Od starého dobrého telefonu až k ADSL II.

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

Pro ilustraci uvedu názorný příklad „rozdílu v kvalitě“ mezi analogovým přenosem a digitálním přenosem obrázku.

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

Jak se digitalizovala telefonní síť?

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

Časový multiplex místo frekvenčního

Přechod na digitální fungování (vnitřku) telefonní sítě vedl i ke změně některých základních principů, které jsme si popisovali v minulém dílu. Z našeho pohledu, který směřuje k pochopení ADSL, je asi nejvýznamnější změna propojení mezi ústřednami. Minule jsme si řekli, že bylo řešeno tak, aby dokázalo přenášet současně několik hovorů – a že v době analogové telefonní sítě, kdy každý hovor měl podobu analogového signálu a „zabíral“ určité frekvenční pásmo (300 až 3.400 Hz), se vše řešilo pomocí tzv. frekvenčního multiplexu.

Jakmile ale ústředny přešly na digitální způsob, každý hovor již měl podobu proudu bitů, a ten vyžadoval digitální cestu o určité přenosové rychlosti (měřenou v bitech za sekundu, zatímco analogový signál vyžadoval pásmo měřené Hz (Herz)). Původní technika frekvenčního multiplexu, která je technikou analogovou, proto musela být nahrazena. Použit byl tzv. časový multiplex (Time Division Multiplexing, TDM), který již je v zásadě digitální.

Jak funguje časový multiplex?

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

Představa časového multiplexu

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

Představa telefonní sítě s časovým multiplexem

Časový multiplex je tedy v zásadě velmi jednoduchá technika, která z jedné cesty (o určité přenosové rychlosti) dokáže vytvořit několik samostatných kanálů, z nichž každý má konkrétní (samozřejmě menší) rychlost. Rychlosti odpovídající těmto kanálům mohou, ale také nemusí být stejné. Vždy ale platí, že jejich součet je menší (max. rovný) rychlosti „celé“ cesty před jejím rozdělením pomocí techniky časového multiplexu.

Kolik bitů za sekundu na jeden hovor?

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

Na každý hlasový hovor je v digitální pevné telefonní síti vyhrazeno 64 kbit/s (přesněji: 64.000 bit/s). S ohledem na to je řešen i časový multiplex na spojích mezi ústřednami, a dokonce jsou podle toho dimenzována i nejrůznější datová propojení, která se ve světě telekomunikací nabízí operátorům i koncovým zákazníkům.

Zkusme si jen letmo naznačit podobu tzv. digitální hierarchie – později nám to umožní pochopit, proč v České republice máme euroISDN a v čem se liší od ISDN v zámoří, bez předpony „euro“.

V České republice i zámoří poskytují telekomunikační společnosti různě rychlé okruhy, nastavené vždy na daný počet hlasových hovorů v digitální podobě (tj. násobcích 64 kbit/s). V USA je používána hlavně „řada“ T, přičemž např. okruh T1 je dimenzován pro přenos 24 hlasových kanálů á 64.000 bit/s, a spolu s určitou režií na synchronizaci vychází jeho kapacita na 1,544 Mbit/s. V Evropě se používá řada E, a okruh E1 je dimenzován pro přenos 30 hlasových kanálů (plus další dva pro služební účely), a jeho celková kapacita 2,048 Mbit/s.

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

Naproti tomu hovory či datové přenosy, jenž jsou realizovány v rámci digitálních telefonních sítí či ISDN, bývají vedeny mezi ústřednami, a to právě po kanálech, nastavených na rychlost 64 kbit/s (resp. 64.000 bit/s). Jak uvidíme příště, je přesně toto důvod, proč ISDN nabízí kanály (typu B) o rychlosti 64 kbit/s.

Jak se digitalizuje hlas?

Zajímá vás, kde se vzalo oněch 64.000 bit/s, od nichž je pak odvozena celá řada dalších věcí? Pravdou je, že toto magické číslo nevzniklo náhodou, ale jako přímý důsledek aplikace konkrétní metody jak zdigitalizovat lidský hlas (neboli: převést analogový signál do digitální podoby). Jde o techniku označovanou jako PCM (Pulse Coded Modulation, pulzně kódová modulace).

Představa techniky PCM

Podstatu PCM si lze představit tak, že s určitou pravidelností (8.000krát za sekundu, neboli každých 125 mikrosekund) sejme vzorek momentálního stavu analogového signálu reprezentujícího lidský hlas, a jeho amplitudu (velikost) vyjádří jako osmibitové číslo. Vzhledem k počtu vzorků a „spotřebě“ osmi bitů na každý vzorek to dává 8.000×8 bit/s, neboli 64.000 bit/s.

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

Datové přenosy skrze digitální síť

Na závěr si ještě naznačme, jak je to s tím, co by nás mělo zajímat nejvíce – s přenosy dat skrze veřejnou telefonní síť. Dokud tato byla celá analogová, šlo vše jednoduše: telefonní síť vytvářela analogový okruh o šířce pásma 3,1 kHz. Na oba konce si uživatelé museli sami osadit vlastními modemy, které zajišťovaly převod mezi digitální formou komunikace s počítačem a analogovou formou komunikace mezi modemy navzájem. Dosažitelná rychlost zde byla ovlivněna kvalitou linky, schopnostmi modemů, ale v první řadě zmiňovanou šířkou pásma (3,1 kHz). Proto nejlepší modemy pro takovýto „analogový“ způsob, vycházející ze standardu V.34, dosahovaly v optimálním případě rychlosti 33,6 kbit/s.

Představa přenosu dat skrze analogovou telefonní síť

V případě digitální telefonní sítě je situace na straně koncových uživatelů stejná – stále používají svou přípojku (místní smyčku) analogovým způsobem, a opět na ni musí nasadit vlastní modem. Rozdíl je naopak v tom, co se děje „uvnitř“ telefonní sítě. Jelikož ta již je digitální, je skrze ni příslušný „datový hovor“ veden digitálně. K tomu ale musí být nejprve převeden z analogové do digitální podoby (na vstupu do telefonní sítě), a obráceně na výstupu z ní. Vše ukazuje následující obrázek, z něhož je názorně vidět, že zde dochází ke čtyřem konverzím mezi oběma tvary. Nepříjemným důsledkem toho je skutečnost, že maximální dosažitelná rychlost je stále cca 30 kbit/s (resp. 33,6 kbit/s), a to i přesto, že uvnitř telefonní sítě je digitální podoba hovoru vedena kanálem s rychlostí 64 kbit/s.

Představa (analogového) datového přenosu skrze digitální telefonní síť

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

Představa přenosu dat skrze digitální síť, s modemy 56 kbit/s

Typické využití v praxi je pro připojování k Internetu, a dvojice konverzí je odstraněna na straně poskytovatele internetového připojení (ISP). Z pohledu uživatele to znamená, že musí být připojen k digitální ústředně (ISP samozřejmě také), a že oněch 56 kbit/s dosáhne v optimálním případě směrem k sobě (na tzv. downloadu).

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