Ma már nagyon fontos a telefonvonalakon keresztül történő hálózatkialakítás. Szinte minden háztartásban rendelkezésre áll már a telefonvonal, ami magával vonja az adatátvitelre való felhasználását. Ahhoz, hogy megértsük, hogy hogyan lehetséges ez, meg kell ismernünk a fizikai felépítést is. A cikkből megismerhetjük a telefonálás technikai alapjait, majd az analóg és az ISDN hálózatok felépítését és működését. Természetesen nem hagyhatjuk figyelmen kívül a mobiltelefon hálózatokat sem, ezért ezek felépítésére és működésére is kitérünk a cikk végén.

Telefontechnika

A telefonvonalak ma már a hálózatok kialakításának egyik nagyon fontos eszköze, adatátviteli közege. Elegendő ennek belátására csak az Internetre gondolnunk. Ma már nagyon sok lakásban van telefon, amelyen keresztül kapcsolatot tudunk létesíteni más emberekkel. Miért ne lehetne felhasználni ezt a vonalat arra, hogy számítógépeket kapcsoljunk össze. Az ilyen topológiákban nincs szükség fizikai átviteli közegnek a telepítésére, hiszen azt a telefontársaság már elvégezte. Ebben a részben először áttekintjük a telefonhálózatok felépítését, majd megtudhatjuk, hogy milyen módon képesek ennek a felhasználásával a számítógépeink kapcsolatot létesíteni.

Telefonhálózatok felépítése

A telefon működése nem sokat változott a kitalálása óta, csupán funkciókban lett gazdagabb. Még ma is túlnyomó többségben analóg telefonvonalak vannak a lakásokba bekötve, amelyet elsősorban analóg hang átvitelére terveztek. Ez egyszerűséget von maga után, viszont adatátvitel céljára csupán kompromisszumokkal képes.

A telefonkapcsolat létesítéséhez szükség van egy hálózatra, valamint két - két telefonra. Amikor beszélünk, akkor a hangot át kell alakítani villamos jellemzőkké - jellemzően feszültséggé -, majd ezt továbbítani kell a másik telefon irányába. Ott ezt a villamos jelet vissza kell alakítani hanggá. Eddig két kérdés merülhetett fel a kedves olvasóban: hogyan alakítjuk át a hangot és hogyan visszük át villamos jelek segítségével.

Hangtani alapismeretek

Mielőtt ezekre a kérdésekre válaszolnánk, vizsgáljuk meg, hogy mi is a hang tulajdonképpen. A hang nem más, mint mechanikai rezgések valamilyen közegben (rendszerint levegőben) nyomáshullámként való terjedése. A hang vákuumban nem képes terjedésre. A mechanikai rezgéseket hangforrások hozzák létre. A hangokat két nagy csoportba, a zenei hangok és a zörejek csoportba sorolhatjuk. A zenei hangok minden esetben periodikusak, míg a zörejek tulajdonképpen impulzusszerű, véletlenszerűen bekövetkező hanghullámok. Az emberi beszédben mindkét csoport szerepet játszik. A mássalhangzók inkább zörejeket, míg a magánhangzók inkább zenei hangokat tartalmaznak.

Fontos jellemzője a hangnak a magassága. Ezt nem egyszerű meghatározni, mivel sok tényező befolyásolja. Sokan úgy vélik, hogy a hangmagasság a hang frekvenciáját jelenti. Ez csak részben igaz, mivel figyelembe kell még venni a hang színezetét, valamint a szubjektivitást is. Az azonban bizonyos, hogy a kisfrekvenciájú hangok mély, a nagyfrekvenciájú hangok pedig magas hangérzetet keltenek. A hangérzetbe beletartozik még a hangerő (amplitúdó) és a hangszín (rezgési forma) is.

Az emberi beszéd frekvenciatartománya körülbelül 100 Hz-től 3300-3500 Hz-ig terjed. Ezt a viszonylag keskeny sávszélességet sem használjuk ki rendszerint. Átvitel esetében megfelelő minőséget képes biztosítani a 300-3400 Hz közötti hangok továbbítása. Ez 3,1 KHz-es sávszélességet jelent. A zenei hangok tartománya 16 Hz és 16000 Hz közötti, körülbelül a fülünk is ekkora tartományt képes érzékelni.

A hangforrás közelében nyomásingadozások keletkeznek. Ez a mozgási energia átadódik a szomszédos részecskéknek. Így alakul ki a hanghullám, amelyet képes a fülünk érzékelni. A hullámok a hangforrás közelében a legerősebbek, attól távolodva folyamatosan gyengülnek.

Az általunk keltett hangok a hangszálak segítségével jönnek létre. A különböző hangok előállítását segíti az orr- és a szájüreg, valamint a nyelv és a fogak is.

A telefonok működése

A telefon működését három részre lehet osztani. Az első rész végzi el a hang átalakítását villamos jellemzővé, a második végzi el az átalakított jel továbbítását, a harmadik pedig visszaalakítja hanggá.

33. ábra. A szénmikrofon felépítése

A beszédet által létrejövő hangokat egy mikrofon alakítja át villamos jelekké. A legegyszerűbb mikrofon a szénmikrofon. A felépítését láthatjuk a 33. ábrán.

Ennek a testében szénrészecskéket helyeznek el. Ennek az a tulajdonsága, hogy külső nyomásváltozás hatására megváltozik a villamos ellenállása. A részecskékhez kapcsolódik agy viszonylag nagy felületű lemez, amit membránnak hívnak. Ennek a feladata a hanghullám rezgéseinek az érzékelése. Amikor a mikrofont a hang terjedési irányába helyezzük, akkor a membrán a hang rezgéseinek megfelelő ütemben mozogni kezd. Ez a mozgás átadódik a grafitrészecskéknek oly módon, hogy azok vagy összenyomódnak, vagy kitágulnak. Így a hangrezgéseknek megfelelően változik a grafit ellenállása. Ha a mikrofonra feszültséget kapcsolunk, akkor az Ohm-törvény értelmében változni fog a rajta átfolyó áram. Természetesen ez a váltakozó áram a hanghullámokkal szoros azonos mértékben változik.

A hallgató felépítése nagyon hasonlít a mikrofonéhoz. Itt a folyamatosan változó feszültséget kell hanghullámokká alakítani. Itt is egy nagyméretű membrán van a levegő részecskéivel kapcsolatban. A hallgató felépítése a 34. ábrán látható. A lágyvasból elkészített membrán alatt kis távolságban (kb. 0,8 mm) egy elektromágnes helyezkedik el. Ez egy állandó mágnesen van kialakítva, aminek technikai jelentősége van. Abban az esetben, ha az elektromágnes tekercseire váltakozó feszültséget kapcsolunk, akkor a körülötte váltakozó mágneses mező fog kialakulni. Ez a mágneses mező a membránt magához vonzza, vagy éppen elengedi. Mivel ennek nagy a felülete, a levegő részecskéiben is rezgésváltozást okoz, tehát létrejön hang a villamos jelnek megfelelően.


34. ábra. A hallgató felépítése

Az analóg telefonhálózat felépítése

35. ábra. A telefonhálózat vázlatos felépítése

A hangnak megfelelő analóg jelet a már megismert modulációs technikákkal lehet átvinni a két telefon között. A telefonhálózat felépítése meglehetősen bonyolult. Ennek a magyarázata, hogy előre nem lehet tudni, hogy ki kit szeretne felhívni. A kapcsolatot csak abban az esetben kell létrehozni, ha azt valaki kezdeményezte. Az előfizetők közötti kapcsolatot telefonközpontok látják el. Minden előfizető egy helyi-központba csatlakozik. Abban az esetben, ha valaki olyannal akar kapcsolatot létesíteni, aki szintén erre a központra van csatlakozva, akkor a hívás azonnal létrejön. Abban az esetben, ha a hívott nem a mi központunkhoz kapcsolódik, akkor egy távhívó-központhoz továbbítódik a hívásunk. Erre több helyi központ csatlakozik, amennyiben elérhető a hívott, akkor a kapcsolat két helyi és egy távhívó-központon keresztül létrejön. Ha a távhívó-központ sem közös, akkor egy kapcsoló-központon keresztül lehetőség nyílik másik távhívó-központtal felvenni a kapcsolatot.

Az előfizetők és a központok között kapcsolt vonalak (dial-up line) húzódnak, ami azt jelenti, hogy csak abban az esetben kapcsolódik a telefonhálózathoz, amennyiben arra szükség van. Általában cégeknek szüksége van olyan vonalkialakításra, ahol a kapcsolat folyamatosan fennáll. Ilyenkor a két végpont közé egy fix vonal kerül kiépítésre, amit bérelt vonalnak neveznek. Ilyen kapcsolat esetében nincs szükség tárcsázásra, valamint általában a beszélgetési díj sincs.

Mivel a telefonvonalak a beszédtovábbításhoz lettek kifejlesztve, a felépítésük igazodik is ehhez, hiszen a sávszélességük csupán 3100 Hz. Ez adatátvitel esetében is igaz, a digitális információt az előző részben megismert modulációs eljárások valamelyikével lehet megvalósítani.

Integrált szolgáltatású digitális hálózat felépítése

Ma már egyre többen szeretnék a számítógépeik közötti adatátvitelt telefonvonalon keresztül megvalósítani, mivel ez az egyik legolcsóbb és legegyszerűbb megoldás. Az előző fejezetben már láttuk, hogy az analóg telefonvonal a nagysebességű adatátvitelt nem teszi lehetővé, ráadásul az analóg jel átvitele nem a legbiztonságosabb megoldás. Sokkal célszerűbb lenne egy digitális vonal használata, ahol a feleslegek modulációs lépések elmaradhatnának ezzel is növelve a sebességet, valamint a biztonságot. Erre nyújt lehetőséget az integrált szolgáltatású digitális hálózat (Integrated Services Digital Network - ISDN).

Az ISDN alapjait 1976-ban alapozta meg az AT&T nevű cég. Olyan hálózatot hoztak létre, ahol a hangtovábbítás és a kapcsolat felépítésre, valamint lebontására továbbított információ nem ugyanazt a sávot használta. Ezzel a hasznos sávszélesség megnőtt. Ez a hálózat a CCIS (Common Channel Interoffice Signaling, közös csatornás központi jelzésmód) elnevezést viselte.

Ez volt az ISDN alapja. Ahhoz, hogy a megoldás működőképes legyen, ki kellett cserélni a végközpontokat olyanokra, amelyek támogatták ezt az átvitelt. A megoldással tulajdonképpen három hálózaton (csatornán) keresztül jött létre a kapcsolat. Ezt mutatja a 36. ábra.


36. ábra. Az ISDN hálózat vázlatos felépítése.

Később a három csatornát egybe fogták és így ténylegesen egy integrált hálózatot hoztak létre.

Nézzük meg, hogy mit is jelent az integrált szolgáltatású digitális hálózat (ISDN) kifejezés. A digitális szó utal az adatátvitel digitális módjára. Ezzel feleslegessé vált a modulációs eljárások használata. Az integrált szolgáltatás is bizonyos mértékben ebből származtatható. Mivel digitális jelek esetében nincs jelentősége annak, hogy az milyen forrásból származik, így a hangok mellett küldhetünk videót, képeket, adatokat, folytathatunk konferencia-beszélgetéseket, ráadásul ezeket akár egyszerre is. Ezeken a vonalakon nyílt először lehetőség a hívóazonosításra, tehát a hívó fél telefonszámának az elküldésére.

Az ISDN rendszerek alappillére a digitális bitcső (digital bit pipe) néven elkeresztelt sín. Ez tulajdonképpen a szolgáltató és az előfizető között húzódik, és kétirányú digitális adatátvitelt tesz lehetővé. Mivel a cső nagy adatátviteli sebesség elérését teszi lehetővé, a gazdaságos kihasználás érdekében időosztásos multiplexeléssel felosztják több független csatornára. A gyakorlatbana csatornakiosztások szerint két kialakítás terjedt el egy egyszerűbb a magánfelhasználók számára és egy nagyobb sebességű az üzleti célokra. A két kialakítás között elsősorban a csatornák számában és a kialakításban van különbség.

A magáncélú ISDN hozzáférés felépítése

37. ábra. A magáncélú ISDN csatlakozás felépítése

A szolgáltató az előfizetőnél elhelyez egy hálózati végpontot, angol nevén egy Network Terminal-t (NT). A megkülönböztetés érdekében a jelölést ellátják egy számmal is. Ez egy kis doboz, amelybe a fővonal csatlakozik be. Ebből következik, hogy a digitális bitcső az NT1 és a szolgáltató között húzódik. Ez a bitcső ugyanazon a vezetéken kerül kialakításra, mint amit az analóg telefonvonal használt, de a központok között a nagy távolság és a nagy sebesség miatt optikai szálakat használnak. Az NT1-re csatlakoztathatók az ISDN eszközök egy passzív sínkábel felhasználásával. Erre a kábelre összesen nyolc különböző eszközt csatlakoztathatunk fel. Azok az NT1-ek, amelyeket ma szerelnek fel, már előre kialakított csatlakozókat tartalmaznak a különböző eszközök számára. Általában találunk itt két ISDN és két analóg csatlakozást is. Ha ez kevés lenne, akkor felhasználhatjuk az eredeti koncepcióban is kialakított passzív sínkábelt. Az is jellemző gyakorlat, hogy az NT1-be beépítenek egy modemfunkciókat ellátó áramkört. Ezzel lehetőség nyílik a számítógépet közvetlenül rákapcsolni az NT1-re egy RS-232C kábel felhasználásával. Erről még a későbbiekben lesz szó. A felépítést szemlélteti a 37. ábra.
Az üzleti célú ISDN hozzáférés felépítése

38 ábra. Az ISDN üzleti célú felhasználása

Az ilyen rendszerekben gondoltak azokra, akiknek sok csatornára, vonalra, illetve nagy adatátviteli sebességre van szűkségük. A rendszer felépítését mutatja a 38. ábra. Látható, hogy az NT1-hez egy másik, 2-es típusú végpont csatlakozik, amely már NT2 jelölésű. Ez egy helyi telefonközpont (Privat Branch Exchange, PBX). A csatlakozófelületet a különböző eszközök felé ez valósítja meg. A PBX fogadja az előfizetői hívásokat és a megfelelő helyre kapcsolja azokat. A kapcsolás általában automatikusan hajtódik végre, a funkciót vagy egy kereszteződéses, vagy egy időosztásos kapcsoló valósítja meg. A PBX moduláris felépítésű, ami azt jelenti, hogy minden modul egy megadott típusú eszköz kezelését képes elvégezni. A PBX-be olyan modulokat kell beépítenünk, amilyen eszközöket használni szeretnénk.

Talán már feltűnt, hogy az ábrákon találhatók betűjelzések. Ezek szabványos referenciapontok, amelyeket a CCITT határozott meg az egyértelmű azonosítás érdekében. Ezek a pontok a következő felületeket definiálják.

Az U referenciapont a szolgáltató és az NT1 interfész között húzódik. Kialakítása általában sodrott érpár, de a későbbiekben, amikor már nagyobb adatátvitelre lesz szükség, optikai kábelre kicserélhető.

A T referenciapont biztosítja a felhasználó számára az eszközök csatlakoztatását. Ez az üzleti ISDN kialakításban az NT1 és az NT2 közötti kapcsolatot valósítja meg.

Az S referenciapont az ISDN PBX és az ISDN terminálok között húzódó vonal.

Az R referenciapont a nem ISDN eszközök csatlakoztatását teszi lehetővé, tehát a nem ISDN eszköz és az ISDN terminál adapter között helyezkedik el.

Az ISDN eszközök egy új, nyolc tűs csatlakozón keresztül képes a hálózati végpontokhoz csatlakozni. Ez a csatlakozó RJ-45-ös jelzésű, ilyen csatlakozót használnak az UTP kábelekhez is. A gyakorlatban a nyolc érből rendszerint csak a négy középsőt használják, kettőt adásra, kettőt pedig vételre. Mivel az átvitel szimmetrikus, és csavart érpáron történik, ezért az ilyen kábel akár 1 km hosszúságú is lehet egy ISDN berendezés csatlakoztatásakor. Több eszköz használatával ez a távolság csökken.

Már említettük, hogy a digitális bitcsövet csatornákra osztják. Ezeket szabványosították is, a különböző csatornákat az ABC különböző betűivel jelölik. A csatornákat foglalja össze az alábbi táblázat.
 

Jelzés
A csatorna funkciója, adatai
A
4 kHz-es analóg telefoncsatorna.
B
64 kbit/s-os PCM csatorna hang és adatátviteli célokra. Ez teljes mértékben a felhasználói adatforgalomra használható fel. Ezen a csatornán nincs szükség kiegészítő információk küldésére, csupán adattovábbításra használható. Nincs hibaellenőrzés, hibajavítás, nincs nyugtázás és újraadás sem. A csatornán nincsenek redundáns (ismétlődő) adatcsoportok sem. A hibajavítás a felsőbb rétegek feladata.
C
8 kbit/s vagy 16 kbit/s sebességű digitális csatorna.
D
16 kbit/s vagy 64 kbit/s sebességű csatorna a sávon kívüli jelzésekhez. Ezen keresztül történik meg a híváskérések üzeneteinek az elküldése. A formátumot a CCITT az SS#73 ajánlásban határozta meg.
E
64 kbit/s sebességű digitális csatorna a sávon belüli jelzésekhez.
H
384 kbit/s, 1536 kbit/s, illetve 1920 kbit/s sebességű digitális csatorna.

Elméletileg ezeknek a csatornáknak bármilyen kombinációja elképzelhető, erre azonban nincs szükség. Gyakorlatilag három kombinációja szabványos 1994-óta:

Alapsebességű hálózat, amelyben kettő B és egy D csatornát alakítottak ki. Ezt a kialakítást szánják a magánfelhasználóknak, nálunk is ez férhető hozzá viszonylag kedvező áron, ISDN2 elnevezéssel.

Primer sebességű változat az üzleti felhasználókat célozza meg. Ennek a rendszernek a csatornakiosztása eltérő Európában és Amerikában és Japánban. Ez utóbbi két országban a primer ISDN 23 db B és egy D csatornát foglal magában. Európában a B csatornák száma harminc, ami mellett egy D csatornát helyeznek el.

A harmadik megoldás egy analóg és digitális hibrid megoldás. A bitcsőben egy A és egy C jelzésű csatornát alakítottak ki.

Az ISDN végberendezések a terminálokkal meghatározott módokon kommunikálnak. A fizikai megvalósítást az előzőekben már megnéztük, de a protokollban természetesen benne található a kommunikáció módja is. Az ISDN keret 48 bit hosszúságú, amelyből 36 adatbit. Egy keret elküldése 250 ms alatt történik meg. Ez a két érték 144 kbit/s adatátviteli sebességet jelent. Abban az esetben, ha csak az adatbitek átvitelét nézzük, akkor a hasznos adatátviteli sebesség 192 kbit/s.

Az ISDN keretformátuma:

A jelölések a következőket jelentik:

Az F bit a keretezőbit, az L bit a DC terhelés kiegyensúlyozásában vesz rész. Az E bit az előző D bit visszhangja, a D bit pedig a D csatorna. Minden keretben 4 ilyen bit található, 4000 kerettel számolva pontosan 16 kbit/s-os adatátviteli sebességet kapunk. Az A aktiváló bit, az S pedig a tartalék szerepét képviseli. Az átvitel során 36 adatbit kerül átvitelre, amelyből 16 a B1, 16 a b2 bitcsoport, a fennmaradó négy pedig a D csatorna bitjei.

Mobiltelefon hálózat felépítése

39. ábra. A cellák logikai felépítése

A rádiótelefonok a hangjeleket egy magas frekvenciájú hordozófrekvencián továbbítják úgy, ahogyan azt már a vonalmegosztási módszereknél, a frekvenciaosztásos multiplexelésnél megismerhettük. Ezek a rendszerek nagy többsége cellás felépítésű. Ennek lényege, hogy a területet kisebb részekre osztják, ezek lesznek a cellák. Minden cellában a telefonokkal egy rádiófrekvenciás adó-vevő antenna tartja a kapcsolatot. Mivel a vivőfrekvencia meglehetősen magas (450-900-1800 MHz), ezért a vivőfrekvenciákat, illetve tartományokat bizonyos távolságon felül ismételten fel lehet használni. A gyakorlatban a cellák felépítése az adott domborzattól nagy mértékben függ, de elméleti síkon közelíteni lehet ezeket egy-egy hatszöghöz. Ezek egymással tökéletesen illeszkednek. Ezt mutatja a 39. ábra.

A gyakorlatban rendszerint a cellák még kis mértékben át is fedik egymást, így biztosítva a folyamatos kapcsolódási lehetőséget. Minden mobiltelefon egy cellán belül a bázisállomással tartja a kapcsolatot. Ez a bázisállomás a mobilközponthoz kapcsolódik rádiós vagy vezetékes kapcsolattal. A mobilközpont valósítja a meg a nyilvános hálózathoz való hozzákapcsolódást.

Mivel minden cellában több telefon tartózkodik, ezért ezek kezelésére a frekvenciasávot kisebb részekre, csatornákra osztják. Minden telefon egy csatornán keresztül képes kommunikálni a bázisállomással.

Érdekes eset, ha miközben beszélgetünk, átlépjük a cellahatárt, az új cellában pedig természetesen már másik vivőfrekvenciát használnak. A mai rendszerek már kivétel nélkül képesek ezt áthidalni, automatikusan átváltanak az aktuális cella bázisállomásra. Ez természetesen csak abban az esetben valósulhat meg, ha az új cellában van szabad csatorna. A cellaváltást nevezik handover-nek, vagy másképpen handoff-nak.

A cellákat csoportosíthatjuk a méretük alapján:

  • A hiper méretű cellák 10 km-nél nagyobb területet fognak át. Erre elsősorban vidéken van lehetőség.
  • A makrocellák sugara 0,5 km és 10 km közötti lehet, ezeket leginkább a kisvárosokban és a külvárosi területeken lehet alkalmazni.
  • A nagyvárosok központjaiban mikrocellákat alkalmaznak, amelyek 100 m és 500 m közötti lehet.
  • Az épületeken belül két cellaméretet is használhatnak, a nanocellák 50 m és 100 m, a pikocellák pedig 20 m és 50 m közötti hatósugarat jelentenek.
Minél nagyobb a cella, annál több előfizető lehet benne, ami magával vonja a széles frekvenciatartományt. Ennek kikerülésére igyekeznek lecsökkenteni a cellaméretet, azonban ennek feltétele a mobilközpontok kialakítása.

A csatornakiosztásra négyféle módszert fejlesztettek ki. Mindegyiknek van előnye és hátránya egyaránt.

A legegyszerűbb módszer a fix csatornakiosztás. Ez a csatornákat úgy rendeli hozzá az egyes cellákhoz, hogy azon a későbbiekben módosítani nem lehet. Előnye, hogy a kiosztást csak egyszer kell megcsinálni, a hátránya természetesen a módosítás lehetőségének a hiánya. Módosítani akkor kell egy cellában a csatornák számát, ha a forgalom ingadozó. Ez a megoldás természetesen ezt nem tudja biztosítani. Az ilyen rendszerekben ha minden csatorna foglalt, akkor a hívás letiltódik. Ennek kivédésére vezették be a csatornakölcsönzés lehetőségét. Ez azt jelenti, hogy az adott hívást egy szomszédos cella szabad csatornája fogja kiszolgálni.

A fix csatornakiosztás korlátját szülteti meg a dinamikus csatornakiosztás. Ez az eljárás mindig az aktuális igénynek megfelelően osztja ki a celláknak a csatornákat. Bármelyik csatornát oda lehet adni bármely cellának abban az esetben, ha a csatornát nem használja más, az újrafelhasználási sávon belül található cella. Előnye, hogy képes alkalmazkodni a mindenkori forgalmi helyzetekhez. A hátránya, hogy a nagy terhelések miatti sűrű csatornakiosztást nem képes teljesíteni.

A hibrid megoldás ötvözi a fix- és a dinamikus csatornakiosztást. A csatornákat két részre osztják, az egyik fix kiosztású, a másik pedig dinamikus.

A negyedik lehetőség az adaptív csatornakiosztás. Ebben az esetben egy csatornakiosztás csak egy időtartamig érvényes, ezt követően a csatornákat újra kiosztják a forgalmi igényeknek megfelelően.