1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 1.1. Επικοινωνία και τηλεπικοινωνία Ως «επικοινωνία» μπορεί να οριστεί η ανταλλαγή καταληπτής πληροφορίας μεταξύ δύο ή περισσοτέρων ατόμων ενώ ως «τηλεπικοινωνία», θεωρείται, γενικά, η ανταλλαγή καταληπτής πληροφορίας με χρήση ηλεκτρικών σημάτων. Σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα, θεωρείται ότι μια «πηγή πληροφορίας» ή «αποστολέας» (information source ή sender) παράγει τη «φυσική» πληροφορία. Η πληροφορία αυτή μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα με τη βοήθεια ενός πομπού (transmitter). Ακολουθεί η μετάδοση του σήματος προς το δέκτη (receiver) όπου το σήμα μετατρέπεται εκ νέου στην (αρχική) «φυσική» πληροφορία η οποία και παρέχεται στον τελικό αποδέκτη. πληροφορία σήμα σήμα πληροφορία Πηγή μ(t) Μετατροπέας m(t) Πομπός Μέσο Δέκτης m ~ (t) Μετατροπέας μ ~ (t) Αποδέκτης πληροφορίας πληροφορίας Το τυπικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα (σχηματική αναπαράσταση) (Το ~ δηλώνει ότι το σήμα εξόδου του δέκτη είναι «παραμορφωμένο» ως προς το σήμα εισόδου του πομπού, λόγω της επίδρασης του θορύβου) Στο παραπάνω σχήμα, η «φυσική» πληροφορία μπορεί να είναι ο ήχος ενός ομιλητή, μια εικόνα (κινούμενη ή ακίνητη), η ένδειξη μιας μετρητικής διάταξης (π.χ. θερμομέτρου) κλπ. 1.2. Σήματα Ένα ηλεκτρικό σήμα μπορεί να είναι μια μεταβαλλόμενη τάση υ(t) (σε Volts) ή ένα μεταβαλλόμενο ρεύμα i(t) (σε Amperes) και μπορεί να θεωρηθεί ως το «ηλεκτρικό αντίγραφο» της πρωτογενούς «φυσικής» πληροφορίας (φωνής, εικόνας, αλφαριθμητικών δεδομένων υπολογιστή κλπ.) Για παράδειγμα, το μικρόφωνο του μικροτηλεφώνου μετατρέπει τα ηχητικά κύματα της φωνής σε ένα ηλεκτρικό σήμα (που μεταδίδεται μέσω της τηλεφωνικής γραμμής), ένας εικονολήπτης (camera) μετατρέπει τις φυσικές εικόνες σε Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.1
ένα σύνθετο ηλεκτρικό σήμα που εμπεριέχει την πληροφορία για τη φωτεινότητα και τη χρωματικότητα των εικόνων αυτών, ενώ ο υπολογιστής μετατρέπει τους πληκτρολογημένους αλφαριθμητικούς χαρακτήρες, σε παλμοσειρές που μεταδίδονται π.χ. μέσω ενός τοπικού δικτύου υπολογιστών. Η μεταβολή των ηλεκτρικών σημάτων μπορεί είτε να υπακούει σε κάποιο καθορισμένο μαθηματικό τύπο, οπότε το σήμα χαρακτηρίζεται ως αιτιοκρατικό, είτε να γίνεται κατά τυχαίο τρόπο, οπότε το σήμα χαρακτηρίζεται ως στοχαστικό. Για παράδειγμα, ένα ημιτονικό σήμα m(t) είναι αιτιοκρατικό αφού περιγράφεται πλήρως από το μαθηματικό τύπο m(t) = A m sin(2πf m t). Αντίθετα, οι τυχαίες «αλλοιώσεις», λόγω παρεμβολών κλπ., που υφίστανται τα μεταδιδόμενα σήματα, δεν μπορούν να εκφραστούν από συγκεκριμένο μαθηματικό τύπο και συνιστούν στοχαστικό σήμα (το θόρυβο). Ένας άλλος τρόπος κατηγοριοποίησης των ηλεκτρικών σημάτων αφορά τις τιμές που αυτά λαμβάνουν κατά το χρονικό διάστημα μεταβολής τους. Έτσι, ένα σήμα που λαμβάνει οποιαδήποτε τιμή μέσα στα όρια μεταβολής του (π.χ. οποιαδήποτε τιμή από 5 έως +5 V), χαρακτηρίζεται ως αναλογικό ενώ τα σήματα που λαμβάνουν μόνο συγκεκριμένες τιμές (π.χ. την τιμή +5 V για την κατάσταση «1» και την τιμή 5 V για την κατάσταση «0») χαρακτηρίζονται ως ψηφιακά. Όπως θα αναφερθεί και στο κεφάλαιο 7, βασικό πλεονέκτημα των ψηφιακών σημάτων είναι η αυξημένη ατρωσία τους έναντι των επιδράσεων του θορύβου. Από την άλλη πλευρά, ένα ψηφιακό σήμα καταλαμβάνει, γενικά, πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης από το αντίστοιχο αναλογικό (π.χ. ένα ψηφιακό τηλεφωνικό σήμα έχει εύρος ζώνης άνω των 30 khz, σχεδόν 10-πλάσιο του αντίστοιχου αναλογικού, ενώ το ψηφιακό τηλεοπτικό σήμα έχει εύρος περί τα 140 ΜΗz, περίπου 25-πλάσιο του αντίστοιχου αναλογικού). Τέλος, ένας ακόμη τρόπος κατηγοριοποίησης των σημάτων είναι σε συνεχή (ο χρόνος t είναι συνεχής μεταβλητή) και διακριτά (το σήμα λαμβάνει τιμές σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές t = nτ, όπου n =, 2, 1, 0, +1, +2, ). Ανεξάρτητα από τον τύπο του, βασική παράμετρος για ένα σήμα είναι το εύρος ζώνης συχνοτήτων (ή, απλώς, το εύρος ζώνης) Β (Hz) που το σήμα καταλαμβάνει. Για παράδειγμα, τα τηλεφωνικά σήματα (στα οποία η βασική απαίτηση είναι η καταληπτότητα της φωνής) περιέχουν συχνότητες από 0,3 έως 3,4 khz (εύρος ζώνης B =3,4 0,3 = 3,1 khz), ένα μουσικό σήμα υψηλής πιστότητας περιέχει συχνότητες από 20 Hz έως 20 khz (εύρος ζώνης B = 20 khz 20 Ηz = 19,98 khz) ενώ το έγχρωμο τηλεοπτικό σήμα καταλαμβάνει εύρος ζώνης Β 5,5 ΜHz. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.2
Σήμα Μουσικό σήμα (υψηλής πιστότητας) Τηλεφωνικό σήμα Τηλεοπτικό σήμα Εύρος ζώνης Β 19,98 khz 3,1 khz 5,5 ΜΗz 1.3. Τεχνικές μετάδοσης Η σκοπιμότητα της χρήσης τεχνικών μετάδοσης είναι αφενός η βέλτιστη χρήση των δυνατοτήτων μιας τηλεπικοινωνιακής ζεύξης (ιδιαίτερα του διαθέσιμου εύρους ζώνης του καναλιού) και αφετέρου η προστασία των μεταδιδόμενων σημάτων έναντι των επιδράσεων του θορύβου. Οι κυριότερες τεχνικές μετάδοσης είναι: Η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Analog-to-Digital Conversion -Α/D-) Η διαμόρφωση (modulation) Η πολυπλεξία. Η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Analog-to-Digital Conversion -Α/D-) Μέσω της μετατροπής αυτής (που γίνεται από ειδική μονάδα του πομπού), το αρχικό αναλογικό σήμα πληροφορίας m(t) μετατρέπεται σε ψηφιακή παλμοσειρά m D (t). Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, ένα βασικό πλεονέκτημα της ψηφιακοποίησης των σημάτων είναι η αυξημένη ατρωσία τους έναντι των επιδράσεων του θορύβου και η ευκολία επεξεργασίας τους. Η τεχνική ψηφιακοποίησης που σχεδόν κατ αποκλειστικότητα χρησιμοποιείται στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα είναι η παλμοκωδική διαμόρφωση (Pulse Code Modulation ή PCM) ενώ άλλες τεχνικές είναι η διαμόρφωση «δ» και η διαφορική παλμοκωδική διαμόρφωση (DPCM). Η διαμόρφωση (modulation) Στα περισσότερα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, το σήμα πληροφορίας m(t) (είτε αναλογικό είτε ψηφιακό) δεν διοχετεύεται αυτούσιο στο μέσο μετάδοσης, αλλά «διαμορφώνει» το πλάτος A c, τη συχνότητα f c ή τη φάση φ c ενός υψίσυχνου ημιτονοειδούς σήματος που λέγεται φέρον και είναι της μορφής c(t) = A c cos(2πf c t+φ c ) που χαρακτηρίζεται ως φέρον. Ανάλογα με το χαρακτηριστικό που διαμορφώνεται (πλάτος, συχνότητα ή φάση) η διαμόρφωση χαρακτηρίζεται, αντίστοιχα, ως διαμόρφωση Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.3
πλάτους, συχνότητας ή φάσης. Έτσι, το σήμα που τελικά μεταδίδεται δεν είναι το m(t) αυτό καθεαυτό, αλλά ένα σύνθετο (διαμορφωμένο) σήμα s(t), στο οποίο εμπεριέχεται η αρχική πληροφορία. O δέκτης λαμβάνει το σύνθετο σήμα s(t) και, μέσω του αποδιαμορφωτή, εξάγει το αρχικό (αναλογικό ή ψηφιακό) σήμα πληροφορίας m(t) 1. m(t) Διαμορφωτής s(t)... s ~ (t) Αποδιαμορφωτής m ~ (t) c(t)= A c cos(2πf c t+φ c ) (πλευρά πομπού) (πλευρά δέκτη) Διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση σημάτων (σχηματικό διάγραμμα) Από τα παραπάνω σήματα, το σήμα πληροφορίας m(t) χαρακτηρίζεται και ως σήμα βασικής ζώνης (baseband signal), το ημιτονοειδές σήμα c(t) είναι το φέρον (carrier) ενώ το τελικά μεταδιδόμενο σήμα s(t) είναι το διαμορφωμένο σήμα ή σήμα ζώνης (modulated/ passband signal). Παρ όλο που συνήθως το διαμορφωμένο σήμα s(t) καταλαμβάνει μεγαλύτερο εύρος ζώνης από ότι το (αρχικό) σήμα πληροφορίας m(t), η διαμόρφωση διευκολύνει την υλοποίηση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων (π.χ. η κατασκευή κεραιών για την απευθείας χωρίς διαμόρφωση μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων είναι εξαιρετικά δύσκολη έως αδύνατη) ενώ καθιστά δυνατή και την ταυτόχρονη μετάδοση σημάτων μέσω της εφαρμογής τεχνικών πολυπλεξίας. Η χρήση της διαμόρφωσης είναι υποχρεωτική για τις ραδιοζεύξεις και τις ζεύξεις οπτικών ινών ενώ, στα καλωδιακά συστήματα, χρησιμοποιείται σπανιότερα. Παράδειγμα: Κλασικό παράδειγμα εφαρμογής διαμόρφωσης είναι η ραδιοφωνία. Έτσι, για κάθε ραδιοφωνικό σταθμό, καθορίζεται ένα φέρον (ουσιαστικά μία φέρουσα συχνότητα) το οποίο διαμορφώνεται από το ηχητικό σήμα. Για παράδειγμα, στην ΕΡΑ2 έχει διατεθεί, ως φέρουσα συχνότητα, η 102,9 MHz, στην ΕΡΑ-Sport η 101,8 MHz κλπ. Πολυπλεξία 1 Για λόγους συντομίας, η συγκεκριμένη (εισαγωγική) ενότητα αναφέρεται στη συνήθη περίπτωση που το φέρον είναι ημιτονοειδές σήμα της μορφής c(t) = A c cos(2πf c t+φ c ). Υπάρχουν περιπτώσεις που, ως φέρον, χρησιμοποιείται ψηφιακή παλμοσειρά με παλμούς πολύ μικρής διάρκειας. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.4
Ως τεχνική, η πολυπλεξία επιτρέπει την ταυτόχρονη μετάδοση σημάτων μέσω του ίδιου τηλεπικοινωνιακού μέσου. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της διάθεσης, σε κάθε σήμα, είτε μίας ιδιαίτερης περιοχής συχνοτήτων (πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, Frequency Division Multiplexing, FDM) είτε ενός ιδιαίτερου χρονικού διαστήματος (πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου, Time Division Multiplexing, TDM). Η τεχνική FDM υλοποιείται σε συνδυασμό με κάποια τεχνική διαμόρφωσης και χρησιμοποιείται κατά τη μετάδοση αναλογικών σημάτων ενώ η τεχνική ΤDM χρησιμοποιείται για τη μετάδοση ψηφιακών σημάτων. Παράδειγμα: Προκειμένου να αυξηθεί η χωρητικότητα των αναλογικών τηλεφωνικών δικτύων (δεκαετίες 1970 και 1980), χρησιμοποιήθηκαν τα λεγόμενα «φερέσυχνα» συστήματα, μέσω των οποίων ήταν δυνατή η ταυτόχρονη μετάδοση τηλεφωνικών σημάτων με πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας. Σε πρώτο επίπεδο, ήταν δυνατή η μετάδοση (μέσω της ίδιας γραμμής) 12 τηλεφωνικών σημάτων, καθένα από τα οποία διαμόρφωνε ένα ξεχωριστο φέρον (συχνότητες φερόντων: 60, 64, 104 khz) με αποτέλεσμα τα 12 αρχικά σήματα (εύρους ζώνης 0-4 khz το καθένα) να μεταδίδονται ταυτόχρονα (και μέσω του ίδιου καλωδίου), το καθένα σε διαφορετική ζώνη συχνοτήτων (60 64 khz, 64 68 khz, 104 108 khz). 1.4. Τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις 1.4.1. Γενικά Τηλεπικοινωνιακή ζεύξη είναι ένα σύνολο διατάξεων μέσω των οποίων υλοποιείται η μετάδοση σημάτων. Τα βασικά μέρη μιας τηλεπικοινωνιακής ζεύξης είναι ο πομπός, το μέσο μετάδοσης και ο δέκτης. Το μέσο μετάδοσης μπορεί να είναι είτε αγώγιμο (χάλκινο) καλώδιο (οπότε η αντίστοιχη ζεύξη χαρακτηρίζεται ενσύρματη ή καλωδιακή) είτε καλώδιο οπτικών ινών (oπότε η ζεύξη χαρακτηρίζεται ινοοπτική) είτε η ατμόσφαιρα (οπότε η ζεύξη χαρακτηρίζεται ασύρματη ή ραδιοζεύξη). Πομπός Μέσο Δέκτης Τηλεπικοινωνιακή ζεύξη Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.5
Στα πρώτα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, τα μεταδιδόμενα σήματα διατηρούνταν στην (αρχική) αναλογική τους μορφή (αναλογικά συστήματα). Όμως, μετά το Β Παγκόσμιο Πόλεμο (και την έλευση των ηλεκτρονικών υπολογιστών) άρχισε να εφαρμόζεται η ψηφιακοποίηση των αναλογικών σημάτων (ψηφιακά συστήματα). Αυτό πρακτικά σήμαινε την προσθήκη, στον πομπό, ενός μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Α/D) και, στο δέκτη, του αντίστοιχου μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (D/Α). 1.4.2. Τύποι τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων: Οι καλωδιακές (ή ενσύρματες) ζεύξεις Οι ινοοπτικές ζεύξεις Οι ασύρματες ζεύξεις (ή ραδιοζεύξεις) που μπορεί να είναι επίγειες ή δορυφορικές. Γενικά οι τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις μπορούν να θεωρηθούν ως η βασική τηλεπικοινωνιακή υποδομή υπό την έννοια ότι ένα τηλεπικοινωνιακό δίκτυο συντίθεται από έναν μεγάλο αριθμό τέτοιων ζεύξεων (π.χ. το τηλεφωνικό δίκτυο απαρτίζεται από έναν τεράστιο αριθμό ζεύξεων και των τριών τύπων). Καλωδιακές Ζεύξεις Οι (συμβατικές) καλωδιακές ζεύξεις εμφανίζονται κυρίως μεταξύ συνδρομητών και τηλεφωνικών κέντρων ενώ, σε μεγάλες αποστάσεις (π.χ. διασύνδεση τηλεφωνικών κέντρων) έχουν σχεδόν ολοκληρωτικά αντικατασταθεί από ινοοπτικές ζεύξεις. Τα συμβατικά (μεταλλικά) καλώδια περιέχουν, συνήθως δισύρματες γραμμές. Κάθε τέτοια γραμμή αποτελείται από δύο αγωγούς (τυπικά παράλληλους αλλά, στην πράξη, συνεστραμμένους για να περιορίζονται οι αλληλοπαρεμβολές). Σε ειδικές περιπτώσεις, τα μεταλλικά καλώδια μπορεί να περιέχουν και ομοαξονικές γραμμές. Μια ζεύξη μεταξύ συνδρομητή και τηλεφωνικού κέντρου (η οποία υλοποιείται με μία δισύρματη γραμμή) μπορεί να είναι είτε αναλογική (όπως στην περίπτωση του τηλεφωνικού δικτύου) είτε ψηφιακή (όπως στην περίπτωση της σύνδεσης ISDN). Σε κάθε περίπτωση, μεταδίδεται αυτούσιο το (αναλογικό ή ψηφιακοποιημένο) σήμα πληροφορίας (η χρήση τεχνικών διαμόρφωσης είναι σπάνια). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.6
m(t) Α/D m D (t) m D (t) D/A m(t) ΠΟΜΠΟΣ ΔΕΚΤΗΣ Καλωδιακή ζεύξη χωρίς διαμόρφωση (σχηματικό διάγραμμα) Ινοοπτικές ζεύξεις Λόγω του μεγάλου διατιθέμενου εύρους ζώνης και του υψηλού επιτεύξιμου ρυθμού μετάδοσης, τα καλώδια οπτικών ινών είναι το κατ' αποκλειστικότητα χρησιμοποιούμενο μέσο για καλωδιακές ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων (μετάδοση φωνής, εικόνας κλπ.). Στον πομπό μιας ινοοπτικής ζεύξης, το αναλογικό σήμα πληροφορίας m(t) μετατρέπεται σε ψηφιακό (m D (t), δύο καταστάσεις «0» και «1») και οδηγείται στην επαφή ηλεκτρικής τροφοδοσίας της οπτικής πηγής (συνήθως laser). Με τη σειρά του, το laser εκπέμπει ή δεν εκπέμπει οπτικό σήμα προς την οπτική ίνα, ανάλογα με το αν στο laser οδηγείται «1» ή «0». Αντίστροφα, στο δέκτη της ινοοπτικής ζεύξης, ένας φωτοφωρατής, ανάλογα με το αν δέχεται ή όχι οπτικό σήμα, παράγει («1») ή δεν παράγει («0») οπτικό παλμό στην έξοδό του (ουσιαστικά αναπαράγει το ψηφιακό σήμα m D (t)). Στη συνέχεια, το σήμα m D (t) οδηγείται σε έναν μετατροπέα D/A ο οποίος αναπαράγει το αρχικό αναλογικό σήμα m(t). m(t) Α/D m D (t) Laser s(t) s(t) Φωτοφωρατής m D (t) D/A m(t) ίνα ΠΟΜΠΟΣ ΔΕΚΤΗΣ Ινοοπτική ζεύξη (βασική δομή) Επίγειες και δορυφορικές ραδιοζεύξεις Αν και (συγκριτικά με τις ινοοπτικές ζευξεις) οι ραδιοζεύξεις μειονεκτούν ως προς το διατιθέμενο εύρος ζώνης, πλεονεκτούν ως προς την ευκολία και το κόστος υλοποίησης. Η βασική δομή μιας επίγειας ραδιοζεύξης φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί: Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.7
s(t) ~~~ m(t) Α/D m D (t) Διαμορφωτής s(t) s(t) Αποδιαμορφωτής m D (t) D/A m(t) c(t) = A ccos(2πf ct+φ c) ΠΟΜΠΟΣ ΔΕΚΤΗΣ Επίγεια ραδιοζεύξη (βασική δομή) Ειδικά για τις ραδιοζεύξεις, η κατανομή του φάσματος συχνοτήτων φαίνεται στον πίνακα που ακολουθεί. Συμβολισμός Χαρακτηρισμός Zώνη συχνοτήτων Κύριες εφαρμογές LF Χαμηλές συχνότητες 30 khz 300 kηz (Μακρά ή LW) ΜF Μεσαίες συχνότητες (Μεσαία ή MW) 300 khz 30 MΗz Ραδιοφωνία AM (565-1605 khz) ΗF Υψηλές συχνότητες (βραχέα ή SW) 3 30 MΗz Ραδιοφωνία AM (βραχέων) Επικοινωνίες ραδιοερασιτεχνών VHF Πολύ υψηλές συχνότητες 30 300 MΗz Ραδιοφωνία FM (88-108 ΜΗz) TV UHF Παρά πολύ υψηλές συχνότητες 300 MHz 3 GHz TV SHF Υπερ-υψηλές συχνότητες 3 30 GHz Επίγειες/δορυφορικές ραδιοζεύξεις RADAR EHF Υπερβολικά υψηλές συχνότητες 30 300 GHz Ως ραδιοκύματα χαρακτηρίζονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητα άνω των 30 khz. Ως μικροκύματα χαρακτηρίζονται τα κύματα με συχνότητα 300ΜHz 300GHz (UHF,SHF,ΕΗF) 1.4.3. Ισολογισμός ισχύος σε ζεύξη Πολύ σημαντικός υπολογισμός που περιλαμβάνεται στο βασικό σχεδιασμό μιας τηλεπικοινωνιακής ζεύξης είναι ο «ισολογισμός ισχύος» (power budget) της ζεύξης. Ο ισολογισμός ισχύος αποσκοπεί στο να εξασφαλίσει ότι η ισχύς που λαμβάνεται από το Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.8
δέκτη της ζεύξης είναι επαρκής δηλαδή μεγαλύτερη από την «ευαισθησία» (sensitivity) του δέκτη. Ένας τυπικός ισολογισμός ισχύος διενεργείται ως εξής: Προσδιορίζεται το «περιθώριο απωλειών» M που παρέχει η ζεύξη. Το περιθώριο απωλειών προκύπτει από την ισχύ P t που εκπέμπει ο πομπός και την ευαισθησία P r,min του δέκτη. Ισχύει ότι M (db) = P t (dbm) P r,min (dbm) (1.1) 2 Στη συνέχεια, υπολογίζεται η συνολική εξασθένηση Α tot που αναμένεται να υποστεί η ισχύς του σήματος κατά τη διαδρομή του μέσω της ζεύξης. Η εξασθένηση αυτή προκαλείται τόσο από το μέσο μετάδοσης (π.χ. γραμμή μεταφοράς, οπτική ίνα, ατμόσφαιρα) όσο και από αίτια όπως οι συνδέσεις, η γήρανση διατάξεων, διάφοροι αστάθμητοι παράγοντες κλπ. Σε κάθε περίπτωση, πρέπει να ισχύει ότι Α tot < M (1.2) Σε αντίθετη περίπτωση, ο σχεδιασμός της ζεύξης θα πρέπει να προβλέπει την εγκατάσταση ενδιάμεσων ενεργών διατάξεων (π.χ. ενισχυτών ή αναγεννητών για τις καλωδιακές και τις ινοοπτικές ζεύξεις και αναμεταδοτών για τις επίγειες ραδιοζεύξεις). Παράδειγμα Σε μια ινοοπτική ζεύξη μήκους L = 50 km, ο οπτικός πομπός εκπέμπει σήμα ισχύος P t = 1 mw ενώ η ευαισθησία του φωτοφωρατή είναι P r,min = 1 μw. Η οπτική ίνα που διασυνδέει τον πομπό με το δέκτη έχει συντελεστή εξασθένησης α = 0,3 db/km ενώ οι απώλειες από συνδέσεις και από τη γήρανση των διατάξεων εκτιμώνται σε Π = 10 db. Να ελεγχθεί η εφικτότητα της ζεύξης. P t = 1 mw = 0 dbm P r,min = 1 μw = 30 dbm (1.1) Μ = 0 dbm ( 30 dbm) = 30 db A tot = α.l + Π = (0,3 db/km)x(50 km) + 10 db = 25 db Συνεπώς (αφού A tot < Μ) η ζεύξη είναι εφικτή και δεν απαιτείται η εγκατάσταση πρόσθετων ενισχυτών. 2 Για τις μονάδες db και dbm, βλ. ενότητα Π.3 (Παράρτημα). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.9
1.5. Τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και υπηρεσίες Ως τηλεπικοινωνιακό δίκτυο μπορεί να θεωρηθεί η συνολική υποδομή (εξοπλισμός, μέσα μετάδοσης κλπ.) μέσω της οποίας τα σήματα μεταδίδονται από τους εκάστοτε πομπούς στους εκάστοτε δέκτες. Ένα τηλεπικοινωνιακό δίκτυο απαρτίζεται από έναν μεγάλο αριθμό ζεύξεων και περιέχει συγκεκριμένα «σημεία αναφοράς» που λέγονται «κόμβοι» ( nodes ). Βασικό χαρακτηριστικό κάθε τηλεπικοινωνιακού δικτύου είναι ότι οι πόροι του μερίζονται (διαμοιράζονται) και καθίστανται διαθέσιμοι (με βάση συγκεκριμένους κανόνες και πρωτόκολλα) σε όλους τους χρήστες του δικτύου. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι, σε ένα δίκτυο, οι συνδέσεις δεν είναι μόνιμες αλλά αποκαθίστανται κατά περίπτωση (π.χ. μόλις το ζητήσει ο πομπός). Οι κανόνες αυτοί, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρικά σήματα δρομολογούνται από τον πομπό στο δέκτη συνιστούν την τεχνική μεταγωγής. Παράδειγμα: Κλασικό παράδειγμα τηλεπικοινωνιακού δικτύου είναι το τηλεφωνικό δίκτυο. Οι κόμβοι του δικτύου αυτού είναι τα τηλεφωνικά κέντρα. Το τηλεφωνικό δίκτυο απαρτίζεται από έναν τεράστιο αριθμό ζεύξεων που μπορεί να είναι είτε καλωδιακές (οι ζεύξεις μεταξύ των τηλεφώνων και των κέντρων) είτε ινοοπτικές (οι ζεύξεις μεταξύ των τηλεφωνικών κέντρων) είτε ασύρματες (διασύνδεση απομακρυσμένων συνδρομητών με τηλεφωνικά κέντρα). Μια τηλεφωνική σύνδεση αποκαθίσταται με την επιλογή του καλούμενου τηλεφωνικού αριθμού από τον καλούντα συνδρομητή και απενεργοποιείται (απελευθερώνεται) μετά τη λήξη της συνομιλίας. Μέσω των τηλεπικοινωνιακών δικτύων, παρέχονται οι τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες οι οποίες μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις βασικές κατηγορίες: Τις επιλεγόμενες (dial-up) υπηρεσίες, π.χ. τηλεφωνία, κινητή τηλεφωνία, εικονοτηλεφωνία, τηλεδιάσκεψη κλπ. Τις υπηρεσίες δεδομένων (data), π.χ. πρόσβαση στο Διαδίκτυο, επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών κλπ. Τις υπηρεσίες ευρυεκπομπής (broadcasting) που περιλαμβάνουν τις ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές μεταδόσεις. Κάθε μια από τις υπηρεσίες αυτές χαρακτηρίζεται ως μονόδρομη ή αμφίδρομη ανάλογα με το εάν λειτουργεί μόνο προς τη μία (αποστολέας αποδέκτης) ή και προς τις δύο κατευθύνσεις. Για παράδειγμα, οι υπηρεσίες ευρυεκπομπής είναι, γενικά, μονόδρομες υπηρεσίες ενώ οι επιλεγόμενες υπηρεσίες είναι αμφίδρομες. Σε ό,τι αφορά τις Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.10
επικοινωνίες δεδομένων, αυτές είναι, κατά βάση, αμφίδρομες όμως ορισμένες από αυτές (π.χ. η πρόσβαση στο Διαδίκτυο) χαρακτηρίζονται ως «ασύμμετρες» (asymmetric) υπό την έννοια ότι ο ρυθμός μετάδοσης προς τη μία κατεύθυνση μπορεί να είναι σημαντικά διαφορετικός από ότι προς την άλλη. Όλες, σχεδόν, οι τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (με εξαίρεση την τηλεφωνία που είναι αναλογική στο τμήμα «τηλεφωνική συσκευή τηλεφωνικό κέντρο» καθώς και τις ραδιοφωνικές μεταδόσεις) παρέχονται ψηφιακά. Γενικά, οι ψηφιακοποιημένες υπηρεσίες χαρακτηρίζονται ως προς τρεις (3), κυρίως, παραμέτρους, (α) τον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης R (σε bit/s) (β) την καθυστέρηση (δηλαδή το χρόνο μετάδοσης από τον πομπό στο δέκτη, συμπεριλαμβανομένης και της τοπικής ψηφιακής επεξεργασίας) και (γ) τον ανεκτό λόγο δυφιακών σφαλμάτων (Bit-Error Rate ή BER) δηλαδή το ανεκτό ποσοστό των δυφίων (bits) που «αναγνωρίζονται» εσφαλμένα στο δέκτη (το «1» εκλαμβάνεται ως «0» και το «0» ως «1»). Έτσι: Οι επιλεγόμενες υπηρεσίες υλοποιούνται με σχετικά χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης (π.χ. 64 ή 128 kbit/s) και χαμηλές απαιτήσεις για τον BER (10 4 10 5 ), θέτουν όμως πολύ αυστηρές απαιτήσεις για την καθυστέρηση (πρέπει να είναι αρκετά μικρότερη των 100 ms). Oι υπηρεσίες δεδομένων απαιτούν, συνήθως, υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης (άνω των 2 Mbit/s) και εξαιρετικά χαμηλό BER (10 9 10 12 ) όμως οι απαιτήσεις για την καθυστέρηση είναι αρκετά χαλαρές. Οι υπηρεσίες ευρυεκπομπής απαιτούν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης (άνω των 4 Mbit/s), εξαιρετικά χαμηλό BER (κάτω του 10 9 ) ενώ η καθυστέρηση (αν και μπορεί να είναι της τάξης των sec) πρέπει να είναι ομοιόμορφη. Οι επιλεγόμενες υπηρεσίες Η κύρια επιλεγόμενη υπηρεσία είναι η τηλεφωνία. Η υπηρεσία αυτή παρέχεται στο συνδρομητή μέσω του τηλεφωνικού δικτύου που είναι το εκτενέστερο εν λειτουργία τηλεπικοινωνιακό δίκτυο. Άλλες επιλεγόμενες υπηρεσίες είναι η εικονοτηλεφωνία, η τηλεδιάσκεψη και η κινητή τηλεφωνία. Από τις επιλεγόμενες υπηρεσίες, η τηλεφωνία παρέχεται μέσω του τηλεφωνικού δικτύου (του παλαιότερου και πλέον διαδεδομένου τηλεπικοινωνιακού δικτύου). Από τις δεκαετίες του 1980 και 1990, το τηλεφωνικό δίκτυο έχει αναβαθμιστεί στο Ψηφιακό Δίκτυο Ενοποιημένων Υπηρεσιών (Integrated Services Digital Network ή ISDN) μέσω του οποίου παρέχονται και οι υπηρεσίες της εικονοτηλεφωνίας και της τηλεδιάσκεψης. Από Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.11
την άλλη πλευρά, η κινητή τηλεφωνία παρέχεται μέσω του επίγειου ή/και δορυφορικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Λόγω των απαιτήσεων για απρόσκοπτη επικοινωνία με την ελάχιστη δυνατή καθυστέρηση, η λειτουργία των επιλεγόμενων υπηρεσιών (άρα και των αντίστοιχων δικτύων) βασίζεται στην τεχνική της «μεταγωγής κυκλώματος» (circuit switching). Βασικό χαρακτηριστικό της τεχνικής αυτής είναι η διάθεση ενός συγκεκριμένου κυκλώματος μεταξύ των επικοινωνουσών πλευρών καθ όλη τη διάρκεια της μεταξύ τους επικοινωνίας. Παρά το χαμηλό συντελεστή εκμετάλλευσης (το χρησιμοποιούμενο κύκλωμα δεν εξυπηρετεί άλλη επικοινωνία), η μεταγωγή κυκλώματος ικανοποιεί την απαίτηση για εξασφαλισμένη διαδρομή μετάδοσης της πληροφορίας (καθ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας μεταξύ των συνδρομητών). Εξυπακούεται ότι μετά τη λήξη της συνδιάλεξης, ο χρησιμοποιηθείς εξοπλισμός αποδεσμεύεται και μπορεί να διατεθεί σε άλλο ζεύγος συνδρομητών (μεριζόμενη χρήση δικτύου). Οι υπηρεσίες δεδομένων Οι βασικές υπηρεσίες δεδομένων είναι η επικοινωνία (ανταλλαγή πληροφοριών) μεταξύ υπολογιστών και η πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Για την υλοποίηση των υπηρεσιών αυτών, χρησιμοποιούνται είτε αφιερωμένα (dedicated) δίκτυα (π.χ. HellasPac, HellasCom ή δίκτυο ADSL) είτε (όταν αυτό δεν είναι δυνατό) το υφιστάμενο τηλεφωνικό δίκτυο (π.χ. πρόσβαση στο Διαδίκτυο μέσω τηλεφωνικών γραμμών ή συνδέσεων ISDN, επικοινωνία υπολογιστών μέσω ειδικών μισθωμένων γραμμών leased lines ). Τέλος, στα δίκτυα δεδομένων εντάσσονται και τα τοπικά δίκτυα υπολογιστών (Local-Area Networks ή LANs). Για τη μεταφορά δεδομένων, συνήθως, χρησιμοποιείται η τεχνική της «μεταγωγής πακέτων» (packet switching). Η τεχνική αυτή προβλέπει την τμηματοποίηση της πληροφορίας σε «πακέτα», καθένα από τα οποία φέρει τη διεύθυνση του αποστολέα και του αποδέκτη, και τη μετάδοση κάθε πακέτου από ανεξάρτητη διαδρομή. Η τεχνική αυτή έχει σαφώς υψηλότερο συντελεστή εκμετάλλευσης δικτύου από ότι η μεταγωγή κυκλώματος, δεν μπορεί όμως να εξασφαλίσει ότι η άφιξη των πακέτων θα γίνει με τη σειρά που εκπέμφθηκαν και συνεπώς είναι, κατ αρχήν, ακατάλληλη για χρήση στην τηλεφωνία. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που για τις επιλεγόμενες υπηρεσίες και τις υπηρεσίες δεδομένων έχουν αναπτυχθεί ξεχωριστά δίκτυα 3. 3 Η χρήση τεχνικών «μεταγωγής πακέτων» για την υλοποίηση τηλεφωνικών συνδιαλέξεων παρουσιάζει δυσκολίες ακριβώς λόγω της απαίτησης αφενός για άφιξη των πακέτων με τη σειρά που εστάλησαν και αφετέρου για χαμηλή καθυστέρηση στη μετάδοση των πακέτων. Η προσπάθεια Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.12
Οι υπηρεσίες ευρυεκπομπής (broadcasting) Οι βασικές υπηρεσίες ευρυεκπομπής είναι η ραδιοφωνία και η τηλεόραση. Λόγω της φύσης τους (μονόδρομη επικοινωνία από τους χώρους της ραδιοφωνικής - τηλεοπτικής παραγωγής προς τα studios και από εκεί προς τους συνδρομητές) και της απαίτησής τους (στην περίπτωση της τηλεόρασης) για υψηλό ρυθμό μετάδοσης, οι υπηρεσίες αυτές υλοποιούνται από ξεχωριστό δίκτυο. Επιλεγόμενες (dial-up) υπηρεσίες Τηλεφωνία Εικονοτηλεφωνία, τηλεδιάσκεψη Κινητή τηλεφωνία Υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων Επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών Πρόσβαση στο Διαδίκτυο Υπηρεσίες ευρυεκπομπής Ραδιοφωνικές μεταδόσεις Τηλεοπτικές μεταδόσεις Οι βασικές τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες Σχόλια Μια πολύ βασική έννοια που σχετίζεται με τη μετάδοση πληροφοριών μέσω τηλεπικοινωνιακών δικτύων είναι η έννοια του «καναλιού» (channel). Γενικά, ως κανάλι χαρακτηρίζεται ο φυσικός δρόμος (πομπός, δέκτης, μέσο μετάδοσης, ενδιάμεσος εξοπλισμός κλπ.) που μεσολαβεί μεταξύ της πηγής και του προορισμού της πληροφορίας. Το κανάλι χαρακτηρίζεται από το εύρος ζώνης του B channel (σε Hz) δηλαδή τη ζώνη συχνοτήτων στην οποία η μετάδοση του σήματος είναι εφικτή με ανεκτή παραμόρφωση. Εδώ, η βασική απαίτηση είναι το εύρος ζώνης του καναλιού να είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης των σημάτων που θα μεταδοθούν (π.χ. ένα κανάλι που προορίζεται για τη μετάδοση ενός τηλεοπτικού προγράμματος πρέπει να έχει εύρος ζώνης B channel > B TV ~ 5,5 MHz). Άλλη σημαντική παράμετρος είναι η προστασία που παρέχει το δίκτυο στα μεταδιδόμενα σήματα, έναντι της επίδρασης του θορύβου. Η προστασία αυτή μπορεί να είναι είτε για υλοποίηση τηλεφωνίας μέσω δικτύων IP (VoIP) εστιάζεται, βασικά, στην ανάπτυξη λογισμικού και υλικού για την αντιμετώπιση των δύο αυτών προβλημάτων. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.13
«προληπτική» (το δίκτυο περιορίζει την επίδραση του θορύβου και προλαμβάνει την αλλοίωση των σημάτων) είτε «θεραπευτική» (τα σήματα ψηφιακοποιούνται και κωδικοποιούνται κατάλληλα ώστε οι τυχόν αλλοιώσεις που προκαλεί ο θόρυβος να εντοπίζονται και να διορθώνονται στο δέκτη). Τόσο το διαθέσιμο εύρος ζώνης, όσο και η επίδραση του θορύβου, αποτελούν τους κυριότερους περιορισμούς κατά την υλοποίηση μιας σύνδεσης. Γενικά, ο βασικός στόχος του σχεδιασμού ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος ή δικτύου είναι, για δεδομένο εύρος ζώνης και λαμβανομένων υπόψη των επιδράσεων του θορύβου, η μεγιστοποίηση του ποσού της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Βασικά εργαλεία, για την επίτευξη του στόχου αυτού είναι, μεταξύ άλλων, οι τεχνικές μετάδοσης (ψηφιακοποίηση, διαμόρφωση και πολυπλεξία). Το ενοποιημένο ευρυζωνικό δίκτυο (Broadband Integrated Services Digital Network ή Β-ISDN) Τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια για την ανάπτυξη ενός ενοποιημένου ευρυζωνικού δικτύου μέσω του οποίου θα μπορούν να παρέχονται, κατά ενιαίο τρόπο όλες οι τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (επιλεγόμενες, δεδομένων και ευρυεκπομπής) από τις συμβατικές-παραδοσιακές μέχρι τις πιο εξελιγμένες. Δεδομένης της μεγάλης διαφοροποίησης των τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών αναφορικά με το απαιτούμενο εύρος ζώνης, την εφαρμοζόμενη τεχνική μεταγωγής και την ανεκτή καθυστέρηση, οι προκλήσεις που τίθενται είναι προφανείς. Το δίκτυο αυτό χαρακτηρίζεται ως «ευρυζωνικό ISDN» (Β- ISDN) και θα χρησιμοποιεί εξελιγμένες τεχνικές μεταγωγής πακέτων (π.χ. την τεχνική ΑΤΜ ή το πρωτόκολλο Metro-Ethernet ή το πρωτόκολλο IP). 1.6. Η αγορά των τηλεπικοινωνιών Από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, η αγορά τηλεπικοινωνιών έχει «απελευθερωθεί» υπό την έννοια ότι, εκτός από τους πρώην κρατικούς μονοπωλιακούς οργανισμούς (π.χ. ΟΤΕ, Deutsche Telecom, British Telecom, France Telecom κλπ.), δικαίωμα να αναπτύσσουν τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και να παρέχουν τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες έχουν και ιδιωτικές εταιρείες. Για το λόγο αυτόν, σε κάθε χώρα που η παροχή τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών έχει «απελευθερωθεί» έχουν θεσπιστεί νόμοι και ρυθμίσεις προκειμένου να διασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία της αγοράς και η ύπαρξη συνθηκών ελεύθερου και θεμιτού ανταγωνισμού. Την εποπτεία της τήρησης των παραπάνω νόμων και ρυθμίσεων έχει η αρμόδια ρυθμιστική αρχή (στην Ελλάδα, είναι η Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών & Ταχυδρομείων ΕΕΤΤ). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.14
1.7. Το αντικείμενο των τηλεπικοινωνιών Μετά από όσα αναφέρθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους, οι τηλεπικοινωνίες, ως αντικείμενο, διαμορφώνονται ως εξής: Θέματα τηλεπικοινωνιακής αγοράς Τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και υπηρεσίες Τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις Τηλεφωνία συναφείς υπηρεσίες Καλωδιακές ζεύξεις Το τηλεπικοινωνιακό περιβάλλον Τηλεπικοινωνιακή τυποποίηση Κινητή τηλεφωνία Επικοινωνίες δεδομένων Ινοοπτικές Επίγειες ζεύξεις ραδιοζεύξεις Υπηρεσίες ευρυεκπομπής Δορυφορικές ραδιοζεύξεις Τεχνικές μετάδοσης Ψηφιακοποίηση Διαμόρφωση Πολυπλεξία Σήματα και πληροφορία Θεωρία πληροφορίας και κωδικοποίηση Σήματα και συστήματα Το αντικείμενο των τηλεπικοινωνιών Στη βάση ενός ενιαίου τηλεπικοινωνιακού μαθήματος (ή μιας πλήρους σειράς μαθημάτων τηλεπικοινωνιών) βρίσκεται η εξέταση των σημάτων και της πληροφορίας. Θέματα όπως η επεξεργασία σημάτων, η θεωρία πληροφορίας και η κωδικοποίηση ανήκουν σε αυτή την ενότητα. Βασικά στοιχεία από το επίπεδο αυτό χρησιμοποιούνται για την παρουσίαση των διαφόρων τεχνικών μετάδοσης (επόμενη ενότητα) η οποία περιγράφει, μεταξύ άλλων, τις τεχνικές της ψηφιακοποίησης, της διαμόρφωση και της πολυπλεξίας. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι διάφοροι τύποι τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων (συμβατικές καλωδιακές ζεύξεις, ινοοπτικές ζεύξεις, επίγειες και δορυφορικές ραδιοζεύξεις). Στην ενότητα αυτή, κάθε τύπος ζεύξης εξετάζεται ως προς τα φυσικά και λειτουργικά του χαρακτηριστικά (δομή και εξοπλισμός, λειτουργία και δυνατότητες, μεθοδολογία σχεδίασης κλπ.). Στη συνέχεια, εξετάζονται οι τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (π.χ. τηλεφωνία, ISDN, υπηρεσίες δεδομένων κλπ.). Τέλος εξετάζονται θέματα που άπτονται των εξελίξεων της τηλεπικοινωνιακής αγοράς (τηλεπικοινωνιακή τυποποίηση, κανονιστικό πλαίσιο τηλεπικοινωνιών κλπ.). Μετά τα παραπάνω, το παρόν εγχειρίδιο (και κατ επέκταση το μάθημα «Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα» διαμορφώνεται ως εξής: Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.15
Τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και υπηρεσίες (κεφάλαια 21-23) Τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις (κεφάλαια 17-20) Τεχνικές μετάδοσης (κεφάλαια 7-16) Σήματα - πληροφορία (κεφάλαια 2-6) Ενοποιημένο ευρυζωνικό δίκτυο (μάθημα: Ευρυζωνικές Επικοινωνίες) Επιλεγόμενες υπηρεσίες Επικοινωνίες δεδομένων Υπηρεσίες ευρυεκπομπής (μάθημα: Ευρυζων. Επικοινωνίες) (μάθημα: Δίκτυα ΗΥ) Καλύπτεται από επόμενα μαθήματα (μαθήματα: Ρ/Τ Συστήματα, Ψηφιακή Ρ/Φ και TV) (Μικροκύματα-Κεραίες, Ασύρματες Ζεύξεις, Οπτικές Επικοινωνίες) Ψηφιακοποίηση Διαμόρφωση Πολυπλεξία Σήματα και συστήματα Θέματα που εξετάζονται στο παρόν εγχειρίδιο (και στο μάθημα «Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα») 1.8. Ιστορική εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών Η σύγχρονη εικόνα των τηλεπικοινωνιών διαμορφώθηκε μέσα από τις προσπάθειες ενός μεγάλου πλήθους επιστημόνων και μηχανικών που εργάστηκαν σε πολλές και, σε αρκετές περιπτώσεις, παράλληλες κατευθύνσεις. Έτσι: Σε ό,τι αφορά τα μέσα μετάδοσης, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τα συμβατικά καλώδια (τηλεγραφικά και τηλεφωνικά συστήματα του 19 ου αιώνα). Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν οι ασύρματες ζεύξεις (από αρχές του 20ού αιώνα), οι δορυφορικές ζεύξεις (από τη δεκαετία του 1950) και οι ινοοπτικές ζεύξεις (δεκαετία 1970). Αναφορικά με τις τεχνικές μετάδοσης, αρχικά χρησιμοποιήθηκε η διαμόρφωση πλάτους (AM), στη συνέχεια (δεκαετία 1930), η διαμόρφωση συχνότητας (FM) και, τέλος (δεκαετία 1960) η παλμοκωδική διαμόρφωση (PCM). Τέλος, αναφορικά με τις υπηρεσίες, αρχικά (19 ος αιώνας) αναπτύχθηκαν η τηλεφωνία και η τηλεγραφία, στη συνέχεια (δεκαετία 1930) η ραδιοφωνία ενώ μετά το 2 ο Παγκόσμιο Πόλεμο, διαδόθηκαν ευρύτατα η τηλεόραση και οι υπηρεσίες δεδομένων. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.16
Στον πίνακα που ακολουθεί, δίνονται, ενδεικτικά, ορισμένα σημαντικά γεγονότα κατά την πορεία εξέλιξης των τηλεπικοινωνιών. 1840: Εφεύρεση του τηλεγράφου (S. Morse, HΠΑ). 1858: Πόντιση του πρώτου υπερατλαντικού τηλεγραφικού καλωδίου. 1876: Εφεύρεση του τηλεφώνου (A.G. Bell, ΗΠΑ). 1880: Υλοποίηση των πρώτων χειροκίνητων τηλεφωνικών κέντρων. 1892: Η εφεύρεση του αυτόματου επιλογικού δίσκου (A. Strowger, ΗΠΑ) οδηγεί στην υλοποίηση των πρώτων αυτόματων τηλεφωνικών κέντρων για αστικές συνδιαλέξεις. 1901: Το πρώτο τηλεγράφημα με ραδιοκύματα μεταξύ Βρετανίας Καναδά (Marconi). 1918: Εμφάνιση των πρώτων φερεσυχνικών συστημάτων για την ταυτόχρονη μετάδοση περισσοτέρων τηλεφωνικών σημάτων. 1923: Υλοποίηση αυτόματων τηλεφωνικών κέντρων για υπεραστικές συνδιαλέξεις (Γερμανία). 1923: Τα πρώτα επιτυχή πειράματα μετάδοσης εικόνας. 1927: Ασύρματες τηλεφωνικές συνδέσεις με βραχέα ραδιοκύματα. 1931: Η εφεύρεση του τηλετύπου (αυτόματη εκτύπωση τηλεγραφικών μηνυμάτων) δίνει νέα ώθηση στην τηλεγραφία. 1934: Ασύρματες τηλεφωνικές συνδέσεις με μικροκύματα. 1936: Οι πρώτες τηλεοπτικές μεταδόσεις (Βρετανία, Γερμανία). 1938: Χρήση Radar για τον εντοπισμό αεροσκαφών. 1945: Εμφανίζονται οι πρώτοι (ασπρόμαυροι) τηλεοπτικοί δέκτες για οικιακή χρήση 1945: Αρχίζει η ψηφιακοποίηση του τηλεφωνικού δικτύου. 1950: Αυτοματοποίηση διεθνούς τηλεφωνίας. 1950: Το πρώτο σύστημα έγχρωμης τηλεόρασης. 1956: Το πρώτο διηπειρωτικό υποβρύχιο τηλεφωνικό καλώδιο (Βρετανία ΗΠΑ). από 1957: Λειτουργία του πρώτου τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου ραγδαία ανάπτυξη των δορυφορικών επικοινωνιών. 1966: Τα πρώτα πειράματα μετάδοσης σημάτων μέσω οπτικών ινών. από 1970: Η κατασκευή οπτικού καλωδίου με απόσβεση 20 db/km (Corning Glass, ΗΠΑ). οδηγεί στην υλοποίηση των πρώτων ινοοπτικών ζεύξεων (απόσβεση στα σημερινά καλώδια: 0,3-0,5 db/km) - Ραγδαία επέκταση των ινοοπτικών επικοινωνιών 1978: Το πρώτο αναλογικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας (Νορβηγία). 1980: Σχεδιασμός του δικτύου ISDN (ενοποιημένη μετάδοση φωνής και δεδομένων). Από 1980: Ραγδαία εξέλιξη των δικτύων υπολογιστών και της τηλεπληροφορικής. 1985-1995: Ραγδαία εξάπλωση της χρήσης οπτικών καλωδίων στο ζευκτικό δίκτυο. 1987: Το πρώτο διηπειρωτικό υποβρύχιο ινοοπτικό καλώδιο (Βρετανία ΗΠΑ). από 1991: Ραγδαία επέκταση της ψηφιακής κυψελωτής κινητής τηλεφωνίας (συστήματα GSM και DCS, δορυφορική κινητή τηλεφωνία). από 1994: Ραγδαία επέκταση της χρήσης του Διαδικτύου (Internet).. από 2000: Περιορισμένη χρήση οπτικών ινών στο συνδρομητικό δίκτυο. από 2002: Ραγδαία εξάπλωση των τεχνολογιών xdsl (με τελευταία εξέλιξη, την ανάπτυξη βρόχων VDSL). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.17
από 2010: Κινητή τηλεφωνία 3 ης και 4 ης γενιάς. Επισκόπηση της σημερινής κατάστασης πραγμάτων στον τομέα των τηλεπικοινωνιών (τουλάχιστον όσον αφορά την Ευρωπαϊκή Ένωση) οδηγεί στις παρακάτω επισημάνσεις: Τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα (συμπεριλαμβανομένου και του τηλεφωνικού) είναι, σχεδόν αμιγώς, ψηφιακά. Στο ζευκτικό δίκτυο (διασύνδεση τηλεπικοινωνιακών κέντρων) χρησιμοποιούνται, κυρίως, ινοοπτικά καλώδια και (σε μικρότερο βαθμό) ραδιοζεύξεις ενώ η χρήση μεταλλικών καλωδίων φθίνει διαρκώς. Στο συνδρομητικό δίκτυο (διασύνδεση συνδρομητών με κέντρα), η υποδομή παραμένει μεν, κατά βάση, μεταλλική (καλώδια χαλκού), αναβαθμίζεται όμως συνεχώς με χρήση τεχνολογιών xdsl ενώ είναι ορατή η μαζική οπτικών καλωδίων στο τμήμα αυτό του τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Αναφορικά με τις παρεχόμενες τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες, η (σταθερή) τηλεφωνία διατηρεί (τουλάχιστον επί του παρόντος) την κυρίαρχη θέση της. Από την άλλη πλευρά, παρατηρείται ραγδαία αύξηση της ζήτησης αφενός για τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες και αφετέρου για διαθέσιμο εύρος ζώνης (που έχει φέρει πολλά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα στα όρια του κόρου). Παρατηρείται μια έντονη τάση ενοποιημένης παροχής τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών μέσω ευρυζωνικών δικτύων. Μια πλευρά του φαινομένου αυτού αποτελεί η παροχή υπηρεσιών τηλεφωνίας και Διαδικτύου (τελευταία και υπηρεσιών video) μέσω τεχνολογιών xdsl ενώ έντονη είναι η δραστηριότητα προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης ενοποιημένων ευρυζωνικών δικτύων (B-ISDN). Η μέχρι πρότινο μονοπωλιακή τηλεπικοινωνιακή αγορά έχει, σε μεγάλο βαθμό, απελευθερωθεί, με αποτέλεσμα την εμφάνιση νέων τηλεπικοινωνιακών εταιρειών και τη διαμόρφωση συνθηκών ανταγωνισμού στην παροχή τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. 1.8. Παραπομπές Νασιόπουλος Α., Τηλεπικοινωνίες, Εκδ. Αράκυνθος 2007: Ενότητες 1.1 1.3. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 1.18