jednocestné funkce se vyuºívají v tzv. hash algoritmech, které umí vytvo°it z libovoln¥ dlouhé
p°ená²ené zprávy M (t°eba i n¥kolik GB) její identikátor H (M) neboli digitální otisk dat
(krátké délky nap°. 160 bit·). V °ad¥ zemí jsou digitální otisky dat z hlediska identikace dat
126
legislativn¥ postaveny na stejnou úrove¬ jako otisky prst· [59]. P°íkladem hash algoritm· jsou
MD2, MD4, MD5, SHA-1, SHA-2, SHA-3. Hashovací funkce jsou pouºívány:
ke kontrole shody databází, nap°. ze dvou databází v geogracky vzdálených místech
sv¥ta se v ur£itý okamºik vytvo°í otisky dat a ty se porovnají za ú£elem ov¥°ení, ºe tyto
databáze jsou opravdu totoºné,
k prokázání autorství, nap°. vytvo°ím dílo, ale z ur£itých d·vod· nem·ºu dílo zve°ejnit
a mám obavy, ºe by n¥kdo mohl pop°ít mé prvenství a tak zve°ejním digitální otisk
(hash) tohoto díla,
k ukládání p°ihla²ovacích hesel, hesla uºivatel· neukládáme p°ímo, díky jednocestnosti
nejde heslo odvodit,
pouºití ha²ovacích funkcí jako pseudonáhodných generátor·.
13.5 Hashovací funkce s padacími vrátky
Dal²í aplikací jednocestných funkcí je Trapdoor Hash Function, tzv. hash algoritmus s padacími
vrátky. Jsou to takové jednosm¥rné funkce f, které lze invertovat jen za p°edpokladu znalosti
jejich padacích vrátek. Padací vrátka nazýváme privátním klí£em (d), který umí funkci f
invertovat, tj. systematicky um¥t vypo£ítávat vzory od p°edloºených obraz·.
Ve°ejnou cestu (E) charakterizuje ve°ejný klí£ (e) a privátní cestu (D) ven privátní klí£
(d). Protoºe jsou ob¥ cesty r·zné, odpovídající funkce ozna£ujeme r·zn¥.
Máme tedy transformace:
y = f (x) = Ee (x)
x = f −1 (y) = Dd (y)
U jednocestných funkcí s padacími vrátky pak platí, ºe pro kaºdý (úto£níkovi neznámý) klí£ový
pár (e, d) a pro skoro v²echna y je výpo£etn¥ nemoºné nalézt takové x, ºe y = Ee (x). Pro ta y,
které si úto£ník vytvo°í sám, nebo´ pro libovolné x m·ºe vypo£ítat y = Ee (x), je pochopiteln¥
schopen inverzi x = f −1 (y) ur£it. Také pro ur£ité klí£ové páry, které si vytvo°í sám, je schopen z
transformace Ee odvodit Dd . Denice proto musí obsahovat kvalitativní neschopnost úto£níka
systematicky invertovat zvolené nebo zadané obrazy jednosm¥rné funkce s padacími vrátky
[59].
13.6 Asymetrická kryptograe
Asymetrické kryptogracké systémy jsou první aplikací jednocestných funkcí s padacími
vrátky. Nejd°íve si uvedeme ²ifrovací systémy s ve°ejným klí£em. Klí£ pro za²ifrování m·ºeme poslat neutajen¥ nebo ho rovnou uve°ejnit, v tajnosti se uchovává pouze privátní klí£.
Alice si vygeneruje klí£ový pár (ve°ejný a privátní) a ve°ejný klí£ poskytne komunikujícím
stranám, nap°. Bobovi. Pokud Bob bude posílat Alici zprávu, tak jí za²ifruje jejím poskytnutým ve°ejným klí£em, tuto zprávu bude moci p°e£íst pouze ten, kdo vlastní privátní klí£, coº
je Alice.
127
13
Obrázek 13.11: Schéma asymetrického kryptograckého systému.
Kdyº to zobecníme, tak jakýkoliv uºivatel se znalostí jednosm¥rné funkce Ee m·ºe pro
libovolnou zprávu m vytvo°it c = Ee (m), tj. za²ifrovat ji.Nikdo, krom¥ p°íjemce, v²ak neumí
invertovat zachycený ²ifrový text a získat m z c , protoºe nezná padací vrátka Dd , viz. obr.
13.11.
Kryptosystémy s ve°ejným klí£em:
RSA: první praktický kryptosystém s ve°ejným klí£em zaloºený na sloºitosti úlohy faktorizace,
Rabin-Williams: varianta RSA, je sou£ástí p°ipravované normy skupinou P1363,
Die-Hellman: první algoritmus s ve°ejným klí£em, 1976, vyuºívá diskrétní logaritmus
v kone£ných polích,
DSA: algoritmus pro digitální podpisy navrºený NIST (USA),
El-Gamal: varianta Die-Hellmana ur£ená k ²ifrování,
Eliptické kryptosystémy: kryptosystémy na bázi eliptických k°ivek, mají nejkrat²í klí£e
z existujících kryptosystém·,
Lucas·v systém: systém na bázi Lucasových funkcí
13.7 Digitální podpisy
Dal²í aplikací jednocestných funkcí s padacími vrátky jsou digitální podpisy. P°edpokládejme,
ºe Dd Ee = I a uvaºujme, ºe transformace Ee a Dd jsou komutativní (nemusí vºdy být), tj.
Ee Dd = I .
M¥jme zprávu m a p°íslu²ný kryptosystém s ve°ejným klí£em (Ee , Dd ). Zprávu m podepí²eme p°ipojením hodnoty podpisu p = Dd (m). Kaºdý si m·ºe ve°ejnou transformací Ee ov¥°it,
ºe Ee (p) = Ee Dd (m) = m, tj. ºe m a p pat°í k sob¥. P°itom hodnotu p z m mohl vytvo°it
pouze vlastník padacích vrátek privátního podpisového klí£e d.
128
Obrázek 13.12: Schéma systému digitálního podpisu.
Nezbytné je ov²em zajisti, ºe transformace (Ee , Dd ) pat°í opravdu dané osob¥, coº poskytuje nezávislá t°etí strana, tzv. certika£ní autorita, která spojí identitu uºivatele s jeho
transformací Ee (tj. s jeho ve°ejným klí£em).
V obecn¥j²ích schématech digitálního podpisu aplikujeme ve°ejnou transformaci Ee na
dvojici (m, p) a obdrºíme nikoli data (m), ale pouze prvek z mnoºiny Ano, Ne, tj. zda podpis
je platný nebo neplatný. Tak pracují schémata digitálního podpisu s dodatkem.
13.8 Proudové ²ifry
Z hlediska pouºití klí£e ke zpracování otev°eného textu rozeznáváme dva základní druhy symetrických ²ifer - proudové a blokové.
Nech´ otev°ený text pouºívá vstupní abecedu A o q symbolech. Proudová ²ifra ²ifruje zvlá²´
jednotlivé znaky abecedy, zatímco bloková ²ifra zpracovává najednou bloky (°et¥zce) délky t
znak·. Podstatné na blokových ²ifrách v²ak je, ºe v²echny bloky jsou ²ifrovány (de²ifrovány)
stejnou transformací Ek (Dk ), kde k je ²ifrovací klí£. Naproti tomu proudové ²ifry nejprve
z klí£e k vygenerují posloupnost h(1), h(2),... a kaºdý znak otev°eného textu ²ifrují jinou
transformací - Eh(i).
Klasická denice proudových ²ifer zní, ºe zpracovávají otev°ený text po znacích, zatímco
blokové ²ifry po blocích t znak·. Proudové ²ifry by tedy mohly být chápány i jako blokové ²ifry
s blokem délky t =1, av²ak p°ipome¬me, ºe tou podstatnou odli²ností je, ºe u proudových
²ifer je kaºdý tento "blok"zpracováván jiným zp·sobem, jinou substitucí.
Nech´ A je abeceda q symbol·, nech´ M = C je mnoºina v²ech kone£ných °et¥zc· nad
A a nech´ K je mnoºina klí£·. Proudová ²ifra se skládá z transformace (generátoru) G, zobrazení E a zobrazení D. Pro kaºdý klí£ k ∈ K generátor G vytvá°í posloupnost hesla h(1),
h(2),... , p°i£emº prvky h(i) reprezentují libovolné substituce Eh (1), Eh (2), ...nad abecedou A.
Zobrazení E a D kaºdému klí£i k ∈ K p°i°azují transformace za²ifrování Ek a od²ifrování Dk .
129
13
Obrázek 13.13: Princip proudové ²ifry.
Za²ifrování otev°eného textu m = m(1), m(2), ... probíhá podle vztahu c(1) = Eh (1)(m(1)),
c(2) = Eh (2)(m(2)), ... a de²ifrování ²ifrového textu c = c(1), c(2), ... probíhá podle vztahu
m(1) = Dh (1)(c(1)), m(2) = Dh (2)(c(2)), ...kdeDh (i) = Eh (1).
13.8.1 Key-stream a Inicializa£ní vektor
Z historických d·vod· nazýváme G generátor hesla, nebo´ h(1), h(2) ,... bývá proud znak·
abecedy A a substituce Eh (i) posunem v abeced¥ A o h(i) pozic, tj. c(i) = (m(i) + h(i)) mod
q. Proudové ²ifry jsou p°íkladem historických tzv. heslových systém·. V anglické literatu°e
se heslo h(1), h(2) ,... nazývá running-key nebo key-stream (keystream), tj. proud klí£e,
i kdyº se jedná o derivát originálního klí£e k. Pokud se proud hesla za£ne od ur£ité pozice
opakovat, °íkáme, ºe jde o periodické heslo a periodickou ²ifru. Vigenerova ²ifra je periodickou
²ifrou.
Skute£n¥, u moderních proudových ²ifer ²ifrový text (T) vzniká tak, ºe jednotlivé bity
H proudu hesla jsou postupn¥ slu£ovány s jednotlivými bity proudu otev°eného textu OT
binárním s£ítáním. Schématicky bychom za²ifrování zapsali jako T = OT + H a od²ifrování
jako OT = T + H.
Pro generování hesla se dnes pouºívají kryptogracké algoritmy. Nejprve to byly mechanické ²ifrátory, poté elektrické a nakonec elektronické ²ifrovací stroje. Heslo se t¥mito ²ifrátory
vypo£ítávalo (generovalo) a distribuovaly se pouze ²ifrovací klí£e pro nastavení t¥chto ²ifrátor·. Aby klí£ nemusel být m¥n¥n p°íli² £asto, zavedl se princip náhodn¥ se m¥nícího
inicializa£ního vektoru (IV). IV byl pro kaºdou zprávu vybírán náhodn¥ a byl p°ená²en
p°ed ²ifrovým textem v otev°ené podob¥. Inicializa£ní vektor (za ú£asti tajného klí£e nebo
bez n¥j) nastavuje p°íslu²ný algoritmus (kone£ný automat, ²ifrátor) vºdy do jiného (náhodného) po£áte£ního stavu, £ímº by m¥la být i p°i stejném tajném klí£i generována pokaºdé jiná
heslová posloupnost. Za r·znost hesla zodpovídá IV, za utajenost zodpovídá tajný ²ifrovací
klí£. Tento princip se s malou obm¥nou vyuºívá i u blokových ²ifer [61].
130
Obrázek 13.14: Key-Stream generovaný z IV a ²ifrovacího klí£e.
13.9 Blokové ²ifry
Nech´ A je abeceda q symbol·, t ∈ N aM = C je mnoºina v²ech °et¥zc· délky t nad A.
Nech´ K je mnoºina klí£·. Bloková ²ifra je ²ifrovací systém (M, C, K, E, D), kde E a D jsou
zobrazení, denující pro kaºdé k ∈ K transformaci za²ifrování Ek a de²ifrování Dk tak, ºe
za²ifrování blok· otev°eného textu m(1), m(2), m(3),..., (kde m(i) ∈ M prokadi ∈ N ) probíhá
podle vztahu c(i) = Ek (m(i)) pro kaºdé i ∈ N a de²ifrování podle vztahu m(i) = Dk (c(i))
pro kaºdé i ∈ N . Pro denici blokové ²ifry je podstatné, ºe v²echny bloky otev°eného textu
jsou ²ifrovány toutéº transformací a v²echny bloky ²ifrového textu jsou de²ifrovány toutéº
transformací [61].
13.10 Matematické základy kryptograe
Nejprve si denujme rychlost jazyka otev°eného textu pomocí entropie. M¥jme abecedu Apt
(alphabet) s n znaky, ve které je pi pravd¥podobnost výskytu i-tého znaku Apt. Entropie
abecedy H(Apt) vyjad°uje st°ední mnoºství informace p°ipadající na jeden znak, coº ozna£íme
jako r (rychlost jazyka).
r = H(Apt) =
n
X
log2 pi
i=1
Pro angli£tinu pr·m¥rn¥ r=1,2 bit/znak. Ozna£me R jako absolutní rychlost jazyka obsahující N znak·, pro angli£tinu L=26 (po£et znak· v Apt) je R=4,7 bit/znak.
R = Hmax = log2 L
Redundanci D vypo£teme jako D = R−r, pro angli£tinu D = 3, 5. ím je v¥t²í redundance,
tím jednodu²²í je kryptoanalýza. Entropii kryptograckého systému H(K), který má K klí£·,
131
13
vypo£teme jako:
H(K) = log2 K
Kryptogracký systém s klí£em 64 bit· má entropii 64 bit· a £ím vý²²í bude H(K), tím
bude obtíºn¥j²í klí£ prolomit. Denujme jednotkový odstup U jako podíl entropie kryptograckého systému a redundance jazyka:
U=
H(K)
D
Za²ifrovanému textu s U > 1 odpovídá jediné smysluplné °e²ení. Pokud je U < 1, tak
otev°ený text OT bude po de²ifrování poskytovat více v¥rohodných text·. Ideální utajení
bude dosaºeno, pokud se U bude blíºit ∞.
13.10.1 Euklid·v algoritmus
ada moderních algoritm· je postavena na problému faktorizace velkých prvo£ísel. Rozklad
na prvo£ísla je z výpo£etního hlediska velmi náro£ný problém. Nejznám¥j²í zp·sob efektivního
výpo£tu nejv¥t²ího spole£ného d¥litele velkých £ísel je Euklid·v algoritmus [61].
Vstupem algoritmu jsou dv¥ p°irozená £ísla A a B . Algoritmus v kaºdém svém kroku d¥lí
£íslo A £íslem B , pokud zbytek není nulový, tak do A p°i°adí £íslo B a zbytek po d¥lení p°i°adí
do uvoln¥né prom¥nné B a celý postup opakuje.
V okamºiku, kdy je zbytek po d¥lení nulový, je v prom¥nné B uloºen nejv¥t²í spole£ný
d¥litel gcd (greatest common divisor) £ísel A a B .
A = xB + zbytek
Pokud bychom pot°ebovali najít nejmen²ího spole£ného násobitele lcm (least common muldvou £ísel n1, n2, tak jej vypo£teme pomocí gcd následovn¥:
tiple)
lcm(n1, n2) =
n1 n2
gcd(n1, n2)
13.10.2 Kongruence a vlastnosti modulární aritmetiky
Pokud dv¥ celé £ísla a, b ∈ N p°i d¥lení £íslem n z mnoºiny p°irozených £ísel N , n ∈ N mají
stejný z·statek r, kde 0 ≤ r < n , potom platí
a = nq1 + r
b = nq2 + r
a £ísla a, b jsou kongruentní dle modulu n., potom platí:
a ≡ b mod n
a mod n = b mod n
132
ak ≡ bk mod n
V modulární aritmetice se velmi £asto pro sou£et a sou£in vyuºívá :
[a(mod n) + b(mod n)] mod n = (a + b)(mod n)
[a(mod n) − b(mod n)] mod n = (a − b)(mod n)
[a(mod n) b(mod n)] mod n = (a b)(mod n)
Rovn¥º pro kongruentní strany rovnice lze vyuºít, jestliºe (a + b) ≡ (a + c)mod n , tak
potom platí, ºe b ≡ c mod n, coº lze snadno dokázat p°i£tením −a k ob¥ma stranám p·vodní
rovnice.
Jestliºe ab mod n ≡ ac mod n pak b ≡ c mod n , coº platí tehdy, kdyº a je nesoud¥lné s
n. Dokázat se dá p°idáním a−1 na ob¥ strany p·vodní rovnice.
13.10.3 Malá Fermatova v¥ta
Pro kaºdé prvo£íslo p a celé £íslo a ∈ Z nesoud¥lné s p, tzn. gcd(a, p) = 1, platí
ap−1 ≡ 1 mod p
D·sledkem je, ºe:
ap ≡ a mod p
P°íklad: Najd¥te nejmen²í kladný z·statek mocniny 3203 mod 101
3100 ≡ 1 mod 101
3203 = 3100 3100 33
3203 mod 101 = (1 · 1 · 27)mod 101 = 27
13.10.4 Eulerova v¥ta
Denujme si nejprve Eulerovu funkci Φ(n). Eulerova funkce Φ(n) udává po£et celých £ísel ≥ 1
nep°esahujících kladné celé £íslo n ≥ 1, která jsou nesoud¥lná s n. Jesltiºe n je prvo£íslo, pak
platí, ºe
Φ(n) = n − 1
. Eulerova funkce je multiplikativní, pokud m a n jsou nesoud¥lná, tzn.:
Φ(m · n) = Φ(m) · Φ(n)
.
Pokud n je k − tou mocninou prvo£ísla p, pak:
Φ(n) = Φ(pk ) = (p − 1) · pk−1
.
Pokud p a q jsou prvo£ísla a n je celé £íslo, tak platí:
n = p · q, Φ(n) = Φ(p) · Φ(q) = (p − 1) · (q − 1)
133
13
.
Eulerova v¥ta je zobecn¥ním malé Fermatovy v¥ty a umoº¬uje nám redukovat velké mocniny modulo n. Pro kaºdé celé £íslo n ≥ 2 a kaºdé £íslo a, které je nesoud¥lné s n, platí:
aΦ (n) ≡ 1 mod n
Z Eulerovy v¥ty plyne, jestliºe je n sou£in dvou r·zných prvo£ísel a ar ≡ as · mod n pro
v²echna celá £ísla a , pokud po£ítáme mod n , exponenty mohou být redukovány modul Φ(n).
13.10.5 ínská v¥ta o zbytcích
Nech´ m1 , ..., mk jsou po dvou nesoud¥lná celá £ísla, nech´ a1 , ..., ak ∈ Z , potom
x ≡ a1 mod m1
x ≡ a2 mod m1
.............
x ≡ ak mod mk
V²echna °e²ení této soustavy kongruencí jsou navzájem kongruentní moduloM = m1 ·
m2 ...mk
13.10.6 RSA algoritmus
Algoritmus RSA pracuje s velkými celými £ísly, které mohou mít °ádov¥ stovky bit·, asymetrické ²ifrování pomocí RSA je cca 1000 pomalej²í neº nap°. symetrickým algoritmem DES
[61].
V algoritmu RSA jsou p a q prvo£ísla a jejich sou£in je vy²²í neº nejvy²²í za²ifrovatlné
£íslo.
p = 3, q = 7
Modulus (£ást ve°ejného klí£e) ozna£me jako n.
n = p · q, p = 3 · 7 = 21
Φ = (p − 1) · (q − 1), Φ = 2 · 6 = 12
Enkryp£ní exponent e je ve°ejný klí£. Zvolme e < Φ, e je nesoud¥lné s Φ, e = 5. Dekryp£ní
exponent d je soukromý klí£. Zbytek po d¥lení e · d/Φ je 1, tj. e · d mod Φ = 1.
5 · d/12 = x, zbytek1
e · d = x · Φ + 1, nap.d = 17pix = 7
Ve°ejný klí£ e = 5, modulus n = 21, soukromý klí£ d = 17. Zpráva M je otev5en7
ne3ifrovan7 text, 0 < M < (n − 1). Ukáºeme si výpo£et za²ifrované zprávy C. Nech´ M = 2.
C = M e mod n, C = 25 mod 21 = 32 mod 21 = 11
M = cd mod n, M = 1117 mod 21 = 505447028499293771 mod 21 = 2
134
13.10.7 Diie-Helman·v algoritmus
Nech´ m, g, Y ∈ N , potom pro kaºdé k ∈ N , kde platí:
Y ≡ g k mod m
nazveme diskrétní logaritmus o základu g £ísla Y . Protoºe k není ur£eno jednozna£n¥,
n¥kdy se denice upravuje tak, ºe se vybere ze v²ech moºných k to nejmen²í. Denici lze
zobecnit na libovolnou cyklickou kone£nou multiplikativní grupu G s generátorem g . Zatímco
spo£ítat Y ze znalosti k, m, g je snadné, spo£ítat diskrétní logaritmus je mnohem obtíºn¥j²í.
Algoritmus byl navrºen roku 1976 Witeldem Diem a Martinem Hellmanem a umoº¬uje
p°es nezabezpe£ený komunika£ní kanál sestavit tajný klí£, který lze pouºít pro následnou
²ifrovanou komunikaci.
Obrázek 13.15: DH algoritmus.
Alice a Bob se domluví na spole£né multiplikativní cyklické kone£né grup¥ G s generátorem
g . Alice si zvolí náhodné p°irozené £íslo a a ode²le výsledek výpo£tu g a Bobovi.
Bob si zvolí náhodné p°irozené £íslo b a ode²le výsledek výpo£tu g b Alici. Alice si vypo£te
b
(g )a , Bob si vypo£te (g a )b . Oba nyní díky asociativit¥ umoc¬ování vlastní tajný klí£ g ab ,
který m·ºe slouºit pro dal²í ²ifrování.
V DH algorimtu je pouºita funkce modulo, zbytek po d¥lení prvo£íslem p vede k vým¥n¥
men²ího mnoºství dat mezi komunikujícími stranami. Bob za²le Alici g, p, A, kde A = g a mod p.
Bob za²le Alici B , které vypo£te jako B = g b mod p, viz. obr. 13.15. Tajný klí£ K je potom
výsledkem následujícího výpo£tu:
K = Ab mod p = (g a mod p)b mod p = g ab mod p = (g b mod p)a mod p = B a mod p
135
REFERENCE
Reference
[1] V. Sobotka.
[2] J. Prokop.
P°enosové systémy.
SNTL, 1989. ISBN 9788003001125.
Ú£astnická telefonní za°ízení.
Nadas, 1984.
[3] J. Rozhon, V. Babica, M. Voznak, L. Macura, and J. Vychodil. Wireless ip phone for the
visually impaired. RTT 2010, pages 172175. VB-TUO, 2010. ISBN 9780801496912.
[4] J.G. van Bosse and F.U. Devetak. Signaling in Telecommunication Networks. Wiley
Series in Telecommunications and Signal Processing. Wiley, 2006. ISBN 9780470048139.
[5] M. Voz¬ák. Spojovací systémy. Vysoká ²kola bá¬ská - Technická univerzita Ostrava,
2009. ISBN 9788024819617.
[6] M.P. Clark. Networks and Telecommunications:
technology. Wiley, 1997. ISBN 9780471973461.
Design and Operation.
Communications
[7] J. Bellamy. Digital Telephony, 3rd Ed. Wiley Series in Telecommunications and Digital
Processing. Wiley India Pvt. Limited, 2006. ISBN 9788126509294.
[8] N. Wilkinson. Next generation
2002. ISBN 9780471486671.
[9] M. Voz¬ák. Voice over
ISBN 9788024818283.
IP.
network services: technologies and strategies.
J. Wiley,
Vysoká ²kola bá¬ská - Technická univerzita Ostrava, 2008.
[10] I. Fi²er. Phonet - telefonní úst°edny 5. generace. 2008.
[11] K. Elicer.
Konstrukce sd¥lovacích kabel· a vedení.
VUT, 1980.
[12] T. Hubený. Modely symetrických vedení zaloºené na fyzikálních vlastnostech a geometrii kabelu, 2006. URL <http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=
2006042301> .
[13] F. Schenk. Jak se d¥lá kabel, 2011. URL <http://www.odbornecasopisy.cz/res/pdf/
44238.pdf> .
[14] J. Vodráºka. Diagnostika p°ípojek metodou tdr. 2004. URL <http://access.fel.
cvut.cz/view.php?cisloclanku=2004072914> .
[15] M. Filka. Optoelektronika
9788086785141.
[16] P. Lafata and J. Vodráºka.
978-80-01-05463-5.
pro telekomunikace a informatiku.
Optické p°ístupové sít¥ a p°ípojky FTTx.
[17] S.V. Kartalopoulos. Optical
ISBN 9780471615453.
VUT, 2014. ISBN
bit error rate: an estimation methodology.
[18] J.A. Buck. Fundamentals of
2004. ISBN 9780471221913.
136
M. Filka, 2009. ISBN
Optical Fibers.
IEEE Press, 2004.
A Wiley interscience publication. Wiley,
[19] B.E.A. Saleh and M.C. Teich.
ISBN 80-85863-01-4.
Základy fotoniky: Sv. 1.
[20] J. Mi²ek, J. Kortán, and L. Ku£era.
technika. SNTL, 1988.
Number sv. 1. Matfyzpress, 1994.
Polovodi£ové zdroje optického zá°ení.
[21] M. Kucharski and P. Dubský. M¥°ení p°enosových
tras. Mikrokom, 1998. ISBN 9788023828443.
Polovodi£ová
parametr· optických vláken, kabel· a
[22] P. Lafata. Pasivní optické sít¥ wdm-pon. 2009. URL <http://access.feld.cvut.cz/
view.php?nazevclanku=pasivni-opticke-site-wdm-pon&cisloclanku=2009050004> .
[23] Jan A. Novák. Marconiho velké s a je²t¥ v¥t²í pr, 2010. URL <http://hn.ihned.cz/
c1-40108040-marconiho-velke-s-a-jeste-vetsi-pr> .
[24] V. alud.
Moderní radioelektronika.
[25] J. Dobe² and V. alud.
9788073001322.
[26] P. Pecha£. Modely
9788073001865.
[27] A.F. Molisch.
9781118355688.
BEN, 2000. ISBN 9788086056470.
Moderní radiotechnika.
²í°ení vln v zástavb¥.
BEN - technická literatura, 2006. ISBN
BEN - technická literatura, 2005.
Wireless Communications.
Wiley - IEEE. Wiley, 2012.
ISBN
ISBN
[28] B. imák, J. Vodráºka, and J. Svoboda. Digitální ú£astnické p°ípojky xDSL.: Díl 1.
Number díl 1 in Telekomunikace (Sd¥lovací technika). Sd¥lovací technika, 2005. ISBN
9788086645070.
[29] B. imák, J. Vodráºka, and J. Svoboda. Digitální ú£astnické p°ípojky xDSL.: Díl 2.
Number díl 1 in Telekomunikace (Sd¥lovací technika). Sd¥lovací technika, 2005. ISBN
9788086645169.
[30] J. Vodráºka and P. Lafata. Pasivní optická sí´ gpon. 2009. URL <http://access.feld.
cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050002> .
[31] W. Ciciora, J. Farmer, D. Large, and M. Adams. Modern Cable Television Technology. The Morgan Kaufmann Series in Networking. Elsevier Science, 2004. ISBN
9780080511931.
[32]
G.983.1: Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON).
[33]
G.984.1: Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics.
ITU-T, .
ITU-T, .
[34] L. Dostálek and A. Kabelová. Velky pr·vodce protokoly TCP/IP
munikace & sít¥. Computer Press, 2000. ISBN 9788072263233.
[35] R. Puºmanová.
[36] V. Novotný.
TCP/IP v kostce (2. vyd.).
Architektura sítí.
a systémem DNS.
Ko-
Kopp, 2009. ISBN 978-80-7232-388-3.
VUT Brno, 2002.
137
REFERENCE
[37] A.S. Tanenbaum. Computer
ISBN 9780130661029.
Networks.
Computer Networks. Prentice Hall PTR, 2003.
[38] S. Hanus, J. Fencl, and V. tencel. Bezdrátové a mobilní komunikace II. Vysoké u£ení
technické v Brn¥, Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, Ústav radioelektroniky, 2005. ISBN 9788021428171.
[39] L'. Dobo², J. Dúha, S. Marchevsky, V. Wieser, and ilinská univerzita. Mobilné rádiové
siete. Odborné kniºné publikácie. ilinská univerzita, 2002. ISBN 9788071009368.
[40] J. Eberspächer, H.J. Vögel, C. Bettstetter, and C. Hartmann. GSM - Architecture, Protocols and Services. Wiley InterScience online books. Wiley, 2008. ISBN 9780470741726.
[41] J. Prokopec. Systémy mobilních komunikací: sít¥ pro mobilní datové sluºby. VUT v Brn¥,
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, Ústav radioelektroniky, 2012. ISBN
9788021444980.
[42] C. Kappler.
UMTS Networks and Beyond.
[43] H. Holma and A. Toskala. LTE
2012. ISBN 9781118399415.
Wiley, 2009. ISBN 9780470743133.
Advanced: 3GPP Solution for IMT-Advanced.
[44] S. Sesia, I. Touk, and M. Baker. LTE - The UMTS
to Practice. Wiley, 2011. ISBN 9780470978641.
[45] H. Sinnreich, A.B. Johnston, and R. Sparks.
2005. ISBN 9780974813004.
Wiley,
Long Term Evolution: From Theory
SIP Beyond VoIP.
VON Publishing LLC,
[46] W.C. Hardy. VoIP Service Quality: Measuring and Evaluating Packet-switched
McGraw-Hill networking professional. McGraw-Hill, 2003. ISBN 9780071429153.
Voice.
[47] D. Collins. Carrier Grade Voice Over IP. McGraw-Hill networking professional. McGraw-Hill Professional Publishing, 2002. ISBN 9780071501118.
[48] N. Wilkinson. Next generation
2002. ISBN 9780471486671.
[49]
network services: technologies and strategies.
J. Wiley,
ITU-T G.107: The E-model: A computational model for use in transmission planning.
ITU-T, 2011.
[50] J. Bartl. Steganograe a moºnosti jejího vyuºití. Master's thesis, Univerzita Tomá²e Bati
ve Zlín¥. Fakulta aplikované informatiky, 2010.
[51] B. Schneier. Applied cryptography:
1996. ISBN 9780471128458.
protocols, algorithms, and source code in C.
Wiley,
[52] C. Shannon. A mathematical theory of communication. pages 379423, 623656, 1948.
[53] Claude E Shannon. Communication theory of secrecy systems.
journal, 28(4):656715, 1949.
Bell system technical
[54] Whiteld Die and Martin E Hellman. New directions in cryptography.
Theory, IEEE Transactions on, 22(6):644654, 1976.
138
Information
[55] Ronald L Rivest, Adi Shamir, and Len Adleman. A method for obtaining digital signatures
and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21(2):120126, 1978.
[56] Des - data encryption standard, 1999. URL <http://csrc.nist.gov/CryptoToolkit/
tkencryption.html> .
[57] V. Klíma. Základy moderní kryptologie symetrická kryptograe ii., 2005. URL <http:
//crypto-world.info/klima/> .
[58] Kryptograe, ²ifrování,
kryptografie.php> .
de²ifrování.
URL
<http://kryptografie.ic.cz/
[59] V. Klíma. Základy moderní kryptologie symetrická kryptograe i., 2005. URL <http:
[60] V. Klíma. Základy moderní kryptologie symetrická kryptograe iii., 2007. URL <http:
[61] D. Levický. Kryptograa
9788080861636.
v informa£nej a sieóvej bezpe£nosti.
Elfa Ko²ice, 2010. ISBN
139
Autor:
Katedra:
Název:
Místo, rok, vydání:
Po£et stran:
Vydala:
Náklad
Miroslav Voz¬ák, Libor Michalek
Katedra telekomunika£ní techniky
Komunika£ní technologie pro integrovanou výuku VUT a VB-TUO
Ostrava, 2014, 1. vydání
139
CD-ROM, 1000 ks
Neprodejné
ISBN 978-80-248-3447-4

F - CZ

Transkript

Podobné dokumenty

ZDE.

Jak chutná Kampánie_LCI 3:2012