ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1^Ο:

EIΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΔΙΚΤΥΑ

1.1 Γενικά

Δίκτυο τηλεπικοινωνιών είναι ένα σύστημα επικοινωνιών το οποίο διαθέτει: α)πολύπλοκες τηλεπικοινωνιακές συσκευές που χρησιμοποιούνται από κοινού με όλους τους συνδρομητές του δικτύου, β) τηλεπικοινωνιακούς κόμβους και γ) τα φυσικά μέσα διάδοσης της πληροφορίας (γραμμές επικοινωνίας). Επίσης περιλαμβάνει και τις διατάξεις πρόσβασης στο δίκτυο (τηλέφωνα, υπολογιστές κλπ.).

Βασική ιδιότητα του κάθε δικτύου είναι η παροχή ικανοποιητικής επικοινωνίας με τον ελάχιστο δυνατό αριθμό διασυνδέσεων των κόμβων του. Με το δίκτυο, κάθε συνδρομητής μπορεί να χρησιμοποιεί από κοινού με άλλους συνδρομητές διάφορες τηλεπικοινωνιακές συσκευές που δεν μπορεί να διαθέσει μόνος του.

1.2 Τεχνικές δικτύων

Με βάση τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση των δεδομένων σε ένα δίκτυο, τα δίκτυα διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες:

• Δίκτυα μεταγωγής
• Δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης στο κανάλι διάδοσης

1.2.1 Δίκτυα μεταγωγής

Στα δίκτυα μεταγωγής, τα δεδομένα που εισέρχονται στο δίκτυο από κάποια πηγή πληροφορίας (τερματική διάταξη), μεταφέρονται μέσω ενδιάμεσων κόμβων στον προκαθορισμένο δέκτη. Οι κόμβοι διακινούν τα δεδομένα προς τον προορισμό τους αποφασίζοντας ή όχι για την αποτελεσματική διακίνησή τους. Για την αύξηση της αξιοπιστίας του δικτύου, οι κόμβοι συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει εναλλακτικός δρόμος μεταξύ των τερματικών σημείων. Οι τρεις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων στα δίκτυα μεταγωγής είναι οι εξής:

• Μεταγωγή κυκλώματος (Circuit switching)
• Μεταγωγή πακέτων (Packet switching)
• Μεταγωγή μηνύματος (Message switching)

Στη μεταγωγή κυκλώματος ένα φυσικό κανάλι προσφέρεται στους συνδρομητές αποκλειστικά σε όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας τους και καταργείται μόνο με τον τερματισμό της επικοινωνίας αυτής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της τεχνικής μεταγωγής κυκλώματος αποτελεί το τηλεφωνικό δίκτυο.

Στη μεταγωγή πακέτων τα δεδομένα που πρόκειται να μεταφερθούν τεμαχίζονται σε πακέτα ομοίου μήκους. Στην τεχνική αυτή δεν υπάρχει εκ των προτέρων σχηματιζόμενο φυσικό κανάλι για τη συγκεκριμένη επικοινωνία των δύο συνδρομητών. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι του δικτύου αποφασίζουν για τη διαδρομή που θα διανύσει το κάθε πακέτο ώστε να φτάσει στον προορισμό του με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο. Συνεπώς οι κόμβοι του δικτύου θα πρέπει να έχουν επεξεργαστική ικανότητα για την προώθηση των πακέτων. Δύο διαφορετικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την προώθηση των πακέτων: α) τα αυτοδύναμα πακέτα (datagram) και β) τα εικονικά κυκλώματα (virtual circuits). Mε τη μέθοδο datagram, κάθε πακέτο αντιμετωπίζεται από τους κόμβους του δικτύου σαν ένα ολοκληρωμένο μήνυμα. Κάθε κόμβος που παραλαμβάνει το πακέτο επιλέγει ποιος θα είναι ο επόμενος έτσι ώστε το δίκτυο να λειτουργεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Για τον λόγο αυτόν οι κόμβοι οφείλουν να διαθέτουν αρκετές πληροφορίες για τη δομή και την κατάσταση του δικτύου κάθε χρονική στιγμή. Τα πακέτα πληροφορίας ενώ έχουν τον ίδιο προορισμό δεν ακολουθούν όλα τον ίδιο δρόμο γι’ αυτό υπάρχει πιθανότητα να φτάσουν με διαφορετική σειρά από αυτήν που στάλθηκαν. Έτσι θα πρέπει να υπάρχει κατάλληλη διάταξη που να τα τοποθετεί στην αρχική τους σειρά. Στη μέθοδο εικονικού κυκλώματος (virtual circuit), πριν αρχίσει η αποστολή των πακέτων αποκαθίσταται μία σταθερή νοητή σύνδεση μεταξύ των δύο συνδρομητών από όπου στη συνέχεια θα περάσουν όλα τα πακέτα του μηνύματος. Δηλαδή ο δρόμος που θα ακολουθήσουν τα πακέτα καθορίζεται μια φορά στην αρχή και παραμένει ο ίδιος μέχρι να διακοπεί η επικοινωνία των δύο συνδρομητών. Η εξασφάλιση της ύπαρξης ελεύθερου δρόμου γίνεται με την ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ των δύο συνδρομητών που πρόκειται να επικοινωνήσουν. Στην τεχνική αυτή οι ενδιάμεσοι κόμβοι δεν απαιτείται να έχουν πληροφορίες για την κατάσταση του δικτύου, γιατί δεν αποφασίζουν για τη δρομολόγηση των μηνυμάτων αλλά απλά τα διακινούν στον προορισμό τους.

Στη μεταγωγή μηνύματος τα δεδομένα αποστέλλονται με τη μορφή μηνύματος που μεταδίδεται ολόκληρο ανεξάρτητα από το μέγεθός του. Το δίκτυο προωθεί το μήνυμα από κόμβο σε κόμβο μέχρι να φτάσει στον προορισμό του. Κάθε κόμβος αποφασίζει ποιος θα είναι ο επόμενος που θα παραλάβει το μήνυμα, δηλαδή οι κόμβοι αποφασίζουν για τη δρομολόγηση του μηνύματος. Για τον λόγο αυτόν θα πρέπει στους κόμβους να υπάρχει αρκετή πληροφορία για τη δομή και την κατάσταση του δικτύου κάθε χρονική στιγμή. Παρά τα πλεονεκτήματα της τεχνικής αυτής, στην πράξη η μεταγωγή μηνύματος έχει αντικατασταθεί από τη μεταγωγή πακέτων.

1.2.2 Σύγκριση των μεθόδων μεταγωγής

Κάνοντας σύγκριση των μεθόδων που αναφέραμε προηγουμένως προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα:

• H μεταγωγή κυκλώματος είναι ιδανική μέθοδος για μετάδοση συνεχών σημάτων μεγάλης διάρκειας, π.χ. για μετάδοση φωνής (τηλεφωνικό δίκτυο) και εικόνας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται καμιά επεξεργασία των σημάτων από τη στιγμή που εγκαθίσταται το κύκλωμα (φυσικό κανάλι). Τέτοιες επεξεργασίες καθυστερούν τη μετάδοση, πράγμα που δεν είναι επιθυμητό για μεγάλα και συνεχή μηνύματα.
• Η μεταγωγή κυκλώματος δεν είναι αποδοτική για μετάδοση μηνυμάτων μικρής διάρκειας και σποραδικής φύσεως. Στην περίπτωση αυτή, ο χρόνος που απαιτείται για να συνδεθούν οι χρήστες για κάθε σύντομη μετάδοση θα ήταν σημαντική επιβάρυνση, ενώ η διατήρηση της σύνδεσης μεταξύ διαδοχικών μεταδόσεων θα σήμαινε σπατάλη ενός μεγάλου ποσοστού της χωρητικότητας της γραμμής. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ενδείκνυται η μεταγωγή πακέτων.
• Η τεχνική εικονικού κυκλώματος συνδυάζει χαρακτηριστικά και των δύο προαναφερθέντων τύπων μεταγωγών.
• Όσον αφορά την αξιοπιστία του συστήματος η τεχνική datagram είναι πολύ καλύτερη γιατί σε περίπτωση βλάβης (π.χ. καταστροφής ενός κόμβου) το μήνυμα θα φτάσει στον προορισμό του μέσω άλλων εναλλακτικών δρόμων. Αντίθετα στη μεταγωγή κυκλώματος, καταστροφή του διαθέσιμου καναλιού θα έχει σαν αποτέλεσμα την απώλεια του μηνύματος. Στη μεταγωγή εικονικού κυκλώματος υπάρχει μεγάλη πιθανότητα απώλειας του μηνύματος ή ανάγκη επαναμετάδοσής του, αφού σε περίπτωση που χαλάσει κάποιος κόμβος όλα τα μηνύματα που διέρχονται από τον κόμβο αυτόν θα χαθούν.

1.3 Δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης στο κανάλι διάδοσης

Τα δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης στο κανάλι διάδοσης έχουν εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά από τα δίκτυα μεταγωγής που μελετήσαμε παραπάνω. Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των δικτύων είναι τα εξής:

· Δεν υπάρχουν ενδιάμεσοι κόμβοι μεταγωγής μεταξύ πομπού και δέκτη.

· Το μέσο επικοινωνίας είναι κοινό για όλους τους συνδρομητές.

· Σε μια συγκεκριμένη περιοχή του μέσου επικοινωνίας μόνο ένας συνδρομητής μπορεί κάθε στιγμή να εκπέμπει.

· Το εκπεμπόμενο σήμα μπορεί να λαμβάνεται από όλους τους συνδρομητές αρκεί να έχουν την κατάλληλη συσκευή πρόσβασης.

· Μπορεί να υπάρχουν πολλοί πομποί που μοιράζονται χρονικά το ίδιο μέσο μετάδοσης.

Οι πιο γνωστοί τύποι τέτοιων δικτύων είναι:

· Tα επίγεια ραδιοδίκτυα.

· Τα δορυφορικά δίκτυα.

· Τα τοπικά δίκτυα (LAN).

Oι δύο πρώτοι τύποι δικτύων αποτελούν αντικείμενο των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών. Στα δίκτυα αυτά κάθε σταθμός πρέπει να διαθέτει κεραίες εκπομπής και λήψεως και να βρίσκεται μέσα στην εμβέλεια των υπολοίπων. Τα τοπικά δίκτυα LAN είναι εντελώς διαφορετικά από τους άλλους τύπους δικτύων αλλά και εδώ το βασικό χαρακτηριστικό είναι η ύπαρξη κοινού μέσου επικοινωνίας για όλους τους συνδρομητές, το οποίο είναι ένα καλώδιο ή μία οπτική ίνα.

1.4 Γεωγραφική διαίρεση των δικτύων

Ανάλογα με τη γεωγραφική έκταση που καλύπτουν, τα δίκτυα χωρίζονται σε αστικά δίκτυα (Μetropolitan Area Networks-MAN), σε τοπικά δίκτυα (Local Area Networks – LAN) και σε δίκτυα ευρείας περιοχής (Wide Area Networks – WAN).

Ως αστικά χαρακτηρίζονται εκείνα τα δίκτυα των οποίων το μέγεθος δεν ξεπερνάει τα όρια μιας πόλης. Τοπικά ονομάζονται εκείνα τα δίκτυα όπου όλα τα στοιχεία που τα απαρτίζουν βρίσκονται στον ίδιο γεωγραφικό χώρο. Τα δίκτυα ευρείας περιοχής καλύπτουν μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή ή ολόκληρη χώρα και διασυνδεόμενα αποτελούν διεθνή δίκτυα καλύπτοντας ηπείρους. Η διαφοροποίηση των δικτύων στο μέγεθος δημιουργεί εντελώς διαφορετικά προβλήματα σχεδιασμού και λειτουργίας και επιβάλλει διαφορετικές τεχνικές επίλυσής τους. Για παράδειγμα, στα δίκτυα ευρείας περιοχής, το ζήτημα του τοπολογικού σχεδιασμού είναι πολύ σύνθετο και δύσκολα επιλύεται, ενώ στα τοπικά δίκτυα οι επιλογές τοπολογίας έχουν καθοριστεί. Επίσης, στα εθνικά δίκτυα ένα σημαντικό ζήτημα είναι το πρόβλημα διακίνησης μηνυμάτων, ενώ αντίστοιχο πρόβλημα στα τοπικά δίκτυα μπορεί να θεωρηθεί το πρόβλημα πρόσβασης στο κοινό κανάλι των συνδρομητών.

Ωστόσο, παρά τη γεωγραφική διαίρεση των δικτύων η ανάγκη διασύνδεσης των δικτύων μεταξύ τους έχει σαν αποτέλεσμα πολλά χαρακτηριστικά των δικτύων να ομογενοποιηθούν και πολλές διαφορές μεταξύ τοπικών δικτύων και δικτύων ευρείας περιοχής να εξαλειφθούν.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2^Ο:

Η ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΗ ΣΥΣΚΕΥΗ

2.1 Γενικά

Η τηλεφωνική συσκευή ή απλώς το τηλέφωνο είναι η συνδρομητική διάταξη με την οποία γίνονται οι τηλεφωνικές συνδιαλέξεις. Το τηλέφωνο περιλαμβάνει δύο βασικά μέρη: την κύρια συσκευή και το μικροτηλέφωνο. Η κύρια συσκευή αποτελείται από:

· Το μηχανισμό παλμοδοτήσεως (δίσκο επιλογής ή πληκτρολόγιο). Ο μηχανισμός αυτός παράγει για κάθε επιλεγόμενο ψηφίο ίσο αριθμό παλμών ρεύματος. Οι παλιότερες συσκευές χρησιμοποιούσαν δίσκο επιλογής ενώ οι πιο σύγχρονες χρησιμοποιούν το πληκτρολόγιο, όπου η επιλογή ενός ψηφίου γίνεται με πίεση του αντίστοιχου πλήκτρου.

· Το ηλεκτρικό κουδούνι. Αυτό ειδοποιεί τον συνδρομητή ότι κάποιος τον καλεί στο τηλέφωνό του. Το κουδούνι διεγείρεται με εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας 25 Ηz που διοχετεύεται από τη μηχανή κλήσεων και σημάτων του τηλεφωνικού κέντρου.

· Την πλακέτα εξαρτημάτων. Αυτή περιλαμβάνει τα απαραίτητα στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος της συσκευής (αντιστάσεις, πυκνωτές, μετασχηματιστής κλπ.) καθώς και ο επαφέας του αγκίστρου.

Το μικροτηλέφωνο αποτελείται από:

· Το μικρόφωνο. Αυτό έχει ως λειτουργικό σκοπό τη μετατροπή των ακουστικών κυμάτων ομιλίας σε ανάλογο ηλεκτρικό σήμα.

· Το ακουστικό. Αυτό εκτελεί ακριβώς την αντίστροφη λειτουργία.

2.2 Περιγραφή υποσυστημάτων της συσκευής

α) Μικρόφωνο. Οι περισσότερες τηλεφωνικές συσκευές είναι εφοδιασμένες με μικρόφωνα άνθρακα λόγω χαμηλού κόστους και μεγάλης ευαισθησίας. Το μικρόφωνο άνθρακα δεν μετατρέπει την ακουστική ενέργεια των ηχητικών κυμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια αλλά διαμορφώνει το συνεχές ρεύμα που παίρνει από την πηγή τροφοδοτήσεώς του με το ακουστικό σήμα που παράγεται από τον ομιλητή. Το ακουστικό σήμα θέτει σε ταλάντωση τη μεμβράνη του μικροφώνου η οποία πιέζει άλλοτε εντονότερα και άλλοτε ασθενέστερα τα ψήγματα του άνθρακα που βρίσκονται σε ειδικό χώρο (σχήμα 2.1). Συνεπώς μεταβάλλεται η αντίσταση των ψηγμάτων και στη συνέχεια το ρεύμα στο κύκλωμα του μικροφώνου διαμορφώνεται ανάλογα με την ένταση της ομιλίας του συνδρομητή.

Σχήμα 2.1: Αρχή λειτουργίας του μικροφώνου άνθρακα.

Με βάση το παραπάνω σχήμα, όταν η μεμβράνη βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας, το ρεύμα μικροφώνου είναι:

(2.1)

όπου V_B η τάση της μπαταρίας που τροφοδοτεί το μικρόφωνο, R_M η αντίσταση του μικροφώνου και R_Τ η υπόλοιπη αντίσταση στο κύκλωμα του μικροφώνου.

Αν υποθέσουμε ότι το ακουστικό σήμα που προσπίπτει στο μικρόφωνο είναι ημιτονοειδές, τότε η αντίσταση του μικροφώνου θα μεταβάλλεται ως εξής:

(2.2)

όπου x<1. To ρεύμα στο κύκλωμα του μικροφώνου θα είναι:

(2.3)

όπου . Θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε ένα κύκλωμα μικροφώνου μιας τηλεφωνικής συσκευής ισχύει R_M<< R_T και συνεπώς α<<1. Έτσι μπορούμε να αναπτύξουμε τον όρο σε σειρά: και η σχέση (2.3) μπορεί να γραφεί προσεγγιστικά ως:

( .) (2.4)

Aπό την παραπάνω σχέση παρατηρούμε ότι η μεταβλητή συνιστώσα του ρεύματος φέρει την πληροφορία του ακουστικού σήματος ως θεμελιώδη συχνότητα. Όμως, εμφανίζονται και άλλοι όροι αρμονικών που συμβάλλουν στην παραμόρφωση του σήματος στην έξοδο του μικροφώνου. Εάν το α είναι πολύ μικρό, η παραμόρφωση μπορεί να είναι αμελητέα αλλά τότε και η ευαισθησία του μικροφώνου είναι μικρή. Ο συμβιβασμός που πρέπει να γίνει επιτρέπει κάποια παραμόρφωση στο σήμα. Η τυπική απόκριση ενός μικροφώνου άνθρακα παριστάνεται στο σχήμα 2.2 όπου βλέπουμε ότι το εύρος ζώνης είναι της τάξεως των 4 kHz, δηλαδή ικανοποιητικό, εφόσον το εύρος ζώνης μιας τηλεφωνικής γραμμής περιορίζεται περίπου στα 3,4 kHz.

Σχήμα 2.2: Τυπική απόκριση συχνοτήτων ενός μικροφώνου άνθρακα.

Άλλα μικρόφωνα που χρησιμοποιούνται στην τηλεφωνία είναι τα κρυσταλλικά και τα μικρόφωνα πυκνωτή τα οποία όμως λόγω της χαμηλής ευαισθησίας τους χρειάζονται ενισχυτικές διατάξεις.

β) Ακουστικό. To ακουστικό είναι η συσκευή που μετατρέπει το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό ρεύμα σε ακουστικά κύματα. Τα ακουστικά των περισσότερων τηλεφωνικών συσκευών είναι τύπου κινουμένου σιδήρου. Ένα τέτοιο ακουστικό παριστάνεται στο σχήμα 2.3.

Σχήμα 2.3: α) Αρχή λειτουργίας β) Κάτοψη τομής ακουστικού.

Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα, το ακουστικό αποτελείται από μία εύκαμπτη μεμβράνη στο σχήμα δίσκου που τοποθετείται στο πεδίο ενός ηλεκτρομαγνήτη πολωμένου από ένα μόνιμο μαγνήτη. Σε κατάσταση ηρεμίας η μεμβράνη έλκεται συνεχώς από το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη. Όταν μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό ρεύμα περάσει από τα πηνία του ηλεκτρομαγνήτη, δημιουργείται ένα αντίστοιχο μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που ενισχύει ή μειώνει το υπάρχον μαγνητικό πεδίο. Το αποτέλεσμα είναι η μεμβράνη να πάλλεται στην ίδια συχνότητα με αυτήν του μεταβαλλόμενου ηλεκτρικού ρεύματος. Ο μόνιμος μαγνήτης έχει το πλεονέκτημα να αυξάνει την ευαισθησία του ακουστικού και να εμποδίζει την κίνηση του οπλισμού στη διπλάσια συχνότητα.

Η ζώνη συχνοτήτων που μπορεί να διαβιβασθεί με αυτόν τον τύπο ακουστικού είναι περίπου 3,5 kHz (σχήμα 2.4). Ένας νεώτερος τύπος ακουστικού που χρησιμοποιεί δακτυλιοειδή μαγνήτη έχει καλύτερη απόκριση συχνότητας που φθάνει τα 4,5 kHz (σχήμα 2.4).

Σχήμα 2.4: Aποκρίσεις συχνοτήτων ακουστικών τύπου κινουμένου σιδήρου.

γ) Ηλεκτρικό κουδούνι. Αυτό αποτελείται από έναν πυρήνα σχήματος Ε του οποίου το μεσαίο σκέλος είναι μόνιμος μαγνήτης. Στο μεσαίο σκέλος είναι στερεωμένος ένας σιδερένιος οπλισμός που μπορεί να κινείται από τη μια μεριά στην άλλη. Στα άλλα σκέλη υπάρχουν δύο πηνία που είναι τυλιγμένα με αντίθετη φορά περιελίξεως μεταξύ τους (σχήμα 2.5).

Σχήμα 2.5: Αρχή λειτουργίας κουδουνιού τηλεφωνικής συσκευής.

Όταν περάσει εναλλασσόμενο ρεύμα 25 Ηz από τα πηνία αυτά, στη μια κατεύθυνση του ρεύματος το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη προστίθεται σε αυτό του μόνιμου μαγνήτη και έλκεται περισσότερο η πάνω μεριά του οπλισμού, ενώ συγχρόνως αφαιρείται από την κάτω μεριά, η οποία έλκεται λιγότερο. Στην άλλη κατεύθυνση του ρεύματος αναστρέφονται τα παραπάνω και έτσι έλκεται περισσότερο η κάτω μεριά. Το αποτέλεσμα είναι ότι το σφαιρίδιο στη ράβδο που είναι συνδεδεμένη στον οπλισμό χτυπά τα σήμαντρα μία φορά σε κάθε κύκλο του ρεύματος κλήσεως 25 Ηz. Σημειώνεται ότι και εδώ ο μόνιμος μαγνήτης αυξάνει την ευαισθησία και εμποδίζει την κίνηση του οπλισμού στη διπλάσια συχνότητα.

δ) Το ηλεκτρικό κύκλωμα. Σκοπός του ηλεκτρικού κυκλώματος στην τηλεφωνική συσκευή είναι η προσαρμογή του μικροφώνου στη γραμμή, η προσαρμογή του ακουστικού στη γραμμή και ο περιορισμός της μεταδόσεως ενέργειας από το μικρόφωνο στο ακουστικό (σχήμα 2.6).

Σχήμα 2.6: To ηλεκτρικό κύκλωμα της τηλεφωνικής συσκευής.

Ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα τηλεφωνικής συσκευής θα ήταν να συνδέσουμε το μικρόφωνο σε σειρά με το ακουστικό και στη συνέχεια να συνδέσουμε τον συνδυασμό αυτόν απ’ ευθείας στην τηλεφωνική γραμμή (σχήμα 2.7).

Σχήμα 2.7: Σύνδεση μικροφώνου και ακουστικού στην τηλεφωνική γραμμή.

Η παραπάνω σύνδεση όμως παρουσιάζει ορισμένα βασικά μειονεκτήματα:

· Το συνεχές ρεύμα που χρειάζεται το μικρόφωνο για τη λειτουργία του περνά αναγκαστικά και από το ακουστικό προκαλώντας προβλήματα στη γραμμική λειτουργία του.

· Το εναλλασσόμενο ρεύμα κατά τη λήψη (ρεύμα ομιλίας) περνά αναγκαστικά και από το μικρόφωνο και έτσι δημιουργείται άσκοπη απώλεια ισχύος με αποτέλεσμα την πτώση στην απόδοση της τηλεφωνικής συσκευής.

· To εναλλασσόμενο ρεύμα που παράγεται στο μικρόφωνο κατά την εκπομπή περνά από το ακουστικό και προκαλεί αυτακουστικότητα. Αυτό αναγκάζει τον ομιλητή να χαμηλώσει την ένταση της φωνής του, οπότε μειώνεται σημαντικά το σήμα του μικροφώνου. Η αυτακουστικότητα επίσης κουράζει τα αυτιά του ομιλητή.

· Δεν γίνεται προσαρμογή του μικροφώνου και του ακουστικού στη γραμμή και επομένως η τηλεφωνική συσκευή δεν λειτουργεί αποδοτικά.

Για την αποφυγή των παραπάνω μειονεκτημάτων, χρησιμοποιείται μία διάταξη που βασίζεται στην αρχή του ισορροπημένου μετασχηματιστή ή υβριδικού πηνίου (σχήμα 2.8), η οποία έχει το πλεονέκτημα του διαχωρισμού της κατευθύνσεως εκπομπής και λήψεως.

Σχήμα 2.8: α) Σύμβολο διατάξεως β) Πρακτικό κύκλωμα διατάξεως ισορροπημένου

μετασχηματιστή.

ε) Μηχανισμός παλμοδοτήσεως (δίσκος επιλογής). Ο μηχανισμός αυτός (σχήμα 2.9) χρησιμεύει για να καθοδηγεί τα ζευκτικά όργανα του αυτόματου τηλεφωνικού κέντρου και αποτελείται από τα παρακάτω μέρη:

· Το διάτρητο δίσκο με τον οποίο επιλέγουμε τον αριθμό που θέλουμε να καλέσουμε.

· Το μηχανισμό σχηματισμού παλμών που περιλαμβάνει ένα ελατήριο και ένα ατέρμονα κοχλία με οδοντωτό τροχό. Σκοπός του μηχανισμού αυτού είναι να μετατρέπει τον κάθε αριθμό, κατά την επιστροφή του δίσκου, σε παλμούς ρεύματος που δημιουργούνται με διακοπές ορισμένης διάρκειας του συνδρομητικού βρόχου.

· Το φυγοκεντρικό ρυθμιστή που εξασφαλίζει σταθερή ταχύτητα περιστροφής του δίσκου κατά την επιστροφή του, οπότε σχηματίζονται οι παλμοί.

· Τρεις επαφείς που στέλνουν τους παλμούς προς το τηλεφωνικό κέντρο. Οι επαφείς αυτοί είναι (σχήμα 2.10):

1. O βραχυκυκλωματικός επαφέας nsa, του οποίου σκοπός είναι, μόλις ο μηχανισμός σχηματισμού παλμών εγκαταλείψει τη θέση ηρεμίας του και μέχρι επανόδου του, να βραχυκυκλώσει τη διάταξη μικροφώνου Ζ_Β και τον μετασχηματιστή. Έτσι πετυχαίνουμε υψηλότερο ρεύμα παλμών στο συνδρομητικό βρόχο ενώ ταυτόχρονα παρεμποδίζουμε τους παλμούς κλήσεως να φθάνουν στο ακουστικό, όπου θα ήταν ενοχλητικοί.

2. Ο παλμοδοτικός επαφέας nsi με τον οποίο κατά την επιστροφή του δίσκου, οπότε η ταχύτητα διατηρείται σταθερή, διακόπτεται και αποκαθίσταται ο συνδρομητικός βρόχος τόσες φορές, όσες μονάδες περιέχει το καλούμενο ψηφίο. Π.χ. για το 0, οι διακοπές και αποκαταστάσεις είναι δέκα. Η διάρκεια της διακοπής είναι 62 ms και η διάρκεια της αποκαταστάσεως είναι 38 ms, έτσι ώστε η περίοδος των παλμών είναι 100 ms. Έτσι, κατά την επιλογή ενός ψηφίου, π.χ. του 5, δημιουργείται στον συνδρομητικό βρόχο μία παλμοσειρά από πέντε διαδοχικούς παλμούς συνολικής διάρκειας 5x100=500 ms.

3. O παλμοανασχετικός επαφέας nsr που χρησιμοποιείται σε νεώτερου τύπου συσκευές στις οποίες ο παλμοδοτικός επαφέας nsi λειτουργεί, δηλαδή ανοίγει και κλείνει δύο φορές παραπάνω από τις απαιτούμενες. Για τον αριθμό 5 π.χ., ο nsi λειτουργεί επτά φορές, από τις οποίες οι πρώτες πέντε λειτουργίες μεταφράζονται σε ισάριθμους παλμούς. Οι τελευταίες δύο λειτουργίες καταπνίγονται από τον nsr ο οποίος βραχυκυκλώνει τον nsi.

Σχήμα 2.9: Μηχανισμός παλμοδοτήσεως

Σχήμα 2.10: Κύκλωμα τηλεφωνικής συσκευής όπου περιλαμβάνονται και οι επαφείς παλμοδοτήσεως.

2.3 Λειτουργία της τηλεφωνικής συσκευής

Όταν ο συνδρομητής σηκώσει το μικροτηλέφωνο, οι επαφείς U του άγκιστρου κλείνουν, με αποτέλεσμα τη διοχέτευση συνεχούς ρεύματος στο κύκλωμα της συσκευής από τη μπαταρία του τηλεφωνικού κέντρου. Το ρεύμα αυτό προκαλεί τη λειτουργία ορισμένων ηλεκτρονόμων στο τηλεφωνικό κέντρο που θέτουν σε ετοιμότητα τον προεπιλογέα για να δεχθεί τον καλούμενο αριθμό και στη συνέχεια δίνουν στον συνδρομητή το ηχόσημα επιλογής. Στη συνέχεια ο συνδρομητής καλεί τον αριθμό του, περιστρέφοντας τον δίσκο με το δάχτυλό του (ή πατώντας τα πλήκτρα, αν πρόκειται για πληκτρολόγιο). Τότε ο επαφέας nsa κλείνει και βραχυκυκλώνει το κύκλωμα αριστερά του σχήματος 2.10, ενώ ο nsr ανοίγει και ελευθερώνει τον nsi για να λειτουργήσει. Οι παλμοί επιλογής δημιουργούνται κατά την επιστροφή του δίσκου από τον επαφέα nsi (σχήμα 2.11). Η αντίσταση R και ο πυκνωτής C αποτελούν κύκλωμα αποσβέσεως για τους σπινθήρες που παράγονται από τον nsi.

Σχήμα 2.11: Λειτουργικές κυματομορφές των επαφέων τηλεφωνικής συσκευής με δίσκο επιλογής.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στο παραπάνω σχήμα, οι τελευταίοι παλμοί του nsi καταπνίγονται από τον nsr, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Η παλμοσειρά του παραπάνω σχήματος αντιστοιχεί στην επιλογή του ψηφίου 3.

Οι παλμοσειρές για τα διάφορα ψηφία πρέπει να διαχωρίζονται μεταξύ τους με ένα χρονικό διάστημα τουλάχιστον 500 ms, το οποίο χρησιμοποιείται για να ανγνωρίζεται το τέλος της παλμοσειράς κάθε ψηφίου και για να δίνεται επαρκής χρόνος για να λειτουργήσουν τα συστήματα του κέντρου. Το χρονικό αυτό διάστημα εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία ο συνδρομητής επιλέγει τα ψηφία και από το ποιο ψηφίο ακολουθεί ένα άλλο ψηφίο. Αν π.χ. το επόμενο ψηφίο είναι το 1, το χρονικό διάστημα είναι το ελάχιστο, επειδή η περιστροφή του δίσκου για το ψηφίο αυτό είναι συντομότερη από όλα τα άλλα ψηφία. Το ελάχιστο διάστημα των 500 ms εξασφαλίζεται με την κατάπνιξη των δύο παλμών στο τέλος της παλμοσειράς κάθε ψηφίου και με την τεχνητή αύξηση της διαδρομής κατά την περιστροφή του δίσκου.

Όταν ο συνδρομητής τελειώσει την επιλογή όλων των ψηφίων του καλουμένου αριθμού οι παλμοσειρές ενεργούν στους επιλογείς του τηλεφωνικού κέντρου, μέχρι να βρεθεί μία έξοδος που οδηγεί στον καλούμενο συνδρομητή. Οι επιλογείς εκτελούν και άλλες λειτουργίες, όπως την αποστολή ρεύματος κλήσεως στον καλούμενο συνδρομητή και ηχόσημα στον καλούντα, π.χ. «ελευθέρου» ή «κατειλημμένου». Το ρεύμα κλήσεως είναι εναλλασσόμενο 25 Ηz και εφαρμόζεται στη γραμμή του καλουμένου συνδρομητή διεγείροντας το ηλεκτρικό κουδούνι της συσκευής του. Το ηχόσημα «ελευθέρου» δίνεται ταυτόχρονα στη γραμμή του συνδρομητή που έκανε την κλήση, ο οποίος ακούει το κουδούνι του καλουμένου να χτυπά. Αν ο καλούμενος συνδρομητής ομιλεί ή έχει σηκώσει το μικροτηλέφωνό του, το ηχόσημα «κατειλημμένου» διοχετεύεται στον καλούντα, ο οποίος πρέπει να κλείσει και να επαναλάβει την κλήση του αργότερα. Τα ηχοσήματα «ελευθέρου» και «κατειλημμένου» έχουν συχνότητα 450 Ηz και δεν διεγείρουν το κουδούνι της συσκευής, επειδή σε αυτήν τη συχνότητα τα πηνία παρουσιάζουν μεγάλη σύνθετη αντίσταση.

Όταν ο καλούμενος συνδρομητής σηκώσει το μικροτηλέφωνό του, οι επαφείς του άγκιστρου U της συσκευής του κλείνουν, με αποτέλεσμα να γίνει σύνδεση με τον καλούντα συνδρομητή. Ταυτόχρονα διακόπτεται από το κέντρο η αποστολή ρεύματος κλήσεως στον καλούμενο καθώς και το ηχόσημα «ελευθέρου» στον καλούντα και αρχίζει η χρέωση της συνδιαλέξεως (αστική ή υπεραστική). Όταν η συνδιάλεξη τελειώσει, ο καλών συνδρομητής μπορεί να τερματίσει τη σύνδεση αποθέτοντας το μικροτηλέφωνό του στην υποδοχή του (άγκιστρο), οπότε προκαλεί απόλυση των επιλογέων και επαναφορά στην κατάσταση ηρεμίας.

2.4 Τηλεφωνική συσκευή με πληκτρολόγιο

Οι σύγχρονες τηλεφωνικές συσκευές χρησιμοποιούν για την επιλογή ενός αριθμού πληκτρολόγιο και όχι επιλογικό δίσκο. Έτσι επιτυγχάνεται εύκολη, αξιόπιστη και γρήγορη επιλογή του συνδρομητικού αριθμού. Ο συνδρομητικός αριθμός μεταβιβάζεται στο κέντρο υπό μορφή παλμοσειρών, ενώ στα πιο σύγχρονα συστήματα χρησιμοποιείται κώδικας ακουστικών συχνοτήτων.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό των σύγχρονων τηλεφωνικών συσκευών είναι ότι κατασκευάζονται από ολοκληρωμένα κυκλώματα, με αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους της συσκευής, την αξιόπιστη λειτουργία της και τον εμπλουτισμό των δυνατοτήτων της (απομνημόνευση αριθμών, αυτόματη επανάκληση, σύστημα ανοιχτής ακρόασης, αποθήκευση των τελευταίων κληθέντων αριθμών, ασύρματες συσκευές κλπ.).

Η συσκευή πληκτροεπιλογής για μετάδοση παλμοσειρών περιλαμβάνει ένα σύστημα μηχανικών επαφών οι οποίοι ενεργοποιούνται με την πίεση κάθε πλήκτρου και δίνουν ένα συνδυασμό σημάτων που αντιστοιχεί στο ψηφίο του πλήκτρου που πιέστηκε. Ο συνδυασμός αυτός μεταφέρεται σε ένα σύστημα παλμοδοτήσεως, αποκωδικοποιείται, μετατρέπεται σε παλμοσειρές και οδηγείται στη συνδρομητική γραμμή για να φτάσει στο κέντρο.

Στη συσκευή για μετάδοση ακουστικών συχνοτήτων υπάρχουν ταλαντωτές που δημιουργούν 8 διαφορετικές ακουστικές συχνότητες. Οι συχνότητες είναι ταξινομημένες σε δύο ομάδες από 4 συχνότητες. Η ομάδα Α χαρακτηρίζει τις σειρές του πληκτρολογίου και η ομάδα Β τις στήλες. Κάθε ψηφίο από το 0 ως το 9 καθρίζεται από τις δύο συχνότητες της γραμμής και της στήλης όπου ανήκει το ψηφίο αυτό (σχήμα 2.12). Με την πίεση του πλήκτρου επιλέγονται αυτόματα δύο συντονισμένα κυκλώματα, που αντιστοιχούν στις δύο συχνότητες του πλήκτρου και οι συχνότητες που δίνουν τα κυκλώματα αυτά οδηγούνται ταυτόχρονα στη συνδρομητική γραμμή για να καταλήξουν στο τηλεφωνικό κέντρο. Στο κέντρο υπάρχουν κατάλληλα κυκλώματα τα οποία λαμβάνουν τις συχνότητες και αναγνωρίζουν το ψηφίο που έχει επιλεγεί. Με τη μέθοδο των ακουστικών συχνοτήτων επιτυγχάνεται πολύ πιο γρήγορη μεταβίβαση του συνδρομητικού αριθμού στο τηλεφωνικό κέντρο συγκριτικά με τη μεταβίβαση με παλμοσειρές.

Σχήμα 2.12: Συνδυασμοί ακουστικών συχνοτήτων για μετάδοση του αριθμού κλήσεως.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3^Ο:

ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΑ ΚΕΝΤΡΑ

3.1 Εισαγωγή

Το τηλεφωνικό κέντρο είναι μια συσκευή η οποία καθοδηγείται από την τηλεφωνική συσκευή και διαθέτει ένα σύστημα επιλογέων με τους οποίους είναι δυνατή η επιλογή του καλούμενου συνδρομητή. Η ανάγκη δημιουργίας τηλεφωνικών κέντρων έγινε για οικονομικούς και τεχνικούς λόγους, διότι αν συνδέονταν όλοι οι συνδρομητές απευθείας μεταξύ τους θα απαιτείτο ένας τεράστιος αριθμός συνδρομητικών γραμμών, γεγονός που θα ήταν τρομερά δαπανηρό και περίπλοκο. Έτσι δημιουργήθηκαν τα αστικά τηλεφωνικά κέντρα, όπου οι συνδρομητές μιας περιοχής συνδέονται ακτινωτά (σχήμα 3.1) και έτσι το συνολικό μήκος των συνδρομητικών γραμμών είναι ελάχιστο. Το τηλεφωνικό κέντρο είναι ουσιαστικά μία συσκευή μεταγωγής όπου δρομολογούνται οι κλήσεις μεταξύ των συνδρομητών.

Σχήμα 3.1: Ακτινωτή σύνδεση συνδρομητών.

Ένα αστικό τηλεφωνικό κέντρο μπορεί να συνεργασθεί με άλλα κέντρα, αστικά ή υπεραστικά. Όταν ένας συνδρομητής συνδεθεί με έναν άλλο συνδρομητή του ίδιου ή διαφορετικού κέντρου, της ίδιας όμως αστικής περιοχής, η σύνδεση ονομάζεται αστική σύνδεση. Όταν η σύνδεση είναι μεταξύ συνδρομητών που ανήκουν σε κέντρα διαφορετικών αστικών περιοχών, τότε έχουμε υπεραστική σύνδεση. Σήμερα όλες οι αστικές συνδέσεις στην Ελλάδα, πραγματοποιούνται με αυτόματα τηλεφωνικά κέντρα.

3.2 Κατηγορίες αυτομάτων κέντρων

Το σύνολο των οργάνων ενός τηλεφωνικού κέντρου και των μεθόδων που εφαρμόζονται για να πραγματοποιηθούν οι συνδέσεις των συνδρομητών ονομάζεται τηλεφωνικό σύστημα. Αυτά διακρίνονται σύμφωνα με διάφορα κριτήρια, όπως π.χ. με το όνομα του κατασκευαστή (Siemens, Ericsson κλπ.) ή με το όνομα της βασικής τους μονάδας (υψοστροφικό σύστημα, ραβδεπαφικό σύστημα κλπ.). Ανάλογα με τον τρόπο καθοδηγήσεως των ζευκτικών οργάνων του κέντρου, διακρίνονται σε συστήματα άμεσης και έμμεσης επιλογής ή παλμοδοτήσεως:

1) Συστήματα άμεσης επιλογής χαρακτηρίζονται εκείνα στα οποία τα ζευκτικά όργανα καθοδηγούνται κατ’ ευθείαν με τις παλμοσειρές που αποστέλλονται από τον καλούντα συνδρομητή.

2) Συστήματα έμμεσης επιλογής χαρακτηρίζονται εκείνα στα οποία οι παλμοσειρές οδηγούνται και αποθηκεύονται σε μία κεντρική διάταξη καθοδηγήσεως στο τηλεφωνικό κέντρο. Εκεί οι πληροφορίες που περιέχουν οι παλμοσειρές υπόκεινται σε επεξεργασία, όσον αφορά την κατάσταση των οργάνων του κέντρου, προσδιορίζονται τα όργανα και οι γραμμές που θα χρησιμοποιηθούν και δίνονται οι κατάλληλες εντολές για να πραγματοποιηθεί η σύνδεση.

Μπορούμε επίσης να διακρίνουμε τις παρακάτω κατηγορίες επιλογικών συστημάτων:

1) Βηματοπορικό (step-by-step) σύστημα με υψοστροφικούς επιλογείς άμεσης παλμοδοτήσεως. Οι επιλογείς στο σύστημα αυτό κινούνται βήμα προς βήμα. Σε κάθε βαθμίδα επιλογής, με τον ερχομό μιας παλμοσειράς, ανυψώνεται ο αντίστοιχος επιλογέας σε μια ορισμένη θέση. Όταν τελειώσει η ανύψωση, ο επιλογέας περιστρέφεται και οι βραχίονές του αναζητούν μία ελεύθερη έξοδο, δηλαδή έναν ελεύθερο επιλογέα της επόμενης βαθμίδας που αντιστοιχεί στο ψηφίο της παλμοσειράς (σχήμα 3.2).

2) Κινητηριακό σύστημα. Το σύστημα αυτό είναι άμεσης παλμοδοτήσεως και αποτελεί εξέλιξη του βηματοπορικού, με τη βασική διαφορά ότι οι βραχίονες των επιλογέων του εκτελούν μόνο περιστροφική κίνηση. Στα συστήματα αυτά οι επιλογείς είναι από ευγενή μέταλλα και η γραμμή ενός συνδρομητή καταλήγει στα πλακίδια (εξόδους) του επιλογέα που ονομάζεται και κλησιθήρας. Όταν ένας συνδρομητής σηκώσει το μικροτηλέφωνό του, ο κλησιθήρας – επιλογέας στον οποίο ανήκει, αρχίζει να περιστρέφεται μέχρις ότου οι βραχίονές του εντοπίσουν τη γραμμή του συνδρομητή αυτού (σχήμα 3.3). Όλες οι άλλες βαθμίδες καθοδηγούνται από τις παλμοσειρές του συνδρομητή όπως και το βηματοπορικό σύστημα.

3) Ραβδεπαφικό σύστημα (crossbar). To σύστημα αυτό διαφέρει στην κατασκευή του από τα δύο προηγούμενα συστήματα στο ότι δεν έχει επιλογέα. Η λειτουργία του στηρίζεται στο ότι οι εισερχόμενες γραμμές διασταυρώνονται με τις απερχόμενες γραμμές και οι επιθυμητές συνδέσεις γίνονται στα σημεία διασταυρώσεως με ενεργοποίηση ηλεκτρονόμων (σχήμα 3.4). Στην πράξη τοποθετούνται περισσότερες εισερχόμενες γραμμές παράλληλα μεταξύ τους και η κάθε μία μπορεί να συνδεθεί με οποιαδήποτε απερχόμενη γραμμή. Έτσι σχηματίζεται μία διάταξη ζευκτικού πεδίου. Ο ραβδεπαφικός επιλογέας δεν είναι ένας ανεξάρτητος επιλογέας αλλά μια ομάδα επιλογέων, γι’ αυτό μια κατασκευαστική μονάδα ονομάζεται ραβδεπαφικό πλαίσιο (crossbar frame).

4) Σύστημα rotary. To σύστημα αυτό αποτελείται από περιστροφικούς επιλογείς ταχείας κινήσεως, στους οποίους μεταδίδεται η κίνηση από μία κεντρική άτρακτο που βρίσκεται σε συνεχή κίνηση μέσω μαγνητικού συμπλέκτη. Το σύστημα rotary κατατάσσεται στα συστήματα έμμεσης επιλογής και χρησιμοποιείται κυρίως σε μικροαστικά κέντρα.

Σχήμα 3.2: Mηχανισμός υψοστροφικού επιλογέα.

Σχήμα 3.3: Μηχανισμός κινητηριακού επιλογέα.

Σχήμα 3.4: Αρχή λειτουργίας του ραβδεπαφικού επιλογέα.

3.3 Βασικές λειτουργίες αυτομάτων κέντρων

Όπως είδαμε και στο Κεφάλαιο 2, όταν ένας συνδρομητής θέλει να καλέσει έναν αριθμό σηκώνει το μικροτηλέφωνό του. Αμέσως κλείνει ο βρόχος της συνδρομητικής γραμμής και παρέχεται ρεύμα στο μικρόφωνο από τη μπαταρία του κέντρου. Η παροχή ρεύματος γνωστοποιεί στο κέντρο την επιθυμία του συνδρομητή να πραγματοποιήσει μία συνδιάλεξη. Το κέντρο απαντά με το ηχόσημα επιλογής που αποτελείται από σειρά τόνων 450 Ηz – 200 ms τόνο, 300 ms παύση, 700 ms τόνο, 800 ms παύση. Με το ηχόσημα επιλογής το κέντρο ειδοποιεί ότι υπάρχει ένα όργανο έτοιμο να δεχθεί τις εντολές του συνδρομητή και ότι ο συνδρομητής μπορεί να αρχίσει την επιλογή. Επιλογή είναι ο σχηματισμός το καλουμένου αριθμού με το δίσκο ή το πληκτρολόγιο της τηλεφωνικής συσκευής και η καθοδήγηση των επιλογέων του κέντρου με τις παλμοσειρές που αποστέλλονται για να πραγματοποιηθεί η σύνδεση.

Για να χρησιμοποιηθεί ένας επιλογέας και μία γραμμή σε σύνδεση, πρέπει να μην είναι απασχολημένοι σε άλλη σύνδεση. Μία ελεύθερη γραμμή βρίσκεται ύστερα από διαδοχικό έλεγχο των γραμμών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη σύνδεση. Αυτή η λειτουργία λέγεται δοκιμή. Μόλις βρεθεί η πρώτη ελεύθερη γραμμή, ακολουθεί κατάληψή της και αμέσως μετά φραγή που εμποδίζει άλλα όργανα να την καταλάβουν. Αν δεν βρεθεί ελεύθερη γραμμή (επειδή χρησιμοποιούνται σε άλλες συνδέσεις), η σύνδεση δεν μπορεί να προχωρήσει και το κέντρο ειδοποιεί τον καλούντα συνδρομητή με το ηχόσημα κατειλημμένου που αποτελείται από μία σειρά τόνων 450 Hz – 312,5 ms τόνο, 312,5 ms παύση. Επίσης, το ηχόσημα κατειλημμένου αποστέλλεται στον καλούντα συνδρομητή, όταν η συσκευή του καλούμενου είναι απασχολημένη. Όταν βρεθεί ελεύθερη γραμμή και αν η συσκευή του καλουμένου συνδρομητή δεν είναι απασχολημένη, το κέντρο αποστέλλει στον καλούντα το ηχόσημα ελευθέρου που αποτελείται από σειρά τόνων 450 Hz – 1 sec τόνο, 4 sec παύση και στον καλούμενο το ρεύμα κλήσεως συχνότητας 25 Ηz που κάνει το κουδούνι να ηχεί με ρυθμό 1 sec ήχο, 4 sec παύση. Όταν ο καλούμενος συνδρομητής σηκώσει το μικροτηλέφωνό του, κλείνει ο βρόχος της γραμμής του, το ρεύμα κλήσεως και το ηχόσημα σταματούν και αρχίζει η συνδιάλεξη. Αυτό αποτελεί το κριτήριο για την τελοχρέωση της συνδιαλέξεως. Κατά την τελοχρέωση η συνδιάλεξη χρεώνεται στον ατομικό μετρητή του καλούντος συνδρομητή. Η χρέωση χαρακτηρίζεται ως απλοτελής για τις αστικές συνδιαλέξεις ή πολλαπλοτελής για υπεραστικές συνδιαλέξεις. Εάν δεν απαντήσει ο καλούμενος, δεν υπάρχει φυσικά και τελοχρέωση. Ο τερματισμός της συνδιαλέξεως και της χρεώσεως χαρακτηρίζεται με την απόθεση του μικροτηλεφώνου στην υποδοχή του και τη διακοπή του συνδρομητικού βρόχου του καλούντος συνδρομητή. Από τη στιγμή αυτή αρχίζει η απόλυση της συνδέσεως κατά την οποία όλα τα καταληφθέντα όργανα και γραμμές ελευθερώνονται και επανέρχονται στη θέση ηρεμίας τους.

3.4 Hλεκτρονικά τηλεφωνικά κέντρα

Τα τηλεφωνικά κέντρα που περιγράψαμε στις προηγούμενες παραγράφους είναι ηλεκτρομηχανικά και έχουν ορισμένα βασικά μειονεκτήματα όπως:

· Έχουν σχετικά χαμηλή ταχύτητα λειτουργίας.

· Καταλαμβάνουν μεγάλο χώρο.

· Έχουν υψηλό κόστος συντηρήσεως

· Παρουσιάζουν δυσκολίες στην εισαγωγή νέας τεχνολογίας.

Τα παραπάνω προβλήματα λύθηκαν σε μεγάλο βαθμό με την εισαγωγή των ηλεκτρονικών τηλεφωνικών κέντρων τα οποία παρουσιάζουν τα εξής πλεονεκτήματα:

· Yψηλή ταχύτητα και μεγάλη χωρητικότητα.

· Δραστική μείωση του χώρου που καταλαμβάνουν.

· Μείωση του χρόνου εγκαταστάσεως και δοκιμής.

· Χαμηλό κόστος συντηρήσεως.

· Απλοποίηση και βελτιστοποίηση του έργου εκμεταλλεύσεως.

· Ευελιξία σε προσθήκες ή τροποποιήσεις.

· Ευελιξία στην εισαγωγή νέας τεχνολογίας.

· Μείωση κόστους δικτύου.

· Προσφορά πολλών νέων υπηρεσιών.

· Βελτίωση της ποιότητας τηλεπικοινωνίας.

Σύμφωνα με τον τρόπο διασυνδέσεως των γραμμών, τα ηλεκτρονικά κέντρα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες:

1. Tα ημιηλεκτρονικά κέντρα, στα οποία οι γραμμές διασυνδέονται με ηλεκτρομηχανικούς διακόπτες που μπορούν να λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες και ο έλεγχος των λειτουργιών του κέντρου γίνεται από κεντρικές ηλεκτρονικές διατάξεις.

2. Τα πλήρη ηλεκτρονικά κέντρα, στα οποία τόσο η διασύνδεση των γραμμών όσο και ο έλεγχος πραγματοποιούνται με ηλεκτρονικές διατάξεις.

Ο σχεδιασμός των ηλεκτρονικών κέντρων μπορεί να βασίζεται στην αρχή πολυπλέξεως με διαίρεση χώρου (Space Division Multiplexing – SDM) ή στην αρχή πολυπλέξεως με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing – TDM).

1. Κέντρα με πολύπλεξη χώρου

Στα κέντρα αυτά η πολύπλεξη χώρου πραγματοποιείται στα ζευκτικά πεδία που αποτελούνται από ηλεκτρονόμους ή ηλεκτρονικά στοιχεία τα οποία καθοδηγούνται από κεντρικές διατάξεις ελέγχου. Τα ηλεκτρονικά αυτά κέντρα αναπτύχθηκαν σε δύο χαρακτηριστικές φάσεις: στην πρώτη, κατά την οποία αναπτύχθηκαν τα κέντρα ελέγχου με ενσυρματωμένη λογική και στη δεύτερη και πιο σύγχρονη, κατά την οποία εξελίχθηκαν και επικράτησαν τα κέντρα ελέγχου με ενταμιευμένο πρόγραμμα.

Τα κέντρα με ενσυρματωμένη λογική χρησιμοποιούν λογικά κυκλώματα για την επεξεργασία των διαφόρων πληροφοριών και την καθοδήγηση των ζευκτικών πεδίων. Τα κέντρα αυτά, παρά την εξελιγμένη μορφή τους, παρουσιάζουν το ίδιο βασικό μειονέκτημα της τελευταίας γενιάς των ηλεκτρομηχανικών κέντρων, δηλαδή μία σχετική «ακαμψία» σε οποιαδήποτε τροποποίηση ή προσθήκη νέων υπηρεσιών, λόγω των απαιτούμενων υπερβολικών συρματώσεων. Για το λόγο αυτό έχουν εκτοπισθεί σήμερα από τα κέντρα με ενταμιευμένο πρόγραμμα.

Τα κέντρα με ενταμιευμένο πρόγραμμα χαρακτηρίζονται από την ολική συγκέντρωση του ελέγχου των λειτουργιών τους στο πρόγραμμα (Stored Program Control, SPC) το οποίο μαζί με τα δεδομένα του κέντρου (δομή ζευκτικών πεδίων, κατάσταση των γραμμών κλπ.) ενταμιεύεται στη μνήμη της κεντρικής διατάξεως. Έτσι επιτυγχάνεται απλοποίηση και τυποποίηση του κατασκευαστικού μέρους (hardware) του κέντρου. Επειδή οι μεταβλητές του ελέγχου έχουν συγκεντρωθεί στα προγράμματα (software) που μπορούν να τροποποιηθούν εύκολα, το κατασκευαστικό μέρος του κέντρου έχει γίνει σχεδόν ανεξάρτητο εφαρμογής. Στο σχήμα 3.5 δίνεται ένα χονδρικό διάγραμμα ηλεκτρονικού κέντρου με ενταμιευμένο πρόγραμμα. Παρατηρούμε ότι αποτελείται από τις παρακάτω μονάδες:

· Tην κεντρική μονάδα ελέγχου (Central Control Unit – CCU)

· Tην μονάδα προσαρμογής (Interface Unit)

· Tα ζευκτικά πεδία με τα περιφερειακά τους, δηλαδή τον σαρωτή γραμμών (Line Scanner), τον σημαδευτή (Marker) και τον διανεμητή σημάτων.

Σχήμα 3.5: Χονδρικό διάγραμμα ηλεκτρονικού κέντρου με ενταμιευμένο πρόγραμμα.

Η κεντρική μονάδα ελέγχου μπορεί να είναι ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής ο οποίος έχει δύο κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU) ή δύο ανεξάρτητοι υπολογιστές που μπορούν να λειτουργούν παράλληλα και ταυτόχρονα στο ίδιο φορτίο ή σε διαφορετικά φορτία. Η παράλληλη και σύγχρονη λειτουργία είναι γνωστή ως μικροσυγχρονισμός (microsynchronisation) και χαρακτηρίζεται από το ότι δύο υπολογιστές ή δύο μονάδες CPU ενεργούν παράλληλα και ταυτόχρονα πάνω στα ίδια δεδομένα ή εντολές και συγκρίνουν τα αποτελέσματα συνεχώς. Κατά τη μέθοδο καταμερισμού του φορτίου (load sharing), οι δύο μονάδες CPU λειτουργούν ανεξάρτητα η μία από την άλλη και λαμβάνουν το μερίδιό τους από το φορτίο που προσφέρεται στο κέντρο. Όταν γίνεται μία τηλεφωνική κλήση, το κάθε CPU αποθηκεύει τα στοιχεία της κλήσεως και στη μνήμη του άλλου CPU, ώστε σε περίπτωση βλάβης του ενός CPU, το άλλο CPU είναι σε θέση να αποπερατώσει τη σύνδεση και να αναλάβει όλο το φορτίο του κέντρου. Ο μικροσυγχρονισμός ήταν η τεχνική που πρωτοχρησιμοποιήθηκε στα ηλεκτρονικά τηλεφωνικά κέντρα, αλλά λόγω της χαμηλής αποδοτικότητας κατά μονάδα υπολογιστή, έχασε γρήγορα έδαφος προς όφελος της μεθόδου καταμερισμού του φορτίου. Σε μία τρίτη μέθοδο λειτουργίας της κεντρικής μονάδας ηλεκτρονικών κέντρων χρησιμοποιούνται Ν μονάδες CPU και σε περίπτωση βλάβης σε μια από αυτές, οποιαδήποτε ελεύθερη από τις υπόλοιπες Ν-1 μονάδες CPU μπορεί να αναλάβει το φορτίο της χαλασμένης μονάδας. Τέλος, σε κέντρα πολύ μεγάλης χωρητικότητας χρησιμοποιούνται ή ειδικοί υπολογιστές μεγάλης υπολογιστικής ισχύος ή υπολογιστές με δυνατότητες πολυεπεξεργασίας (multiprocessing), όπου ο μικροσυγχρονισμός και η μέθοδος καταμερισμού του φορτίου μπορούν να εφαρμοσθούν στο ίδιο κέντρο.

2. Κέντρα με πολύπλεξη χρόνου

Στα ηλεκτρονικά κέντρα με ενταμιευμένο πρόγραμμα, η σύνδεση των γραμμών ομιλίας μπορεί να πραγματοποιηθεί εκτός από τη μέθοδο πολυπλέξεως χώρου και με τη μέθοδο πολυπλέξεως χρόνου. Η τελευταία δίνει τη δυνατότητα κατασκευής ενιαίων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων διασυνδέσεως των γραμμών και μεταδόσεως των σημάτων. Σε ένα τέτοιο κέντρο η μεταγωγή μπορεί να γίνει κατ’ ευθείαν με ψηφιακά σήματα παλμοκωδικής διαμορφώσεως (Pulse Code Modulation – PCM) χωρίς να χρειάζεται τα σήματα αυτά να μετατραπούν προηγουμένως σε αναλογικά. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία στην περίπτωση διαβατικής κινήσεως και επιπλέον απλουστεύεται σημαντικά η ζευκτική διάταξη του κέντρου. Η μέθοδος πολυπλέξεως χρόνου επιτρέπει τη διαβίβαση πολλών συνδιαλέξεων διαμέσου μιας γραμμής. Η διαβίβαση βέβαια όλων των σημάτων δεν είναι συνεχής, αλλά από κάθε σήμα λαμβάνονται δείγματα σε τακτικά χρονικά διαστήματα Δt που αντιστοιχούν στο στιγμιαίο πλάτος του σήματος. Η μέγιστη διάρκεια Δt που χρειάζεται για να μεταδοθεί μία μέγιστη συχνότητα του σήματος f_max δίνεται από το θεώρημα δειγματοληψίας ως (Δt)_max=1/(2f_max). Συνεπώς πρέπει να λαμβάνονται δύο τουλάχιστον δείγματα σε κάθε περίοδο της f_max. Έτσι για τη μετάδοση της μέγιστης συχνότητας ομιλίας των 3400 Ηz βρίσκουμε ότι (Δt)_max=147 μsec. Aν η διάρκεια του κάθε παλμού δειγματοληψίας είναι 0,5 μsec και η απόστασή του από τον επόμενο είναι επίσης 0,5 μsec για να αποφευχθεί η διαφωνία (crosstalk), τότε βλέπουμε ότι θεωρητικά μπορούν να μεταδοθούν ταυτόχρονα από μία γραμμή 147 συνδιαλέξεις. Στην πράξη συνήθως καθορίζεται (Δt)_max=100 μsec και έτσι μπορούν να μεταδοθούν 100 συνδιαλέξεις ταυτόχρονα. Αν υποθέσουμε ότι σε ένα πλήθος συνδρομητών το 10% ομιλούν, τότε με τη μέθοδο πολυπλέξεως χρόνου μπορούν να εξυπηρετηθούν 1000 συνδρομητές διαμέσου μιας γραμμής.

Η αρχή λειτουργίας ενός ηλεκτρονικού κέντρου με πολύπλεξη χρόνου φαίνεται στο σχήμα 3.6.

Σχήμα 3.6: Αρχή λειτουργίας κέντρου με πολύπλεξη χρόνου.

Οι συνδρομητές συνδέονται μέσω βαθυπερατών φίλτρων (Low Pass Filters - LPF) και ηλεκτρονικών διακοπτών στον αγωγό ομιλίας που είναι κοινός για όλους. Για την πραγματοποίηση μιας συνδιαλέξεως μεταξύ δύο συνδρομητών χρειάζεται να κλείνουν συγχρόνως οι διακόπτες τους για 0,5 μsec κάθε 100 μsec με εντολές της διατάξεως καθοδηγήσεως. Οι αριθμοί των συνδρομητών κέντρου είναι γραμμένοι σε δύο ειδικούς ταμιευτές, στον ένα οι αριθμοί κλήσεως των καλούντων συνδρομητών και στον άλλον, οι αριθμοί κλήσεως των καλουμένων συνδρομητών. Στο σχήμα 3.6 οι δύο αυτοί ταμιευτές παριστάνονται με τύμπανα (drums) τα οποία στην πραγματικότητα είναι ηλεκτρονικές διατάξεις. Όταν ένας συνδρομητής σηκώσει το μικροτηλέφωνό του για να καλέσει έναν αριθμό, αναγνωρίζεται και ο αριθμός κλήσεώς του εγγράφεται σε μία θέση του επάνω ταμιευτή. Με την εγγραφή αυτή δίνεται στον καλούντα μία χρονική στιγμή ή φάση δειγματοληψίας. Με τη δειγματοληψία που ακολουθεί λαμβάνεται ο αριθμός κλήσεως του καλουμένου συνδρομητή, αποθηκεύεται σε έναν ταμιευτή και ελέγχεται εάν ο καλούμενος συνδρομητής είναι ελεύθερος. Στην περίπτωση αυτή εγγράφεται ο αριθμός του στην αντίστοιχη θέση του κάτω ταμιευτή, σχετικά με τη θέση που εγγράφηκε ο αριθμός του καλούντος συνδρομητή στον επάνω ταμιευτή. Όταν η διάταξη αναγνώσεως συναντά κατά τη σάρωση τους αριθμούς κλήσεως των δύο συνδρομητών που είναι στους ταμιευτές, κλείνουν οι ηλεκτρονικοί διακόπτες τους για 0,5 μsec και μεταβιβάζεται ένας παλμός δειγματοληψίας από τη μία γραμμή στην άλλη μέσω του αγωγού ομιλίας. Ο επόμενος παλμός δειγματοληψίας μεταβιβάζεται μετά από 100 μsec. Από τους παλμούς αυτούς μπορεί να αναδημιουργηθεί το αρχικό αναλογικό σήμα με μικρή παραμόρφωση. Τα βαθυπερατά φίλτρα έχουν ως στόχο, αφ’ ενός για να περιορισθεί η μεγίστη συχνότητα του σήματος ομιλίας του καλούντος συνδρομητή στην f_max όπως απαιτείται από το θεώρημα δειγματοληψίας και αφ’ ετέρου για να μπορεί να γίνεται ανασύνθεση του αναλογικού σήματος από τους παλμούς πριν φθάσουν στη συσκευή του καλουμένου συνδρομητή.

3.5 Συνδρομητική βαθμίδα Εricsson AXE-10

Ένα σύγχρονο ψηφιακό κέντρο που χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στην τηλεφωνία είναι το AXE-10 του οίκου Ericsson. Στην παράγραφο αυτή θα εξετάσουμε σε συντομία τις βασικές λειτουργίες του. Στο σχήμα 3.7 παριστάνεται η βασική συνδεσμολογία των συνδρομητών στο κέντρο ΑΧΕ-10. Στην ψηφιακή συνδρομητική βαθμίδα SSS-D (Subscriber Switch Subsystem – Digital) πραγματοποιούνται οι διάφορες τηλεφωνικές λειτουργίες που απαιτούνται για να πραγματοποιηθεί μία συνδιάλεξη μεταξύ των συνδρομητών. Οι λειτουργίες αυτές είναι:

· Μετατροπή του αναλογικού σήματος των συνδρομητικών γραμμών σε ψηφιακό και αντίστροφα.

· Διασύνδεση (switching) για τη σύνδεση ενός συνδρομητή με ένα κανάλι προς το επιλογικό πεδίο (Group Switch - GS).

· Σήματα γραμμής συνδρομητή.

· Συγκέντρωση – Διασπορά (Concentration – Expansion) της κίνησης.

Σχήμα 3.7: Βασική συνδεσμολογία συνδρομητών ΑΧΕ-10.

Κάνοντας μία σύντομη περιγραφή των τηλεφωνικών αυτών λειτουργιών σημειώνουμε τα εξής:

1. Tα σήματα ομιλίας των συνδρομητών είναι αναλογικά και πρέπει να μετατραπούν σε ψηφιακά για να αναγνωριστούν από τη συνδρομητική βαθμίδα που είναι ψηφιακή.

2. Για να πραγματοποιηθεί μία κλήση πρέπει να αποκατασταθεί μία σύνδεση μεταξύ της συνδρομητικής βαθμίδας (SSS-D) και του επιλογικού πεδίου (GS). Aυτή η λειτουργία ονομάζεται διασύνδεση (switching, σχήμα 3.8) και τα κυριότερα χαρακτηριστικά της είναι:

· Κάθε συνδρομητής συνδεδεμένος στη συνδρομητική βαθμίδα έχει το ατομικό του συνδρομητικό κανάλι στο Internal PCM σύστημα, στο οποίο έχει πρόσβαση για να δώσει ή να πάρει δείγματα φωνής.

· Κατά τη φάση της αποκατάστασης της κλήσεως (switching), δείγματα φωνής από το συνδρομητικό κανάλι του Internal PCM συστήματος μεταφέρονται σε ένα κανάλι του External PCM συστήματος που συνδέει τη συνδρομητική βαθμίδα (SSS-D) με το επιλογικό πεδίο (GS).

· H διασύνδεση (switching) γίνεται στο Extension Module Time Switch (EMTS, σχήμα 3.8).

Σχήμα 3.8: Διασύνδεση (switching).

3. Tα σήματα γραμμής είναι:

· Σήκωμα και κατέβασμα του ακουστικού (off hook και on hook αντίστοιχα).

· Λήψη ψηφίων από τηλεφωνικές συσκευές που δουλεύουν με παλμούς.

· Λήψη ψηφίων από τηλεφωνικές συσκευές που δουλεύουν με τόνους (συχνότητες)

· Αποστολή των διαφόρων τόνων, π.χ. σήμα κέντρου, σήμα ελευθέρου, ρεύμα κλήσεων κλπ.

4. Η συνδρομητική βαθμίδα παρέχει την τροφοδοσία της συσκευής του συνδρομητή (για ομιλία και σήματα).

5. Η συνδρομητική βαθμίδα για να είναι πιο εύκολη η λειτουργία της και να είναι πιο ευέλικτη, αποτελείται από τα Extention Module Groups (EMGs). Kάθε EMG συνδέεται με το GS με συστήματα PCM (σχήμα 3.9). Ο αριθμός των συνδρομητών που συνδέονται σε ένα EMG είναι 2048 κατά μέγιστον και όπως προκύπτει από το σχήμα, είναι πολύ μεγαλύτερος από τον αριθμό των καναλιών ομιλίας των συστημάτων PCM που συνδέουν το ΕΜG με το GS. Έτσι, επιτυγχάνεται συγκέντρωση (Concentration) κατά την κατεύθυνση συνδρομητική βαθμίδα προς επιλογικό πεδίο και διασπορά (Expansion) κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Ο αριθμός των PCM συστημάτων που ένα EMG συνδέεται με το GS είναι 16 κατά μέγιστον.

Σχήμα 3.9: Συγκέντρωση - Διασπορά (Concentration - Expansion) στη συνδρομητική βαθμίδα.

3.6 Ιδιωτικά τηλεφωνικά κέντρα

Τα ιδιωτικά τηλεφωνικά κέντρα (Private Branch Exchanges – PBX) είναι μικρά κέντρα που τοποθετούνται συνήθως σε ειδικούς χώρους (π.χ. εργοστάσια, ξενοδοχεία, εταιρείες, νοσοκομεία κλπ.) όπου πολλά άτομα είναι απαραίτητο να επικοινωνούν μεταξύ τους συχνά. Η σύνδεση των ιδιωτικών τηλεφωνικών κέντρων με το υπόλοιπο δίκτυο γίνεται με έναν μικρό αριθμό γραμμών. Οι υπηρεσίες που παρέχουν τα ιδιωτικά τηλεφωνικά κέντρα είναι πάντοτε πολύ περισσότερες από αυτές των αστικών κέντρων. Τα τηλεφωνικά κέντρα PBX έχουν δύο βασικές λειτουργίες:

· Tη συνδιάλεξη μεταξύ των ατόμων του χώρου στον οποίον είναι εγκατεστημένα (ενδοεπικοινωνία).

· Τη συνδιάλεξη των ατόμων του χώρου όπου είναι εγκατεστημένα με το τηλεφωνικό δίκτυο.

Τα τηλεφωνικά κέντρα PBX χωρίζονται στις παρακάτω κατηγορίες:

1. Εγκαταστάσεις σειράς όπου οι τερματικές συσκευές μοιράζονται μία κοινή γραμμή με συνέπεια τη συνακρόαση.

2. Χειροκίνητα ιδιωτικά κέντρα όπου όλη η τηλεπικοινωνιακή σύνδεση πραγματοποιείται με τη βοήθεια τηλεφωνητή.

3. Ημιαυτόματα ιδιωτικά κέντρα όπου η εισερχόμενη και εξερχόμενη κίνηση διεκπεραιώνεται και πάλι από τηλεφωνητή, αλλά οι εσωτερικές συνδέσεις πραγματοποιούνται από τους ίδιους τους χρήστες.

4. Αυτόματα ιδιωτικά κέντρα όπου η εισερχόμενη κίνηση εξυπηρετείται από τηλεφωνητή και η υπόλοιπη τηλεπικοινωνιακή σύνδεση αυτόματα από τους συνδρομητές.

5. Διεπιλογικά ιδιωτικά κέντρα όπου όλη η τηλεπικοινωνιακή κίνηση διεκπεραιώνεται αυτόματα από τους συνδρομητές του κέντρου.

Από τις παραπάνω κατηγορίες μόνο οι δύο τελευταίες παρουσιάζουν πρακτικό ενδιαφέρον. Τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκαν και τα ψηφιακά ιδιωτικά τηλεφωνικά κέντρα που επιτρέπουν ταυτόχρονη μετάδοση φωνής και δεδομένων.

3.7 Αστικό τηλεφωνικό δίκτυο

3.7.1 Κύρια κέντρα και υπόκεντρα

Η επιλογή της τοποθετήσεως του τηλεφωνικού κέντρου στο σημείο όπου βρίσκονται οι περισσότεροι συνδρομητές έχει σαν αποτέλεσμα να συνδέονται οι περισσότεροι συνδρομητές στο κέντρο με κοντές γραμμές και οι υπόλοιποι που είναι απομακρυσμένοι από το κέντρο με μακρύτερες γραμμές. Ένα τέτοιο τηλεφωνικό κέντρο περιλαμβάνει όλες τις επιλογικές βαθμίδες που χρειάζονται για τη σύνδεση δύο συνδρομητών της αστικής περιοχής και λέγεται κύριο κέντρο (primary center) ή Κ.Κ. Όταν η αστική περιοχή καλύπτει μεγάλη έκταση, δεν συμφέρει από οικονομικής απόψεως να υπάρχει ένα μόνο κύριο κέντρο, γιατί το κόστος των συνδρομητικών γραμμών ανεβαίνει υπερβολικά. Στην περίπτωση αυτή δημιουργούνται δύο ή περισσότερα κύρια κέντρα τα οποία συνδέονται πολυγωνικά μεταξύ τους με δέσμες γραμμών που λέγονται ζευκτικές γραμμές (trunks) όπως φαίνεται στο σχήμα 3.10.

Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις όπου σε μία αστική περιοχή που εξυπηρετείται από ένα ή περισσότερα κύρια κέντρα, υπάρχουν οικισμοί με πολλούς συνδρομητές, όχι όμως αρκετούς για να δικαιολογήσουν τη δημιουργία άλλου κέντρου. Επειδή δεν θα ήταν οικονομικό να συνδεθούν οι συνδρομητές αυτοί κατ’ ευθείαν με συνδρομητικές γραμμές σε ένα από τα υπάρχοντα κύρια κέντρα λόγω της μεγάλης αποστάσεως, στις περιπτώσεις αυτές δημιουργούνται σε κατάλληλα σημεία των οικισμών μικρά τηλεφωνικά κέντρα που λέγονται υπόκεντρα. Τα υπόκεντρα εξαρτώνται από τα κύρια κέντρα και σ’ αυτά συνδέονται ακτινωτά οι συνδρομητές του οικισμού, ενώ η σύνδεση των υπόκεντρων με τα κύρια κέντρα γίνεται με δέσμη ζευκτικών γραμμών (σχήμα 3.11). Ο αριθμός των ζευκτικών γραμμών είναι βέβαια πολύ μικρότερος από τον συνολικό αριθμό των συνδρομητικών γραμμών του κάθε υπόκεντρου, γιατί οι συνδρομητές δεν πραγματοποιούν κλήσεις συγχρόνως. Συνεπώς, με τα υπόκεντρα επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του κόστους του συνδρομητικού δικτύου.

Σχήμα 3.10: Πολυγωνική σύνδεση κυρίων κέντρων (Κ.Κ.)

Σχήμα 3.11: Σύνδεση υπόκεντρων (Υ.Κ.) σε κύριο κέντρο (Κ.Κ.).

3.7.2 Αστικά κομβικά κέντρα

Κάθε κύριο κέντρο στο αστικό δίκτυο διακρίνεται από τα υπόλοιπα με ένα χαρακτηριστικό ψηφίο από 2 έως 9, γιατί το 0 και 1 χρησιμοποιούνται για άλλες υπηρεσίες. Έτσι μόνο οκτώ κύρια κέντρα μπορούν να συνδεθούν σε μία αστική περιοχή. Αν όμως η αστική περιοχή είναι μεγάλη, η λύση με οκτώ Κ.Κ. δεν είναι οικονομική και γι’ αυτό δημιουργείται ένα ακόμα τηλεφωνικό κέντρο υψηλοτέρου βαθμού ιεραρχίας το αστικό κομβικό κέντρο (Α.Κο.Κ.).

Μία αστική περιοχή χωρίζεται σε τομείς και σε κάθε τομέα τοποθετείται ένα Α.Κο.Κ με μονοψήφιο αριθμό κλήσεως από 2 έως 9. Στο κάθε Α.Κο.Κ μπορούν τώρα να συνδεθούν μέχρι 10 κύρια κέντρα που διακρίνονται μεταξύ τους με έναν ακόμα μονοψήφιο αριθμό. Για παράδειγμα το Α.Κο.Κ μιας περιοχής με χαρακτηριστικό αριθμό 3 μπορεί να συνδεθεί με κύρια κέντρα που έχουν χαρακτηριστικούς αριθμούς 31, 32, 33 κλπ. Τα κύρια κέντρα μπορούν να συνδέονται με υπόκεντρα με χαρακτηριστικούς αριθμούς 341, 342 κλπ. Ο χαρακτηριστικός αριθμός κάθε κύριου κέντρου ενσωματώνεται στον αριθμό κλήσεως των συνδρομητών και επιλέγεται κάθε φορά, ανεξάρτητα από το εάν ο καλούμενος συνδρομητής βρίσκεται στον ίδιο ή σε διαφορετικό τομέα.

3.8 Υπεραστικά κέντρα και δίκτυα

3.8.1 Γενικά

Η πραγματοποίηση συνδέσεων μεταξύ συνδρομητών που ανήκουν σε αστικά κέντρα διαφορετικών πόλεων αποτελεί το αντικείμενο της υπεραστικής τηλεφωνίας. Οι υπεραστικές συνδιαλέξεις που γίνονται στο ίδιο κράτος αναφέρονται ως εθνική υπεραστική τηλεφωνία, ενώ αυτές που πραγματοποιούνται μεταξύ διαφορετικών κρατών αποτελούν τη διεθνή υπεραστική τηλεφωνία.

Για να πραγματοποιηθεί μία υπεραστική σύνδεση απαιτείται ένα ειδικό δίκτυο που συνδέει τα διάφορα αστικά δίκτυα, το υπεραστικό τηλεφωνικό δίκτυο. Το δίκτυο αυτό αποτελείται από ενσύρματες γραμμές καθώς και από ασυρματικές ζεύξεις.

Για τη σύνδεση των αστικών και υπεραστικών δικτύων χρειάζονται ειδικά ζευκτικά όργανα και συσκευές που τοποθετούνται σε ανεξάρτητα κέντρα, τα υπεραστικά κέντρα. Παλαιότερα, στα υπεραστικά κέντρα οι συνδέσεις γίνονταν από τηλεφωνήτριες και τα κέντρα ονομάζονταν χειροκίνητα υπεραστικά κέντρα. Αυτά όμως αντικαταστάθηκαν από τα αυτόματα υπεραστικά κέντρα, όπου οι συνδέσεις πραγματοποιούνται αυτόματα. Αυτή η αυτοματοποίηση, όχι μόνο μειώνει το χρόνο της αποκαταστάσεως μιας συνδέσεως αλλά συγχρόνως χαμηλώνει το κόστος της συνδιαλέξεως επειδή χρησιμοποιείται λιγότερο προσωπικό.

Τα βασικά προβλήματα που αντιμετωπίζει η υπεραστική τηλεφωνία στη μετάδοση των τηλεφωνικών σημάτων είναι η απόσβεση στις τηλεπικοινωνιακές γραμμές και το κόστος των συνδιαλέξεων. Για να διατηρηθεί η απόσβεση σε χαμηλά επίπεδα χρησιμοποιούνται ενισχυτές, οι οποίοι τοποθετούνται κατά διαστήματα στις υπεραστικές γραμμές, ενώ για να μειωθεί το κόστος των συνδιαλέξεων επιδιώκεται πολλαπλή εκμετάλλευση των γραμμών με τη χρήση φερεσύχνων.

3.8.2 Σύνδεση υπεραστικών κέντρων

Tα υπεραστικά κέντρα συνδέονται μεταξύ τους με υπεραστικές γραμμές πολυγωνικά ή ακτινωτά (σχήμα 3.12). Η πολυγωνική σύνδεση πλεονεκτεί στο ότι δύο οποιαδήποτε κέντρα συνδέονται με τη μικρότερη δυνατή απόσταση και έτσι μία τηλεφωνική σύνδεση μπορεί να γίνει γρήγορα, μειονεκτεί όμως στο ότι για n κέντρα στο υπεραστικό δίκτυο χρειάζονται n(n-1)/2 δέσμες γραμμών. Η ακτινωτή σύνδεση πλεονεκτεί στο ότι χρειάζονται λιγότερες υπεραστικές γραμμές, μειονεκτεί όμως στο ότι λόγω της μακράς αποστάσεως που μπορεί να απαιτήσει μία σύνδεση, καταλαμβάνονται πολλές ζευκτικές διατάξεις και φερέσυχνα.

Σχήμα 3.12: (α) Πολυγωνική σύνδεση και (β) ακτινωτή σύνδεση υπεραστικών κέντρων.

Στην πράξη, συνήθως γίνεται συνδυασμός των παραπάνω μεθόδων συνδέσεως. Έτσι, τα υπεραστικά κέντρα συνδέονται ακτινωτά στις χαμηλές βαθμίδες του δικτύου και πολυγωνικά ή μερικώς πολυγωνικά στις υψηλότερες βαθμίδες.

Στο υπεραστικό δίκτυο της Ελλάδας διακρίνουμε τέσσερις βαθμίδες υπεραστικών κέντρων:

α) Το τερματικό κέντρο (terminal exchange) που είναι το αστικό κέντρο στο οποίο είναι συνδεδεμένοι οι συνδρομητές και αποτελεί την ακραία βαθμίδα κέντρων.

β) Το κομβικό κέντρο (node centre) στο οποίο συνδέονται με ζευκτικές γραμμές πολλά τερματικά κέντρα. Σε κάθε κομβικό κέντρο συνδέονται επίσης το τερματικό κέντρο και το υπεραστικό κέντρο της πόλεως στην οποία είναι εγκατεστημένο το κομβικό κέντρο.

γ) Το κύριο κέντρο (main centre) στο οποίο είναι συνδεδεμένα ακτινωτά όλα τα κομβικά κέντρα της περιοχής. Σε κάθε κύριο κέντρο συνδέονται επίσης το τερματικό κέντρο και το υπεραστικό κέντρο της πόλεως ή περιοχής στην οποία βρίσκεται το κύριο κέντρο.

δ) Το πρωτεύον κέντρο (primary center) που αποτελεί την ανωτάτη βαθμίδα και εξυπηρετεί τα κύρια κέντρα μιας μεγάλης πόλεως ή μεγάλης περιοχής. Σε κάθε πρωτεύον κέντρο συνδέονται επίσης το τερματικό κέντρο και το υπεραστικό κέντρο της περιοχής.

Τα πρωτεύοντα κέντρα και τα κύρια κέντρα συνδέονται μεταξύ τους πολυγωνικά.

3.8.3 Αριθμοδότηση

Κάθε υπεραστικό κέντρο (και η περιοχή στην οποία ανήκει) λαμβάνει ένα χαρακτηριστικό αριθμό κλήσεως που επιλέγεται από τον καλούντα συνδρομητή πριν από τον αριθμό κλήσεως του καλουμένου. Ο αριθμός κλήσεως ενός συνδρομητή και ο χαρακτηριστικός αριθμός του υπεραστικού κέντρου στο οποίο ανήκει, αποτελούν τον εθνικό συνδρομητικό αριθμό του. Οι χαρακτηριστικοί αριθμοί δίνονται στα υπεραστικά κέντρα τυχαία ή συστηματικά. Στην πρώτη περίπτωση, ο αριθμός και η θέση του κέντρου στο δίκτυο δεν έχουν καμμία σχέση και ο χαρακτηριστικός αριθμός πρέπει να ληφθεί ολόκληρος στο υπεραστικό κέντρο του καλούντος συνδρομητή, να μεταφραστεί η διαδρομή που θα ακολουθήσει και μετά να αρχίσει η σύνδεση. Στη δεύτερη περίπτωση, το πρώτο ψηφίο του χαρακτηριστικού αριθμού προσδιορίζει την περιοχή του υπεραστικού κέντρου της υψηλότερης βαθμίδας, το δεύτερο ψηφίο ένα τμήμα της περιοχής αυτής, το τρίτο ψηφίο ένα μικρότερο τμήμα της ίδιας περιοχής κ.ο.κ.

Ένα παράδειγμα της μεθόδου συστηματικής αριθμοδοτήσεως είναι το υπεραστικό δίκτυο της Ελλάδας. Η χώρα διαιρείται σε οκτώ μεγάλες περιοχές με πρωτεύοντα κέντρα τα οποία έχουν τα παρακάτω πρώτα ψηφία του χαρακτηριστικού αριθμού μετά από το υπεραστικό 2:

Περιοχή Αθηνών – Πειραιώς 1

Υπόλοιπη περιοχή Αθηνών 2

Θεσσαλονίκη 3

Λάρισα 4

Καβάλα 5

Πάτρα 6

Τρίπολη 7

Ηράκλειο 8

Το δεύτερο ψηφίο του χαρακτηριστικού αριθμού προσδιορίζει ένα κύριο κέντρο του πρωτεύοντος κέντρου, ενώ το τρίτο ψηφίο προσδιορίζει ένα κομβικό κέντρο του κυρίου κέντρου. Το χαρακτηριστικό ψηφίο ενός τερματικού κέντρου βρίσκεται στην αρχή του αριθμού κλήσεως των συνδρομητών που ανήκουν στο κέντρο αυτό. Για να καλέσουμε ένα αστικό κέντρο της χώρας, πρέπει να επιλέξουμε το 2 και τον τριψήφιο χαρακτηριστικό αριθμό του κομβικού κέντρου (ακολουθούμενου από το 0) στο οποίο ανήκει το αστικό κέντρο (π.χ. για την Έδεσσα, θα πρέπει να καλέσουμε το 23810). Εξαίρεση αποτελούν τα μεγάλα αστικά κέντρα των πόλεων όπου βρίσκονται τα πρωτεύοντα κέντρα. Τα αστικά κέντρα των Αθηνών π.χ. έχουν πρόθεμα 210, της Θεσσαλονίκης 2310, της Καβάλας 2510 κ.ο.κ.

3.8.4 Διεθνής Τηλεφωνία

Για να μπορεί να πραγματοποιηθεί μία αυτόματη διεθνής συνδιάλεξη, τα αυτόματα εθνικά υπεραστικά δίκτυα συνδέονται μεταξύ τους με γραμμές και συσκευές που σχηματίζουν ένα ενιαίο διεθνές τηλεφωνικό δίκτυο. Κάθε χώρα έχει ένα αυτόματο διεθνές υπεραστικό κέντρο διαμέσου του οποίου διεκπεραιώνονται οι εισερχόμενες και εξερχόμενες διεθνείς συνδιαλέξεις της χώρας. Το κέντρο αυτό συνδέεται απ’ ευθείας με τα αντίστοιχα κέντρα των άλλων χωρών με τις οποίες έχει αυτόματη τηλεφωνική επικοινωνία.

Οι διεθνείς κλήσεις διακρίνονται από τις αστικές και τις εθνικές υπεραστικές κλήσεις με την επιλογή των ψηφίων 00. Με το πρώτο 0 η κλήση κατευθύνεται στο αστικό κέντρο όπου συνδέονται οι υπεραστικές γραμμές και συσκευές του κυρίου ή του πρωτεύοντος κέντρου της περιοχής του καλούντος συνδρομητή. Με το δεύτερο 0 που μεταφράζεται από ειδικές συσκευές του υπεραστικού κέντρου ότι η κλήση είναι διεθνής, η σύνδεση οδηγείται στο διεθνές υπεραστικό κέντρο. Για τη δρομολόγηση της συνδέσεως στο διεθνές δίκτυο και τη χρέωση της συνδιαλέξεως υπάρχουν στο διεθνές κέντρο κατευθυντικοί επιλογείς, ταμιευτές, μεταφραστές κλπ. Για κάθε χώρα υπάρχει ένας χαρακτηριστικός αριθμός. Π.χ. για ΗΠΑ-Καναδά είναι 001, για τη Βρετανία 0044, για τη Γερμανία 0049, για τη Γαλλία 0033 κλπ. Μετά από τον αριθμό αυτόν επιλέγεται ο εθνικός συνδρομητικός αριθμός του καλούμενου συνδρομητή. Οι αριθμοί αυτοί μεταβιβάζονται στο διεθνές κέντρο απ’ όπου καθοδηγείται η σύνδεση μέχρι τον καλούμενο συνδρομητή διαμέσου του εθνικού υπεραστικού δικτύου της ξένης χώρας.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4^Ο:

ΔΙΑΚΙΝΗΣΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΩΝ ΚΛΗΣΕΩΝ

4.1 Θεωρία της τηλεπικοινωνιακής κίνησης

Εκτός από τις τερματικές συσκευές και τους συνδρομητικούς βρόχους, όλες οι υπόλοιπες διατάξεις του τηλεπικοινωνιακού δικτύου χρησιμοποιούνται από κοινού από τους συνδρομητές για να μειωθεί το κόστος των παρεχόμενων υπηρεσιών. Αν κάθε συνδρομητής έπρεπε να διαθέτει τον δικό του τηλεπικοινωνιακό εξοπλισμό για να επικοινωνεί με άλλους συνδρομητές, η χρήση των δυνατοτήτων των τηλεπικοινωνιών θα ήταν αντιοικονομική από το μεγαλύτερο ποσοστό του πληθυσμού. Η κοινή χρήση των διατάξεων του τηλεπικοινωνιακού δικτύου δεν είναι τυχαία αλλά απορρέει από το γεγονός ότι ποτέ οι συνδρομητές δεν ζητούν εξυπηρέτηση από το δίκτυο όλοι ταυτόχρονα. Δεχόμαστε δηλαδή ότι ο τρόπος άφιξης των κλήσεων στο τηλεπικοινωνιακό κέντρο και η χρονική διάρκεια της κάθε κλήσης είναι μία τυχαία διαδικασία.

Επομένως, για τη σωστή λειτουργία του τηλεφωνικού δικτύου είναι απαραίτητη η γνώση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, δηλαδή του αριθμού των κλήσεων που καλείται να διεκπεραιώσει το δίκτυο κατά τη διάρκεια της ημέρας και πιο συγκεκριμένα κατά την ώρα αιχμής, όπου και παρατηρείται η μεγαλύτερη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Συνεπώς, για την καλή εξυπηρέτηση των συνδρομητών καθώς και για τον οικονομικό σχεδιασμό του δικτύου, θα πρέπει να μελετηθεί η τηλεπικοινωνιακή κίνηση και να προσδιοριστούν τα βασικά χαρακτηριστικά και οι παράγοντες που την καθορίζουν. Για το σκοπό αυτόν η τηλεπικοινωνιακή κίνηση πρέπει να καταγράφεται σε καθημερινή βάση. Με τη βοήθεια των μετρήσεων αυτών είναι δυνατή η πρόβλεψη της τηλεπικοινωνιακής κίνησης που καλείται να εξυπηρετήσει το τηλεπικοινωνιακό σύστημα.

Η λήψη, επεξεργασία και αξιοποίηση των μετρήσεων της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, αποτελούν για κάθε τηλεπικοινωνιακό οργανισμό, χρήσιμο εργαλείο που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων που αφορούν τον προσδιορισμό της δομής των κέντρων, την παρακολούθηση της παρεχόμενης ποιότητας επικοινωνίας κλπ. Λαμβάνοντας υπόψην τις μετρήσεις της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, το τηλεπικοινωνιακό σύστημα σχεδιάζεται έτσι ώστε να μπορεί να αντιμετωπίσει την κίνηση κατά την ώρα αιχμής, δηλαδή την ώρα που παρατηρείται η μεγαλύτερη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Εφ’ όσον το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο σχεδιάζεται με αυτόν τον τρόπο, αυτό σημαίνει ότι τις περισσότερες από τις υπόλοιπες ώρες το σύστημα υπολειτουργεί. Με βάση τα παραπάνω, καταλαβαίνουμε τον λόγο για τον οποίον οι τηλεπικοινωνιακοί οργανισμοί προσφέρουν φθηνές τιμές κλήσεων κάποιες συγκεκριμένες ώρες της ημέρας.

4.2 Τεχνικές της θεωρίας της τηλεπικοινωνιακής κίνησης

Αυτό που συμβαίνει συχνά σε ένα τηλεπικοινωνιακό δίκτυο είναι, όλες οι γραμμές που καλούνται να εξυπηρετήσουν την τηλεπικοινωνιακή κίνηση να είναι κατειλημμένες και επομένως το σύστημα να μη μπορεί να δεχθεί άλλες κλήσεις. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται συμφόρηση. Στην κατάσταση συμφόρησης, πολύ συχνά χάνονται κλήσεις και γι’ αυτό η πραγματική κίνηση (κλήσεις που πραγματοποιούνται) είναι μικρότερη από την προσφερόμενη κίνηση (συνολικός αριθμός κλήσεων που παρέχεται στο δίκτυο) κατά το ποσό της κίνησης που χάνεται, δηλαδή τις απώλειες. Επομένως ισχύει:

Διεκπεραιούμενη κίνηση = Προσφερόμενη κίνηση – Απώλειες

Στην κατάσταση της συμφόρησης μπορούμε να έχουμε τις εξής δύο περιπτώσεις:

1. Η εισερχόμενη κλήση μπλοκάρεται και εγκαταλείπει το σύστημα, οπότε το σύστημα καλείται σύστημα απωλειών. Στα συστήματα απωλειών (όπως π.χ. στα συμβατικά τηλεφωνικά κέντρα), κριτήριο αξιολόγησης της απόδοσης του συστήματος είναι η πιθανότητα απώλειας κλήσης ή πιθανότητα μπλοκαρίσματος. Η σχεδίαση του συστήματος στην περίπτωση αυτή γίνεται με τέτοιον τρόπο, έτσι ώστε ακόμα και στις ώρες που παρουσιάζεται η μέγιστη τηλεπικοινωνιακή κίνηση (ώρες αιχμής) μόνο ένα μικρό προκαθορισμένο ποσοστό των συνδέσεων να μην μπορεί να αποκατασταθεί.

2. Η κλήση μπορεί να περιμένει για να γίνει η σύνδεση οπότε το σύστημα ονομάζεται σύστημα αναμονής. Στα συστήματα αναμονής (π.χ. δίκτυα υπολογιστικών συστημάτων ή ψηφιακά τηλεφωνικά κέντρα), κριτήριο αξιολόγησης αποτελεί ο μέσος χρόνος αναμονής ή η πιθανότητα αναμονής. Σε αυτή την περίπτωση το τηλεπικοινωνιακό σύστημα κατασκευάζεται έτσι ώστε τις ώρες της μέγιστης τηλεπικοινωνιακής κίνησης, η αναμονή να είναι ανεκτή.

4.3 Βασικά μεγέθη τηλεπικοινωνιακής κίνησης

4.3.1 Βαθμός εξυπηρέτησης

Το ποσοστό των κλήσεων που χάνονται ή καθυστερούν να διεκπεραιωθούν λόγω συμφόρησης είναι ένας δείκτης της ποιότητας εξυπηρέτησης που παρέχεται από το τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Το ποσοστό των χαμένων κλήσεων ονομάζεται βαθμός εξυπηρέτησης, Β. Για τα συστήματα απωλειών, ο βαθμός εξυπηρέτησης Β, ορίζεται ως εξής:

B= (αριθμός κλήσεων που χάνονται) / (συνολικό αριθμό κλήσεων που προσφέρονται στο σύστημα),

ή

Β= (κίνηση που χάθηκε) / κίνηση που προσφέρθηκε

ή

Β= Πιθανότητα συμφόρησης

ή

Β= Πιθανότητα ότι μία κλήση θα χαθεί λόγω συμφόρησης

Ο βαθμός εξυπηρέτησης καθορίζεται για την κίνηση κατά την ώρα αιχμής. Φυσικά, κατά τις ώρες μη αιχμής οι κλήσεις εξυπηρετούνται με τρόπο καλύτερο από αυτόν που δείχνει ο βαθμός εξυπηρέτησης. Αν γνωρίζουμε τον βαθμό εξυπηρέτησης Β και το φορτίο τηλεπικοινωνιακής κίνησης α, τότε η κίνηση που θα χαθεί είναι α·Β και η κίνηση που θα διεκπεραιωθεί είναι α·(1-Β).

Η επιλογή ενός συγκεκριμένου βαθμού εξυπηρέτησης είναι θέμα που πρέπει να προσεχθεί ιδιαίτερα, για τους εξής λόγους:

α) Αν ο βαθμός εξυπηρέτησης τεθεί μεγάλος (π.χ. 25%), οι συνδρομητές θα παραπονούνται ότι έχουν πολλές ανεπιτυχείς κλήσεις.

β) Αντίθετα, αν τεθεί πολύ μικρός, τότε το τηλεπικοινωνιακό σύστημα υπολειτουργεί τις περισσότερες ώρες, που σημαίνει ότι έχουμε κάνει σπατάλη επενδύσεων και υπάρχει πλεονάζων εξοπλισμός.

Για τους παραπάνω λόγους είναι σκόπιμο ο βαθμός εξυπηρέτησης να μην είναι ενιαίος για ολόκληρο το τηλεπικοινωνιακό σύστημα αλλά να μεταβάλλεται, ανάλογα με τις απαιτήσεις του συγκεκριμένου τμήματος του συστήματος. Οι μαθηματικές σχέσεις της τηλεπικοινωνιακής κίνησης έχουν ως σκοπό τον υπολογισμό των γραμμών Ν που πρέπει να χρησιμοποιηθούν, δεδομένης της προσφερόμενης κινήσεως α και ενός επιθυμητού βαθμού εξυπηρέτησης Β.

4.3.2 Φορτίο κίνησης

Το φορτίο κίνησης α, ορίζεται ως η συνολική διάρκεια όλων των κλήσεων εντός ενός χρονικού διαστήματος που λαμβάνεται ως μονάδα. Από αυτόν τον ορισμό καταλαβαίνουμε ότι το φορτίο κίνησης είναι ένα μέγεθος χωρίς διαστάσεις. Παρ’ όλα αυτά το φορτίο κίνησης μετράται σε Erlang ή σε CCS ως εξής:

Φορτίο κίνησης α (σε Erlang) = (συνολική διάρκεια όλων των κλήσεων σε sec) / (3600 sec)

Φορτίο κίνησης α (σε CCS) = (συνολική διάρκεια όλων των κλήσεων σε sec) / (100 sec)

Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει ότι η αναλογία Εrlang και CCS είναι:

1 Erlang = 36 CCS.

To φορτίο κίνησης αναφέρεται μερικές φορές και ως ένταση κίνησης και έχει τις ακόλουθες ιδιότητες:

1. Aν c είναι ο αριθμός των κλήσεων που φθάνουν σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα και h η μέση διάρκειά τους, τότε το φορτίο κίνησης α δίνεται από τη σχέση:

a=c·h (Erlang)

2. To φορτίο κίνησης ισούται προς τον αριθμό των κλήσεων που φθάνουν σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα εντός χρονικού διαστήματος ίσον προς τη μέση τιμή της διάρκειάς των.

3. Το φορτίο κίνησης που διεκπεραιώνεται από μία γραμμή μόνο, είναι ισοδύναμο με την πιθανότητα ότι η γραμμή χρησιμοποιείται (ποσοστό του χρόνου που η γραμμή είναι κατειλημμένη). Επομένως, μία γραμμή δεν μπορεί να μεταφέρει παρά μόνον 1 Erlang το πολύ (αφού η μέγιστη τιμή πιθανότητας είναι 1).

4. Το φορτίο κίνησης που διεκπεραιώνεται από μία δέσμη γραμμών είναι ισοδύναμο με τον μέσο αριθμό κατειλημμένων γραμμών της δέσμης.

4.4 Βασικές διαδικασίες τηλεπικοινωνιακών συστημάτων

Οι βασικότερες διαδικασίες που χαρακτηρίζουν οποιοδήποτε τηλεπικοινωνιακό σύστημα είναι:

α) Η διαδικασία άφιξης πελατών στο σύστημα δηλαδή η άφιξη πακέτων δεδομένων ή τηλεφωνικών κλήσεων.

β) Η διαδικασία εξυπηρέτησης των πελατών, δηλαδή η διάρκεια των τηλεφωνικών συνδιαλέξεων ή γενικότερα η διάρκεια επικοινωνίας.

4.4.1 Διαδικασία άφιξης κλήσεων

Η κατανομή που χρησιμοποιείται περισσότερο από όλες για τη περιγραφή τυχαίων αφίξεων είναι η κατανομή Poisson. Για να χαρακτηριστεί μία διαδικασία άφιξης κλήσεων ως τυχαία θα πρέπει να ικανοποιούνται οι εξής συνθήκες:

Aν θεωρήσουμε ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα (Δt®0) τότε:

1. H πιθανότητα άφιξης μιας κλήσεως στο χρονικό διάστημα Δt είναι ίση με λ·Δt, όπου λ είναι ένας σταθερός αριθμός.

2. Η πιθανότητα άφιξης δύο ή και περισσότερων κλήσεων στο ίδιο χρονικό διάστημα Δt τείνει στο μηδέν.

3. Οι κλήσεις που φθάνουν στο σύστημα είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους.

Όταν πληρούνται οι παραπάνω συνθήκες, τότε δεχόμαστε ότι οι αφίξεις των κλήσεων ακολουθούν κατανομή Poisson.

Mε βάση τα παραπάνω, η πιθανότητα k κλήσεις να φθάσουν στο σύστημα μέσα σε κάποιο χρονικό διάστημα [0,t] δίνεται από τη σχέση:

, όπου k=0,1,2,3,… (4.1)

H παραπάνω σχέση μας δίνει την κατανομή Poisson, όπου το λ ονομάζεται ρυθμός άφιξης των κλήσεων και το γινόμενο λ·t μέση τιμή της κατανομής Poisson.

Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι η πιθανότητα μηδέν κλήσεις να φθάσουν στο σύστημα στο διάστημα [0, t] είναι:

(4.2)

Αντίθετα, η πιθανότητα να πραγματοποιηθεί άφιξη στο χρονικό διάστημα [0,t] δίνεται από τη σχέση:

(4.3)

H παραπάνω σχέση μας δίνει την πιθανότητα ότι ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών αφίξεων δεν θα υπερβεί την τιμή t.

4.4.2 Διαδικασία εξυπηρέτησης κλήσεων

Για να περιγράψουμε τα φαινόμενα εξυπηρέτησης των κλήσεων χρησιμοποιούμε την εκθετική κατανομή. Σύμφωνα με αυτήν η πιθανότητα μία κλήση να μην τερματιστεί σε διάστημα [0, t], δηλαδή η πιθανότητα ο χρόνος εξυπηρέτησης της κλήσεως (έστω x) να είναι μεγαλύτερος από t, δίνεται από τη σχέση:

(4.4)

όπου η ποσότητα μ ονομάζεται ρυθμός εξυπηρέτησης, ενώ το μέγεθος 1/μ ονομάζεται μέση τιμή της εκθετικής κατανομής.

4.5 Ιδιότητες τηλεπικοινωνιακής κίνησης

4.5.1 Νόμος του Little

O νόμος του Little ορίζεται ως εξής: Αν σε ένα σύστημα αναμονής, λ είναι ο ρυθμός αφίξεων των κλήσεων, L είναι ο αριθμός των κλήσεων που αναμένουν στην ουρά για να εξυπηρετηθούν και W είναι ο μέσος χρόνος αναμονής στην ουρά, τότε ισχύει:

(4.5)

Επέκταση του θεωρήματος του Little αποτελεί η παρακάτω σχέση:

(4.6)

Στην παραπάνω σχέση Ν είναι ο μέσος αριθμός κλήσεων στο σύστημα (άθροισμα κλήσεων που αναμένουν και κλήσεων που εξυπηρετούνται), λ είναι ο ρυθμός άφιξης των κλήσεων και Τ είναι η μέση τιμή του συνολικού χρόνου που πρέπει να παραμείνει μια κλήση στο σύστημα, δηλαδή είναι το άθροισμα του χρόνου παραμονής της κλήσης στην ουρά και του χρόνου εξυπηρέτησής της.

4.5.2 Ιδιότητες κατανομής Poisson

1. Aν έχουμε Μ ανεξάρτητες κατανομές Poisson λ₁, λ_2, λ₃, … λ_Μ τότε η κατανομή που προκύπτει από το άθροισμά τους είναι επίσης κατανομή Poisson με μέση τιμή

2. Το άθροισμα ενός πολύ μεγάλου αριθμού ανεξάρτητων διαδικασιών του οποίου η μέση τιμή τείνει στο άθροισμα των μέσων τιμών των διαδικασιών δίνει κατανομή Poisson.

4.5.3 Μαρκοβιανή ιδιότητα

Η μαρκοβιανή ιδιότητα είναι μία ιδιότητα που ισχύει για φαινόμενα τα οποία ακολουθούν εκθετική κατανομή (π.χ. η διαδικασία εξυπηρέτησης των κλήσεων). Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω σύμφωνα με την εκθετική κατανομή, η πιθανότητα ο χρόνος εξυπηρέτησης της κλήσεως (έστω Χ) να είναι μεγαλύτερος από x, δηλαδή η πιθανότητα το φαινόμενο να συνεχίζεται μετά τη χρονική στιγμή x δίνεται από τη σχέση:

(4.7)

Mε βάση την παραπάνω σχέση, η πιθανότητα ότι το φαινόμενο συνεχίζεται μετά από χρονική περίοδο t δεδομένου ότι έχει διαρκέσει μέχρι τη χρονική στιγμή x, προκύπτει ως εξής:

(4.8)

Δηλαδή η πιθανότητα το φαινόμενο να συνεχιστεί μετά από χρονική περίοδο t δεδομένου ότι έχει διαρκέσει μέχρι τη χρονική στιγμή x είναι ανεξάρτητη από το x. H ιδιότητα αυτή ονομάζεται μαρκοβιανή ιδιότητα και ισχύει για εκθετικές κατανομές.

4.6 Διάκριση μοντέλων τηλεπικοινωνιακής κίνησης

Για την ταξινόμηση των μοντέλων τηλεπικοινωνιακής κίνησης χρησιμοποιείται ο συμβολισμός του Kendall: A/B/s. To A δηλώνει την κατανομή αφίξεως των κλήσεων, το Β δηλώνει την κατανομή εξυπηρέτησης των κλήσεων και το s τον αριθμό των εξερχόμενων γραμμών και λαμβάνει κάποια ακέραια τιμή. Το Α και το Β λαμβάνουν σαν τιμές τα αρχικά των κατανομών που χρησιμοποιούνται για την άφιξη ή την εξυπηρέτηση. Έτσι μπορούν να εκφράζονται από τους χαρακτήρες: M (Mαρκοβιανή) ή G (Γενική) ή D (ντετερμινιστική) κατανομή. Για παράδειγμα, ένα σύστημα με Poisson κατανομή άφιξης των κλήσεων και εκθετική κατανομή του χρόνου εξυπηρέτησης δηλώνεται ως Μ/Μ/s. Mε n πεπερασμένες γραμμές εισόδου δηλώνεται ως Μ(n)/Μ/s ενώ με ουρά m θέσεων δηλώνεται ως Μ/Μ/s(m) ή ως Μ/Μ/s/s+m.

4.7 Mαρκοβιανά συστήματα απωλειών

Τα μαρκοβιανά συστήματα απωλειών είναι συστήματα με χρόνους άφιξης και εξυπηρέτησης εκθετικά κατανεμημένους. Τέτοιου είδους συστήματα χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν στα παλαιά συμβατικά τηλεφωνικά δίκτυα. Στα συστήματα απωλειών κριτήριο αξιολόγησης της απόδοσης αποτελεί η πιθανότητα απώλειας κλήσεως. Στη συνέχεια εξετάζονται τα ακόλουθα συστήματα απωλειών:

1. To σύστημα Μ/Μ/s(0) (σύστημα με Poisson κατανομή άφιξης των κλήσεων, εκθετική κατανομή του χρόνου εξυπηρέτησης και s αριθμό εξερχόμενων γραμμών (εξυπηρετητών) με μηδενική ουρά.

2. Το σύστημα Μ(n)/M/s(0) (σύστημα με εκθετική κατανομή άφιξης και εξυπηρέτησης των κλήσεων και s αριθμό εξερχόμενων γραμμών με μηδενική ουρά αλλά με πεπερασμένο αριθμό εισόδων n.

4.7.1 Σύστημα απωλειών Μ/Μ/s(0)

Στο σύστημα απωλειών Μ/Μ/s(0) οι αφίξεις ακολουθούν κατανομή Poisson και ο χρόνος εξυπηρέτησης των κλήσεων εκθετική κατανομή. Θεωρούμε επίσης ότι το σύστημα αυτής της μορφής διαθέτει άπειρο αριθμό εισερχόμενων γραμμών. Σε περίπτωση που οι αφίξεις βρουν όλους τους εξυπηρετητές απασχολημένους εγκαταλείπουν αμέσως το σύστημα. Συνεπώς, ο αριθμός των κλήσεων που μένουν στο σύστημα και δεν το εγκαταλείπουν, ισούται με τον αριθμό των εξυπηρετητών (εξερχόμενων γραμμών που διαθέτει το σύστημα).

Τα συστήματα απωλειών της μορφής Μ/Μ/s(0) προσεγγίζονται ικανοποιητικά αν θεωρήσουμε ότι η προσφερόμενη κίνηση είναι καθαρά τυχαία κίνηση. Σ’ αυτή την περίπτωση οι αφίξεις των κλήσεων θα έχουν – όπως προαναφέρθηκε – κατανομή Poisson.

O αριθμός των ταυτόχρονων καταλήψεων των εξερχόμενων γραμμών θα έχει την ονομαζόμενη κατανομή ERLANG. Σύμφωνα με αυτήν, η πιθανότητα να βρεθούν r εξερχόμενες γραμμές ταυτόχρονα κατειλημμένες σε μία χρονική στιγμή ισούται με:

, r=0,1,2…s (4.9)

όπου α είναι το προσφερόμενο φορτίο, s ο αριθμός των εξερχόμενων γραμμών ή εξυπηρετητών του συστήματος και r o αριθμός των κατειλημμένων εξερχόμενων γραμμών.

Στην ειδική περίπτωση που ο αριθμός των εξερχόμενων γραμμών γίνει πολύ μεγάλος (s®¥) η κατανομή ERLANG μετατρέπεται στην κατανομή Poisson οπότε:

(4.10)

H πιθανότητα σε μία χρονική στιγμή να βρεθούν όλες οι εξερχόμενες γραμμές κατειλημμένες δίνεται από τον τύπο απωλειών του ΕRLANG:

(4.11)

o οποίος αναφέρεται και ως ΕRLANG B – formula, που εκφράζει το ποσοστό απωλειών κλήσεων. Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ο αναδρομικός τύπος της Β – formula ERLANG:

, E₀(a)=1 (4.12)

H παραπάνω σχέση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη όταν δίνεται το φορτίο κίνησης και η επιθυμητή πιθανότητα απώλειας κλήσεων (βαθμός εξυπηρέτησης) και ζητείται να υπολογιστεί ο αριθμός των εξερχόμενων γραμμών.

4.7.2 Σύστημα απωλειών Μ(n)/Μ/s(0)

Στο σύστημα απωλειών με πεπερασμένο αριθμό εισόδων θεωρούμε τα εξής:

1. O αριθμός των εισόδων του συστήματος έχει πεπερασμένη τιμή n.

2. Oι αφίξεις των κλήσεων ακολουθούν εκθετική κατανομή με μέση τιμή 1/λ, όπου λ είναι ο ρυθμός αφίξεων των κλήσεων στο σύστημα.

3. Θεωρούμε ότι κάθε μία από τις εισερχόμενες n πεπερασμένες γραμμές είναι, όσον αφορά την κίνησή της, ανεξάρτητη από τις άλλες γραμμές. Επίσης θεωρούμε ότι κάθε μία από τις n γραμμές έχει την ίδια κίνηση.

Στην περίπτωση αυτή έχει διαπιστωθεί ότι ο αριθμός των ταυτόχρονα κατειλημμένων r εξερχόμενων γραμμών ακολουθεί κατανομή ΕNGSET. Η πιθανότητα μία χρονική στιγμή να υπάρχουν ταυτόχρονα r κατειλημμένες γραμμές ισούται με:

, r=0,1,2,…s (4.13)

όπου λ ο ρυθμός αφίξεων των κλήσεων στο σύστημα, μ ο ρυθμός εξυπηρέτησης των κλήσεων (πολλές φορές αντί του μ δίνεται ο μέσος χρόνος εξυπηρέτησης των κλήσεων: h=1/μ), s o αριθμός των εξερχόμενων γραμμών και r o αριθμός των εξερχόμενων κατειλημμένων γραμμών.

Η πιθανότητα σε μία χρονική στιγμή να βρεθούν όλες οι εξερχόμενες γραμμές κατειλημμένες δίνεται από τη σχέση:

(4.14)

H πιθανότητα αυτή ονομάζεται πιθανότητα συμφόρησης του συστήματος και δηλώνει το ποσοστό του χρόνου στην ώρα αιχμής κατά το οποίο το σύστημα είναι πλήρως κατειλημμένο.

Η πιθανότητα απώλειας κλήσεως δίνεται από τον τύπο απωλειών του ENGSET:

(4.15)

H παραπάνω πιθανότητα ορίζεται σαν το πηλίκο των μπλοκαρισμένων κλήσεων προς τον συνολικό αριθμό κλήσεων, δηλαδή εκφράζει το ποσοστό απωλειών με το οποίο διαβιβάζεται η κίνηση. Από αυτήν προκύπτει η αναδρομική σχέση για τον τύπο απωλειών του ENGSET:

(4.16)

όπου είναι η πιθανότητα απώλειας κλήσεων. Το v αντιπροσωπεύει τον ρυθμό άφιξης των κλήσεων από μία πηγή εισόδου.

To συνολικά προσφερόμενο φορτίο κίνησης α δίνεται από τη σχέση:

, απ’ όπου προκύπτει , όπου r είναι ο αριθμός των εξερχόμενων γραμμών που είναι κατειλημμένες. Επειδή το μεταφερόμενο φορτίο κίνησης a_c, δηλαδή το φορτίο που εξυπηρετείται από το σύστημα δίνεται από τη σχέση: , (όπου Β_s είναι ο βαθμός εξυπηρέτησης) προκύπτει ότι , απ’ όπου προκύπτει ότι για το γινόμενο ισχύει:

(4.17)

όπου είναι το φορτίο κίνησης για κάθε ελεύθερη πηγή εισόδου.

Η απόδοση των γραμμών δίνεται από τη σχέση:

(4.18)

δηλαδή είναι το πηλίκο της κίνησης που εξυπηρετείται προς τον συνολικό αριθμό γραμμών.

[Σημείωση: Σε όλες τις παραπάνω σχέσεις ισχύει: ].

4.8 Μαρκοβιανά συστήματα αναμονής

Σε αντίθεση με τα συστήματα απωλειών όπου σε κατάσταση συμφόρησης η εισερχόμενη κλήση μπλοκάρεται και εγκαταλείπει το σύστημα, στα συστήματα αναμονής η κλήση μπορεί να περιμένει για να γίνει η σύνδεση. Στα συστήματα αναμονής, κριτήριο αξιολόγησης της απόδοσης του συστήματος είναι η πιθανότητα αναμονής ή ο μέσος χρόνος αναμονής στην ουρά.

4.8.1 Σύστημα αναμονής Μ/Μ/s

To σύστημα αναμονής Μ/Μ/s είναι σύστημα με Poisson κατανομή άφιξης κλήσεων, εκθετική κατανομή του χρόνου εξυπηρέτησης, s αριθμό εξερχόμενων γραμμών και άπειρες θέσεις αναμονής στις οποίες όλες οι κλήσεις παραμένουν μέχρι να εξυπηρετηθούν, κατά μέσον όρο επί χρόνο W. Στα συστήματα αυτού του είδους υπάγονται τα δίκτυα υπολογιστών και τα ψηφιακά τηλεφωνικά κέντρα.

Ας θεωρήσουμε ότι λ είναι ο ρυθμός άφιξης των κλήσεων στο σύστημα, μ ο ρυθμός εξυπηρέτησης των κλήσεων, s o αριθμός των εξερχόμενων γραμμών και r o αριθμός των κλήσεων στο σύστημα. Το σύστημα αναμονής Μ/Μ/s μπορεί να παρασταθεί σχηματικά ως εξής:

Σχήμα 4.1: Σύστημα αναμονής

Σε ένα τέτοιο σύστημα αναμονής ισχύει η σχέση:

(4.19)

Δηλαδή το προσφερόμενο φορτίο κίνησης ανά γραμμή εξυπηρέτησης θα πρέπει να είναι μικρότερο από τη μονάδα. Το μέγεθος ρ= ονομάζεται απόδοση των γραμμών όπως και στα συστήματα απωλειών.

Ορίζουμε σαν πιθανότητα αναμονής την πιθανότητα ότι μία κλήση θα περιμένει στην ουρά μέχρι να εξυπηρετηθεί και τη συμβολίζουμε με Μ(0):

(4.20)

H παραπάνω σχέση αποτελεί την εξίσωση του ΕRLANG C αλλά λόγω της δυσκολίας που παρουσιάζει στους υπολογισμούς συνήθως γίνεται χρήση της με τη μορφή:

(4.21)

όπου το Ε_S(a) δίνεται από τον τύπο απωλειών του ΕRLANG B.

H μέση τιμή των κλήσεων αναμονής δίνεται από τη σχέση:

(4.22)

και εκφράζει τον αριθμό των κλήσεων που περιμένουν να εξυπηρετηθούν.

Κάνοντας χρήση του νόμου του Little: L=λ·W και της σχέσης (4.22) μπορούμε να υπολογίσουμε τον μέσο χρόνο αναμονής στην ουρά:

(4.23)

o οποίος εκφράζει το χρονικό διάστημα που πρέπει να περιμένει μία κλήση μέχρι να εξυπηρετηθεί.

Τέλος ένα άλλο μέγεθος με πρακτικό ενδιαφέρον είναι η κατανομή του χρόνου αναμονής, που εκφράζει το ποσοστό των κλήσεων που θα καθυστερήσουν περισσότερο από χρόνο t, ως προς όλες τις κλήσεις και δίνεται από τη σχέση:

(4.24)

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5^O:

ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ

5.1 Εισαγωγή

Με τον όρο σηματοδοσία δικτύου χαρακτηρίζουμε το σύνολο των σημάτων ελέγχου που ανταλλάσσονται μεταξύ τηλεπικοινωνιακών κέντρων ή μεταξύ τηλεπικοινωνιακών κέντρων και συνδρομητών για την επίτευξη, την επίβλεψη και τη διακοπή μίας σύνδεσης. Το σήμα κουδουνισμού, οι παλμοί επιλογής, τα ηχοσήματα κλήσεως ή κατειλημμένου είναι μερικά από τα σήματα ελέγχου που ανταλλάσσονται κατά τη διάρκεια μίας κλήσεως στο τηλεφωνικό δίκτυο. Τα σήματα ελέγχου των τηλεπικοινωνιακών δικτύων μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κατηγορίες:

1. Στα σήματα ελέγχου που δεν γίνονται αντιληπτά από τον συνδρομητή και ονομάζονται σήματα ζεύξεως ή κριτήρια. Τα σήματα αυτά διακινούνται μεταξύ των τηλεπικοινωνιακών κέντρων των δικτύων και αφορούν πληροφορίες που περιγράφουν την κατάσταση του δικτύου. Ειδικά για την περίπτωση του τηλεφωνικού δικτύου η σηματοδοσία μεταξύ κέντρων διακρίνεται σε σηματοδοσία αστικής τηλεφωνίας και σηματοδοσία υπεραστικής τηλεφωνίας.

2. Στα σήματα ελέγχου που γίνονται αντιληπτά από τον συνδρομητή και ονομάζονται ακουστικά σήματα ή ηχοσήματα. Σε αντίθεση με τα κριτήρια, τα ηχοσήματα αποτελούν πληροφορία που απευθύνεται στους συνδρομητές και αφορούν την κατάσταση και την εξέλιξη μίας συνδιάλεξης, π.χ. σήμα κλήσεως, σήμα κατειλημμένης γραμμής κλπ.

5.2 Σηματοδοσία συνδρομητή – τηλεφωνικού κέντρου

Το τμήμα του δικτύου από το συνδρομητικό κέντρο μέχρι και την συσκευή του συνδρομητή ονομάζεται συνδρομητικός βρόχος. Τα βασικότερα σήματα που διακινούνται στο συνδρομητικό βρόχο είναι τα εξής:

1. Ύπαρξη τάσεως στη γραμμή που δηλώνει ότι ο συνδρομητής έχει σηκώσει το μικροτηλέφωνο και επιθυμεί να αρχίσει μία συνδιάλεξη.

2. Ηχόσημα έναρξης επιλογής που δηλώνει ότι το κέντρο είναι έτοιμο να δεχθεί κλήση.

3. Παλμοσειρές ή συνδυασμοί συχνοτήτων που δηλώνουν τον αριθμό που καλείται.

4. Ηχόσημα κατειλημμένης ή ελεύθερης γραμμής που αποστέλλεται στον καλούντα συνδρομητή.

5. Ηχόσημα κλήσεως (σήμα κουδουνισμού) που αποστέλλεται στον καλούμενο συνδρομητή.

6. Ύπαρξη τάσεως στη γραμμή του καλούμενου συνδρομητή που δηλώνει την έναρξη της συνδιάλεξης.

7. Μηδενική τάση στον συνδρομητικό βρόχο που δηλώνει ότι η κλήση έχει τελειώσει.

5.3 Σηματοδοσία στην αστική τηλεφωνία

Η σηματοδοσία στην αστική τηλεφωνία γίνεται εξ’ ολοκλήρου με κριτήρια, με εξαίρεση τα διάφορα ηχοσήματα που χρησιμοποιούν εναλλασσόμενο ρεύμα για να γίνονται αντιληπτά από τους συνδρομητές. Τα υπόλοιπα σήματα της αστικής τηλεφωνίας, δηλαδή τα κριτήρια, χρησιμοποιούν αποκλειστικά συνεχές ρεύμα. Αυτό οφείλεται βασικά στην απλότητα που παρουσιάζει η σηματοδότηση με συνεχές ρεύμα. Το συνεχές ρεύμα έχει μηδενική συχνότητα και γι’ αυτό δεν γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο αυτί. Έτσι, ταυτόχρονα με την ομιλία, μπορούν να μεταδίδονται σήματα συνεχούς ρεύματος, χωρίς να προκαλούν παρενόχληση. Επίσης, επειδή είναι δυνατή η αλλαγή της πολικότητας του συνεχούς ρεύματος, διπλασιάζεται ο αριθμός των ανεξάρτητων σημάτων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σηματοδοσία.

Τα σπουδαιότερα κριτήρια συνεχούς ρεύματος είναι τα εξής:

1. Καταλήψεως γραμμής.

2. Επιλογής (όταν επιλέγουμε το νούμερο του καλούμενου συνδρομητή).

3. Δοκιμής (για την ανεύρεση ελεύθερης γραμμής).

4. Φραγής (όταν καταλαμβάνεται η γραμμή).

5. Έναρξη συνδιαλέξεως (όταν αποκαθίσταται η σύνδεση μεταξύ δύο συνδρομητών).

6. Απολύσεως κλήσεως.

7. Τελοχρέωσης.

8. Βλαβών και επίβλεψης της λειτουργίας του δικτύου.

Για την ανταλλαγή των κριτηρίων συνεχούς ρεύματος μεταξύ των κέντρων ενός αστικού συγκροτήματος, χρησιμοποιούνται ειδικές διατάξεις που ονομάζονται συνεχορευματικοί μεταφορείς των ζευκτικών γραμμών.

5.4 Σηματοδοσία στην υπεραστική τηλεφωνία

Στην υπεραστική τηλεφωνία, λόγω του μεγάλου μήκους των γραμμών, τα κριτήρια είναι υποχρεωτικά εναλλασσομένου ρεύματος. Η συνεργασία αστικών και υπεραστικών δικτύων απαιτεί τη μετατροπή των κριτηρίων συνεχούς ρεύματος της αστικής τηλεφωνίας σε κριτήρια εναλλασσομένου ρεύματος και αντίστροφα. Η μετατροπή αυτή πραγματοποιείται με κατάλληλες διατάξεις, τους εναλλακτορευματικούς μεταφορείς, που τοποθετούνται στα άκρα κάθε υπεραστικής γραμμής.

Για να διακρίνονται τα κριτήρια στην υπεραστική τηλεφωνία χρησιμοποιούνται δύο δυνατότητες:

α) Η χρονική σειρά με την οποία καταφθάνουν τα σήματα. Μία κατάλληλη διάταξη παρακολουθεί την άφιξη των σημάτων και προκαλεί διαδοχικά τις αντίστοιχες λειτουργίες.

β) Η διάρκεια των σημάτων. Ανάλογα με τη διάρκεια κάθε σήματος, προσδιορίζεται η σημασία του και προκαλείται η αντίστοιχη λειτουργία.

Τα εναλλασσόμενα σήματα της υπεραστικής τηλεφωνίας είναι δυνατόν να βρίσκονται είτε μέσα στη ζώνη συχνοτήτων της ομιλίας (300-3400 Ηz), οπότε έχουμε σηματοδοσία ακουστικών συχνοτήτων, είτε μέσα στη ζώνη 3400-4000 Hz, που περισσεύει από το κανάλι των 4 ΚHz μιας συνδιαλέξεως, οπότε έχουμε σηματοδοσία καναλιού. Στη σηματοδοσία ακουστικών συχνοτήτων χρησιμοποιούνται συνήθως μία ή δύο συχνότητες μεγαλύτερες από 2000 Ηz. O λόγος είναι ότι οι συχνότητες ομιλίας πάνω από 2000 Ηz έχουν χαμηλότερη στάθμη και είναι λιγότερο πιθανό να προκαλέσουν διακοπή της συνδέσεως. Πλεονέκτημα της σηματοδοσίας αυτής είναι ότι για τη σύνδεση καναλιών ομιλίας χρειάζεται η σύνδεση μόνο των 4 αγωγών ομιλίας. Μειονέκτημά της είναι ότι χρειάζονται ειδικά κυκλώματα για να εξασφαλιστεί ότι δεν θα διακόπτεται η σύνδεση από συχνότητες ομιλίας. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι δεν μπορεί να γίνει σηματοδοσία κατά τη διάρκεια της ομιλίας, αλλά μόνο στο διάστημα της αποκαταστάσεως και της λύσεως της συνδέσεως. Στη σηματοδοσία καναλιού χρησιμοποιείται η συχνότητα 3825 Ηz που συνιστά η CCITT ή άλλη παραπλήσια συχνότητα. Η σηματοδοσία αυτή έχει το πλεονέκτημα, ότι μπορεί να γίνεται κατά τη διάρκεια της συνδιαλέξεως χωρίς να την παρενοχλεί και χωρίς να υπάρχει ο κίνδυνος μία συχνότητα ομιλίας ή ένας συνδυασμός συχνοτήτων ομιλίας να εκληφθεί από το σύστημα σαν κριτήριο διακοπής της συνδέσεως και να προκαλέσει τη διακοπή της. Μειονέκτημά της είναι ότι κατά τη σύνδεση καναλιών ομιλίας, εκτός από τους 4 αγωγούς ομιλίας των δύο κατευθύνσεων, χρειάζεται ένα επιπλέον ζεύγος αγωγών για το κανάλι σηματοδοσίας.

Ανάλογα με τον τρόπο που πραγματοποιείται η αποστολή των σημάτων σε μία κατεύθυνση, διακρίνουμε δύο είδη σηματοδοσίας: την ελεύθερη και την εξαναγκασμένη σηματοδοσία. Ελεύθερη σηματοδοσία έχουμε όταν η αποστολή σημάτων προς μία κατεύθυνση είναι ανεξάρτητη από τη λήψη σημάτων που αποστέλλονται στην άλλη κατεύθυνση. Ελεύθερη σηματοδοσία έχουμε π.χ. στο σύστημα CCITT No 5. Στην εξαναγκασμένη σηματοδοσία η λήψη ενός σήματος προκαλεί την αποστολή σήματος επιβεβαιώσεως σε αντίθετη κατεύθυνση. Το αρχικό σήμα εξακολουθεί να εκπέμπεται μέχρι να ληφθεί το σήμα επιβεβαιώσεως, που προκαλεί τη διακοπή του. Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ασφάλεια στη σηματοδοσία. Εξαναγκασμένη σηματοδοσία έχουμε π.χ. στο σύστημα CCITT No 6.

Η αποκατάσταση μίας υπεραστικής συνδέσεως μπορεί να γίνεται είτε κατά τμήματα είτε από τέρμα σε τέρμα. Στην πρώτη περίπτωση όλες οι πληροφορίες που έχει ένας ταμιευτής μεταβιβάζονται στον επόμενο ταμιευτή, μόλις πραγματοποιηθεί η σύνδεση του επόμενου τμήματος, ενώ ο πρώτος ταμιευτής αποσυνδέεται. Στη δεύτερη περίπτωση ο αρχικός ταμιευτής, στο ένα τέρμα της συνδέσεως, παραμένει σε λειτουργία μέχρις ότου η σύνδεση φθάσει στο άλλο τέρμα και αποστέλλει στους ενδιάμεσους, διαβατικούς ταμιευτές μόνο εκείνες τις πληροφορίες που χρειάζεται ο καθένας για να καθοδηγήσει τη σύνδεση μέχρι τον επόμενο ταμιευτή. Η σύνδεση από τέρμα σε τέρμα είναι συντομότερη από τη σύνδεση κατά τμήματα γιατί μεταβιβάζονται μόνο οι εντελώς απαραίτητες πληροφορίες, δηλαδή λιγότερες πληροφορίες, στους ενδιάμεσους ταμιευτές. Η σύνδεση κατά τμήματα δημιουργεί, αντίθετα, λιγότερα προβλήματα μεταδόσεως, επειδή οι απαιτήσεις σχετικά με τη στάθμη του σήματος, την ευστάθεια του κυκλώματος, κλπ. περιορίζονται σε κάθε ξεχωριστό τμήμα και δεν καλύπτουν ολόκληρη τη ζεύξη.

Τα κριτήρια εναλλασσόμενου ρεύματος διακρίνονται σε κριτήρια που ανταλλάσσονται μεταξύ των ταμιευτών του υπεραστικού συστήματος και ονομάζονται κριτήρια ταμιευτών, όπως είναι π.χ. τα ψηφία του αριθμού κλήσεως και σε κριτήρια που χρησιμεύουν στην κατάληψη και απόλυση γραμμών και ονομάζονται κριτήρια γραμμών. Η μετάδοση των σημάτων εναλλασσόμενου ρεύματος γίνεται είτε με απλές παλμοσειρές είτε με κατάλληλους κώδικες συχνοτήτων. Στη σηματοδοσία με παλμοσειρές τα κριτήρια σχηματίζονται από παλμούς εναλλασσόμενου ρεύματος κατάλληλης συχνότητας και διάρκειας. Οι επιλογικοί παλμοί, π.χ. συνεχούς ρεύματος, μετατρέπονται σε ίσης διάρκειας παλμούς ορισμένης συχνότητας, π.χ. 50 Ηz, ενώ τα κριτήρια γραμμών αποτελούνται από έναν ή δύο συνήθως παλμούς που διαφέρουν στη διάρκειά τους. Στη σηματοδοσία με κώδικες, χρησιμοποιούνται για τη μεταβίβαση σημάτων μεταξύ ταμιευτών (κριτήρια ταμιευτών), κατάλληλοι κώδικες με τους οποίους εξασφαλίζεται γρήγορη σηματοδοσία και αποκατάσταση της συνδέσεως. Η σηματοδοσία με κώδικες είναι απαραίτητη σε ζεύξεις μεγάλου μήκους, όπως είναι οι διεθνείς ζεύξεις, στις οποίες παρεμβάλλονται πολλοί ταμιευτές. Γενικά, κώδικες συχνοτήτων χρησιμοποιούνται για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ ταμιευτών (κριτήρια ταμιευτών), ενώ τα κριτήρια γραμμών αποστέλλονται με παλμοσειρές στο κανάλι σηματοδοτήσεως, έξω από το φάσμα ομιλίας.

Μέχρι σήμερα προτάθηκαν από την CCITT και εφαρμόσθηκαν κατά καιρούς τα συστήματα σηματοδοσίας Νο 1, Νο 2, Νο 3, Νο 4, Νο 5, Νο 5⁺, R1, R2, No 6, No 7. Tα συστήματα Νο 1, Νο 2, Νο 3 αφορούν την χειροκίνητη και ημιαυτόματη τηλεφωνία και παρουσιάζουν μόνο ιστορικό ενδιαφέρον. Το σύστημα Νο 4 εφαρμόσθηκε σε χώρες της Μεσογείου αλλά η αδυναμία εφαρμογής του σε PCM (Pulse Code Modulation) συστήματα, επέβαλλε την σταδιακή αντικατάστασή του. Το σύστημα Νο 5 εμφανίστηκε το 1964 και γρήγορα υιοθετήθηκε τόσο σε εθνικές όσο και σε διηπειρωτικές συνδέσεις. Το σύστημα αυτό ωστόσο δεν διαθέτει καμία δυνατότητα συνεργασίας με ψηφιακά συστήματα. Γι αυτόν τον λόγο αντικαταστάθηκε από το σύστημα R2, το οποίο παρουσιάζει μεγάλη ποικιλία σημάτων ελέγχου για εθνικές, διεθνείς και ηπειρωτικές ζεύξεις και ευελιξία που επιτρέπει την τροποποίησή του ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες της εφαρμογής του. Το σύστημα R1 εφαρμόσθηκε στην Αμερική κυρίως και παρουσιάζει μεγάλες ομοιότητες με το σύστημα Νο 5, ενώ το σύστημα Νο 5⁺ δεν εφαρμόσθηκε καθόλου, παρ’ όλο που επέκτεινε σημαντικά τις δυνατότητες του συστήματος Νο 5. Ο λόγος για τον οποίον δεν εφαρμόσθηκε ήταν ότι η απόδοση της συμβατικής σηματοδοσίας είχε πλέον φθάσει στα όριά της. Οι ψηφιακές τεχνικές άρχισαν να υιοθετούνται σε όλα τα δίκτυα και η αναγκαιότητα για σηματοδοσία κοινού καναλιού (συστήματα Νο6, Νο7) ήταν πλέον αισθητή.

5.5 Σηματοδοσία κοινού καναλιού

Πριν την εμφάνιση των ηλεκτρονικών κέντρων ενταμιευμένου προγράμματος (SPC), όλα τα συστήματα σηματοδοσίας είχαν ένα κοινό χαρακτηριστικό: την ύπαρξη ενός ξεχωριστού καναλιού σηματοδοσίας για κάθε κανάλι συνδιαλέξεων. Το ξεχωριστό αυτό κανάλι σηματοδοσίας ήταν το ίδιο με το κανάλι ομιλίας ή ένα παράλληλο προς αυτό.

Τα δεδομένα στον τομέα της σηματοδοσίας άλλαξαν με την εμφάνιση των ηλεκτρονικών κέντρων ενταμιευμένου προγράμματος, που έδωσαν την δυνατότητα διαχωρισμού του καναλιού σηματοδοσίας από τα κανάλια συνδιαλέξεως. Η νέα αυτή τεχνική ονομάζεται σηματοδοσία κοινού καναλιού. Στην περίπτωση αυτή κάθε συνδιάλεξη δεν έχει το δικό της ξεχωριστό κανάλι σηματοδοσίας, αλλά τα σήματα της συνδιάλεξης αποστέλλονται κωδικοποιημένα μαζί με τα σήματα των άλλων συνδιαλέξεων σε ένα κοινό κανάλι σηματοδοσίας. Με τον τρόπο αυτόν γίνεται χρήση ενός μόνο καναλιού σηματοδοσίας για μεγάλο αριθμό συνδιαλέξεων. Σήμερα, υπάρχουν δύο συστήματα σηματοδοσίας προτεινόμενα από την CCITT που υιοθετούν την τεχνική αυτή. Το σύστημα Νο 6 που προτάθηκε το 1972 και το σύστημα Νο 7 που είναι μεταγενέστερο (1980) και συμπληρώνεται ακόμη και σήμερα.

Τα άμεσα πλεονεκτήματα του συστήματος σηματοδοσίας κοινού καναλιού είναι οι υψηλές ταχύτητες διακίνησης σημάτων ελέγχου καθώς και η ποικιλία τέτοιων σημάτων. Επίσης, ο χρόνος επίτευξης της ζεύξεως είναι πολύ μικρός (μικρότερος του 1 sec), ενώ στα συστήματα σηματοδοσίας με κώδικες συχνοτήτων είναι της τάξεως των 3 sec. Tέλος, ένα άλλο πλεονέκτημα των συστημάτων με κοινό κανάλι σηματοδοσίας αποτελεί το γεγονός ότι πολλοί χρήστες μπορούν να χρησιμοποιούν την ίδια διάταξη ελέγχου ταυτόχρονα με άλλους χρήστες, χωρίς να υπάρχει κίνδυνος να μπερδευτούν τα σήματα ελέγχου. Μειονέκτημά τους είναι, ότι απαιτούν πολύ μεγάλη ασφάλεια μεταδόσεως, γιατί βλάβη στο κοινό κανάλι σηματοδοσίας σημαίνει διακοπή όλων των συνδιαλέξεων που εξυπηρετούνται από αυτό. Έτσι υπάρχει κίνδυνος σε περίπτωση βλάβης, να καταρρεύσει το σύστημα των συνδιαλέξεων.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6^Ο:

ΨΗΦΙΑΚΟ ΔΙΚΤΥΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (Ι.S.D.N.)

6.1 Εισαγωγή

Το Ψηφιακό Δίκτυο Ολοκληρωμένων Υπηρεσιών (Integrated Services Digital Network–Ι.S.D.N.) δημιουργήθηκε από την ανάγκη παροχής στους συνδρομητές προηγμένων υπηρεσιών και υψηλής ποιότητας επικοινωνίας. Το ISDN αποτελεί εξέλιξη του υφιστάμενου Δημοσίου Επιλεγόμενου Τηλεφωνικού Δικτύου (Public Switched Telephone Network - P.S.T.N.) με την εγκατάσταση σε ένα ψηφιακό κέντρο του ανάλογου λογισμικού και υλικού και υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών φωνής, δεδομένων, εικόνας και κειμένου. Ο ρυθμός μεταφοράς φθάνει τα 2 ΜΒ/s.

Δύο είναι τα πρότυπα που χρησιμοποιούνται στα ψηφιακά δίκτυα ενοποιημένων υπηρεσιών: α) το Euro – ISDN το οποίο συμφωνεί με τις προδιαγραφές του Ε.T.S.I (European Telecommunications Standardisation Institute) και το οποίο ακολουθούν οι περισσότερες χώρες της Ευρώπης και β) Το Αμερικανικό πρότυπο για το ISDN.

Από την πλευρά του χρήστη το ISDN εμφανίζεται:

α) Ως ένα σημείο πρόσβασης στο κοινό τηλεφωνικό δίκτυο, με τη διαφορά ότι μπορούμε να έχουμε δύο ταυτόχρονες συνδέσεις οι οποίες είναι ψηφιακές.

β) Ως ένα δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος.

γ) Ως ένα δίκτυο ολοκληρωμένων υπηρεσιών (φωνής και δεδομένων) με παράλληλη υποστήριξή τους.

δ) Ως ένας σύνδεσμος με ένα τοπικό δευτερεύον κέντρο ή με ένα τοπικό δίκτυο.

Τα χαρακτηριστικά του δικτύου ISDN έχουν τις παρακάτω ιδιότητες:

· Πλήρης ψηφιακή μετάδοση της πληροφορίας από άκρο σε άκρο με υψηλούς ρυθμούς.

· Χρήση με τρόπο ενοποιημένο των υπηρεσιών φωνής, δεδομένων, εικόνας και κειμένου μέσω μίας μόνο σύνδεσης.

· Οικονομική, γρήγορη και ποιοτική ψηφιακή μετάδοση λιγότερο ευαίσθητη στα παράσιτα, τόσο στο τηλεφωνικό δίκτυο όσο και στη μετάδοση δεδομένων μεταξύ των τερματικών των πελατών που επικοινωνούν μέσω του ISDN.

· Aσφαλέστερη μετάδοση.

· Καλύτερη και πιο αποτελεσματική χρήση του τηλεφωνικού δικτύου.

· Υψηλές ταχύτητες μετάδοσης (κανάλια / γραμμές με ταχύτητα 64 kb/s).

· Πλήρη συμβατότητα με όλα τα λειτουργούντα δίκτυα με χρήση κατάλληλων τερματικών διατάξεων.

· Σύνδεση πολλαπλών τερματικών σε μια μόνο δισύρματη γραμμή μεταξύ εγκατάστασης συνδρομητή και τοπικού κέντρου ISDN (τηλεφωνική συσκευή, fax, Η/Υ, εικονοτηλέφωνο, ιδιωτικό τηλεφωνικό κέντρο κλπ.)

6.2 Τύποι πρόσβασης στο δίκτυο ISDN

Υπάρχουν δύο τύποι πρόσβασης στο δίκτυο ISDN:

· Πρόσβαση βασικού ρυθμού (Basic Rate Access – BRA) η οποία προσφέρει δύο κανάλια των 64 kb/s (B channels) και ένα κανάλι των 16 kb/s (D channel) που χρησιμοποιείται για σηματοδοσία (έναρξη κλήσης, κουδούνισμα κλπ.), δηλαδή 2Β+D κανάλια. Έτσι, ο χρήστης που διαθέτει βασική πρόσβαση, μπορεί να εκτελέσει ταυτόχρονα τρεις διαφορετικές επικοινωνίες: α) δύο ανεξάρτητες τηλεφωνικές γραμμές και μια επικοινωνία δεδομένων χαμηλής ταχύτητας β) μία οπτική τηλεφωνία και επικοινωνία δεδομένων χαμηλής ταχύτητας γ) οποιεσδήποτε δύο ανεξάρτητες επικοινωνίες (πλην οπτικής τηλεφωνίας) και επικοινωνία δεδομένων χαμηλής ταχύτητας.

· Πρόσβαση πρωτεύοντος ρυθμού (Primary Rate Access – PRA) η οποία προσφέρει 30 κανάλια Β και ένα κανάλι D των 64 kb/s, δηλαδή 30Β+D κανάλια και απευθύνεται σε πελάτες με μεγαλύτερες ανάγκες. Μέσω των 30 Β καναλιών πραγματοποιούνται 30 ισάριθμες ταυτόχρονες επικοινωνίες του συνδρομητικού κέντρου ενώ μέσω του καναλιού D παρέχεται η σηματοδοσία του ISDN.

6.3 Διατάξεις και σημεία αναφοράς στο ISDN

Oι διατάξεις (συσκευές) διαιρούνται σε δύο κατηγορίες, στην κατηγορία των διατάξεων περιοχής πελάτη – συνδρομητή και στις διατάξεις περιοχής του ψηφιακού κέντρου. Οι διατάξεις της περιοχής συνδρομητή είναι οι εξής (σχήμα 6.1):

1. TE1 (Terminal Equipment 1 – Tερματικός εξοπλισμός τύπου 1). Oι τερματικές διατάξεις τύπου TE1 είναι αυτές που ικανοποιούν τις συστάσεις του ISDN (είναι δηλαδή συμβατές με το ISDN) και συνεπώς μπορούν να συνδεθούν απευθείας στο δίκτυο μέσω του σημείου αναφοράς S. Εδώ ο βασικός ρυθμός μετάδοσης είναι 144 kb/s (2Β+D). Όμως, όλα τα τερματικά δεν είναι υποχρεωμένα να χρησιμοποιούν αυτόν τον ρυθμό διότι απλά μπορεί να μην τον χρειάζονται. Έτσι τίθεται θέμα διαμοιρασμού του ρυθμού μετάδοσης (ταχύτητας) μεταξύ των διαφόρων τερματικών. Το σημείο αναφοράς S βρίσκεται ακριβώς στο σημείο όπου γίνεται διαμοιρασμός της γραμμής του δικτύου σε περισσότερα τερματικά, εφόσον αυτό απαιτείται.

2. ΤΕ2 (Terminal Equipment 2 – Τερματικός εξοπλισμός τύπου 2). Εδώ ανήκουν οι κοινές τερματικές συσκευές ή απλές τηλεφωνικές συσκευές που δεν είναι συμβατές με το ISDN δίκτυο αλλά μπορούν να συνδεθούν με αυτό μέσω του σημείου αναφοράς R στον τερματικό προσαρμογέα ΤΑ (Terminal Adaptοr).

3. ΤΑ (Τerminal Adaptor – Tερματικός προσαρμογέας). O τερματικός προσαρμογέας δίνει στον πελάτη την ευχέρεια να χρησιμοποιήσει τις αναλογικές του συσκευές με το δίκτυο ISDN. Με τον τερματικό προσαρμογέα ουσιαστικά «υποβαθμίζουμε» το δίκτυο, δεν αναβαθμίζουμε τη συσκευή. Επίσης η αναλογική συσκευή δεν μπορεί να έχει τις ευκολίες του δικτύου.

4. ΝΤ (Network Termination – Τερματισμός δικτύου). Η τερματική διάταξη του δικτύου ΝΤ είναι το ακραίο σημείο του δικτύου που μετατρέπει τη δισύρματη συνδρομητική γραμμή σε τετρασύρματη και καθιστά ψηφιακή τη γραμμή από άκρο σε άκρο (σχήμα 6.2). Το ΝΤ δηλαδή είναι η «πρίζα» του δικτύου όπου ο πελάτης συνδέει τον τερματικό του εξοπλισμό. Υπάρχουν δύο τύπου διατάξεις, η ΝΤ1 και η ΝΤ2. Η ΝΤ1 είναι το τελευταίο σημείο του δικτύου προς την πλευρά του χρήστη και είναι το σημείο προσαρμογής των λειτουργιών του δικτύου με τις συσκευές του χρήστη. Η ΝΤ2 έρχεται σε επαφή με δύο σημεία αναφοράς: το S προς την πλευρά του τερματικού και το Τ προς την πλευρά του δικτύου. Οι βασικές λειτουργίες της ΝΤ2 είναι ο έλεγχος της κυκλοφορίας των πληροφοριών στις εγκαταστάσεις του χρήστη, όπως και ο έλεγχος προσπέλασης των πληροφοριών στο δίκτυο. Βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του χρήστη και επιλέγει λειτουργίες πολύπλεξης και μεταγωγής της πληροφορίας. To σημείο αναφοράς T συνδέει την ΝΤ2 με την ΝΤ1. Εδώ οι ρυθμοί μετάδοσης που παρέχονται στους χρήστες είναι δύο: α) 144 kb/s [βασικός ρυθμός (2Β+D)] και β) 1984 kb/s [πρωτεύων ρυθμός (30Β+D)]. Εναλλακτικά στο Αμερικανικό πρότυπο ISDN χρησιμοποιείται ο ρυθμός 1536 kb/s ενώ στην Ευρώπη τυποποιείται ο ρυθμός των 1984 kb/s (γνωστός και ως 2 Μb/s). Πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει σαφής διάκριση μεταξύ του «παρεχόμενου ρυθμού μετάδοσης» στον χρήστη και του «ρυθμού μετάδοσης της γραμμής». Σε κάθε περίπτωση ο ρυθμός της γραμμής είναι μεγαλύτερος του παρεχόμενου. Για παράδειγμα, αναφέρουμε την περίπτωση του πρωτεύοντος ρυθμού όπου ο ρυθμός μετάδοσης της γραμμής είναι 2048 kb/s, ενώ ο παρεχόμενος από το ISDN είναι 1984 kb/s. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το δίκτυο κρατάει για τον εαυτό του μερικά bits. Ομοίως στο βασικό ρυθμό έχουμε 192 kb/s στη γραμμή ενώ στον χρήστη 144 kb/s. Tο σημείο αναφοράς U συνδέει τις διατάξεις περιοχής του πελάτη με τις διατάξεις περιοχής του ψηφιακού κέντρου.

Στις διατάξεις του κέντρου ανήκει η διάταξη LT (Line Termination – Tερματισμός γραμμής) και ανήκει στη γραμμή του κάθε συνδρομητή. Τη σύνδεση μεταξύ κέντρου και συνδρομητή περικλείουν από τη μια μεριά η LT και από την άλλη η ΝΤ1 μέσω του σημείου αναφοράς U. Oι ΝΤ1 και LT παρακολουθούν την ποιότητα της μετάδοσης, την προστασία από τυχόν παρεμβάσεις κλπ.

Σχήμα 6.1: Τερματικές διατάξεις και σημεία αναφοράς του δικτύου ISDN.

Σχήμα 6.2: Συνδέσεις ISDN.

Στο σχήμα 6.3 φαίνεται η βασική διάρθρωση ενός δικτύου ISDN, στο οποίο μπορούν να συνδέονται και αυτόματα ιδιωτικά συνδρομητικά κέντρα μέσω μίας ή περισσότερων διεπαφών βασικής πρόσβασης (BRA) ή μέσω μιας διεπαφής πρωτεύουσας πρόσβασης (PRA). Επίσης φαίνεται η διάρθρωση της S αρτηρίας (το όνομά της προέρχεται από το σημείο αναφοράς S), η οποία ονομάζεται και παθητική αρτηρία επειδή δεν είναι δυνατή η απ’ ευθείας επικοινωνία των τερματικών που συνδέονται σ’ αυτήν. Το επιτρεπόμενο μήκος της παθητικής συνδρομητικής αρτηρίας κυμαίνεται από 200 ως 1000 m ανάλογα με το πλήθος και τη θέση των τερματικών συσκευών σε απόσταση από το ΝΤ. Ενδεικτικά αναφέρουμε: α) για αποστάσεις μέχρι 200 m, μέχρι 8 τερματικές συσκευές β) για αποστάσεις μέχρι 500 m, μέχρι 4 τερματικές συσκευές (με την προϋπόθεση οι αποστάσεις μεταξύ τους να μην υπερβαίνουν τα 50 m) γ) για αποστάσεις μέχρι 1000 m, μόνο 1 τερματική συσκευή (σχήμα 6.4). Aπό το σχήμα αυτό παρατηρούμε επίσης ότι μπορούμε να έχουμε δύο τοπολογίες δικτύων: α) Την διασημειακή (point to point) όπου μόνο ένα τερματικό συνδέεται στο δίκτυο και β) την παθητική αρτηρία (passive bus) όπου διασυνδέονται περισσότερα τερματικά. Το είδος των τερματικών συσκευών που μπορούν να συνδεθούν στο δίκτυο ISDN μπορεί να είναι μία απλή τηλεφωνική συσκευή ή ένας Η/Υ ή ακόμη και ένα εικονοτηλέφωνο.

Σχήμα 6.3: Βασική διάρθρωση δικτύου ISDN.

Σχήμα 6.4: Σύνδεση τερματικών συσκευών στο δίκτυο ISDN.

6.4 Χαρακτηριστικές λειτουργίες των συνδέσεων με το ISDN

· Συγχρονισμός. Ένα κλασσικό πρόβλημα στη μετάδοση των τηλεπικοινωνιακών δεδομένων είναι ο συγχρονισμός, ο οποίος στα δίκτυα ISDN εξασφαλίζεται με το ρολόι που βρίσκεται στα σημεία ΝΤ. Τα τερματικά συγχρονίζονται κατά δυαδικά ψηφία (bits), κατά πλαίσια (frames) και κατά πολυπλαίσια (mullti-frames). To ρολόι κατά bits (192 kb/s) συνταξιδεύει με τα δεδομένα, το ρολόι των πλαισίων (4 kHz) μεταφέρεται με τα ζεύγη δύο χαρακτηριστικών bits του πλαισίου, ενώ το ρολόι των πολυπλαισίων (200 Ηz) μεταφέρεται με ένα bit που ονομάζεται Μ και μεταδίδεται από το ΝΤ στο τερματικό ΤΕ.

· Eνεργοποίηση – Απενεργοποίηση. Όταν δεν υπάρχει επικοινωνία μεταξύ τερματικών (ΤΕ) και δικτύου (σημεία ΝΤ), κρίνεται σκόπιμο να μην καταναλίσκουν άσκοπα ενέργεια οι συσκευές. Κάτι ανάλογο συμβαίνει με την κλασσική τηλεφωνία, όπου η κατανάλωση ενέργειας σε μια συσκευή που είναι κλειστή είναι μηδενική. Η εντολή για ενεργοποίηση δίνεται από την πλευρά του δικτύου.

· Τροφοδοσία ισχύος. Σημαντικό θέμα στο δίκτυο ISDN είναι η τροφοδοσία ισχύος των διαφόρων στοιχείων των διεπαφών ΝΤ και των τερματικών. Είναι επιθυμητό οι τερματικές συσκευές να τροφοδοτούνται από το δίκτυο, ώστε να έχουν ανεξαρτησία από την τροφοδοσία ισχύος της εγκατάστασης. Η λύση αυτή παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες ιδιαίτερα στις περιπτώσεις ταυτόχρονης σύνδεσης πολλών τερματικών στην ίδια γραμμή. Μία εναλλακτική λύση είναι, σε περιπτώσεις διακοπής της τροφοδοσίας να υπάρχει μία κατάσταση ελάχιστης εξυπηρέτησης, όπου η εγκατάσταση τροφοδοτείται είτε από το κέντρο μεταγωγής του δικτύου είτε μέσω εφεδρικών μπαταριών που βρίσκονται στο ΝΤ.

· Κατανάλωση ισχύος. Η μειωμένη κατανάλωση της εγκατάστασης επιτυγχάνεται περιορίζοντας τον αριθμό των τερματικών καθώς και την κατανάλωση ισχύος των τερματικών. Αυτό επιτυγχάνεται με την αλλαγή της πολικότητας της τάσης στα τερματικά. Στην περίπτωση αυτή μπορούν πλέον να εργάζονται μόνο τα τερματικά που έχουν τη δυνατότητα να τροφοδοτούνται με ανάστροφη πολικότητα και ονομάζονται τερματικά ελάχιστης εξυπηρέτησης. Οι τιμές της τάσης που προδιαγράφονται για την τροφοδοσία από το ΝΤ έχουν ονομαστική τιμή 40 V για την κανονική και την μειωμένη εξυπηρέτηση, ενώ οι τιμές ισχύος είναι 1W και 0,42W αντίστοιχα. Αυτές οι τιμές ισχύουν για την περίπτωση όπου η τροφοδοσία του τερματικού γίνεται μέσω των ιδίων καλωδίων που περνούν τα δεδομένα. Στην περίπτωση τροφοδοσίας μέσω εφεδρικού ζεύγους καλωδίων οι τιμές τάσης είναι οι ίδιες, ενώ οι τιμές της ισχύος αυξάνουν σε 7W για την κανονική και 2W για την ελάχιστη εξυπηρέτηση.

6.5 Προβλήματα κατά τη μετάδοση δεδομένων

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η υλοποίηση του δικτύου ISDN γίνεται μέσω του ήδη υπάρχοντος τηλεφωνικού δικτύου το οποίο δεν είναι ψηφιακό. Επομένως, συνυπάρχουν στο ίδιο μέσον τόσο αναλογικά όσο και ψηφιακά σήματα. Επίσης, πολλοί παράγοντες του αναλογικού δικτύου επηρεάζουν την ψηφιακή μετάδοση. Το «κουδούνισμα» (σήμα υψηλής στάθμης που αποστέλλεται από το κέντρο μεταγωγής στην τηλεφωνική συσκευή), είναι βασική πηγή και οι διατάξεις μεταγωγής είναι άλλες βασικές πηγές ενόχλησης των ψηφιακών σημάτων. Αυτή η ενόχληση μεταφράζεται σε σφάλματα κατά τη μετάδοση δεδομένων.

Σημαντικές δυσκολίες στην υλοποίηση του ISDN προβάλλει και το υφιστάμενο ακραίο καλωδιακό δίκτυο. Τέτοιες είναι: α) η δυσκολία πρόσθεσης στα ήδη εγκατεστημένα καλώδια των απαραίτητων για την ψηφιακή μετάδοση αναγεννητών (regenerators). β) Η απαίτηση για αμφίδρομη μετάδοση δεδομένων, ενώ διατίθεται ένα μόνο ζεύγος καλωδίων σε κάθε συνδρομητή γ) Η ποικιλία των σημερινών καλωδιώσεων από άποψη μήκους, διάμετρο καλωδίου, είδος καλωδίου.

6.6 Υπηρεσίες του ISDN

Oι υπηρεσίες που παρέχει το ISDN διακρίνονται σε δύο κατηγορίες:

· Bασικές Υπηρεσίες

· Συμπληρωματικές Υπηρεσίες

6.6.1 Βασικές υπηρεσίες

Οι βασικές υπηρεσίες διακρίνονται σε:

α) Yπηρεσίες φορέα (bearer services)

β) Tηλεϋπηρεσίες (teleservices)

α) Υπηρεσίες φορέα

Οι υπηρεσίες φορέα είναι τέσσερις, οι τρεις πρώτες αναφέρονται σε λειτουργίες μεταγωγής κυκλώματος (τηλεφωνικές κλήσεις) και η τέταρτη σε λειτουργίες μεταγωγής πακέτων (μεταφορά δεδομένων). Μία υπηρεσία φορέα σε τεχνικό επίπεδο, χαρακτηρίζεται από την «ικανότητα του φορέα» και καθορίζει τις απαιτήσεις του δικτύου μετάδοσης/μεταγωγής σε ταχύτητα, ικανότητα και τρόπο μετάδοσης/μεταγωγής για τη συγκεκριμένη κλήση για τη συγκεκριμένη επικοινωνία. Η υπηρεσία φορέα δεν είναι εκείνη που πραγματοποιεί συνδέσεις μεταξύ ISDN τερματικών. Αυτός ο ρόλος ανήκει αποκλειστικά στις τηλεϋπηρεσίες.

β) Τηλεϋπηρεσίες

Οι τηλεϋπηρεσίες που παρέχονται από ένα ISDN δίκτυο είναι οι εξής:

1. Τηλεφωνία 3,1 kHz. Eίναι η γνωστή τηλεφωνία εύρους 3.1 kHz, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται ειδικές τηλεφωνικές συσκευές ISDN ή ακόμη και συμβατικές, συνδεόμενες στην αρτηρία S του πελάτη μέσω του ειδικού τερματικού προσαρμογέα (terminal adaptor–TA). Εξασφαλίζει την επικοινωνία φωνής, ενώ το ψηφιακοποιημένο σήμα ακολουθεί τους διεθνώς τυποποιημένους τρόπους κωδικοποίησης, αποκωδικοποίησης και επεξεργασίας της φωνής (π.χ. καταστολή ηχούς). Η ωφέλιμη πληροφορία για τον χρήστη μεταδίδεται μέσα από ένα Β κανάλι, ενώ η ανταλλαγή σηματοδοσίας γίνεται μέσω του D καναλιού.

2. Τηλεφωνία 7 kHz. Η υπηρεσία αυτή δίνει τη δυνατότητα στον χρήστη να πραγματοποιήσει επικοινωνία φωνής και γενικότερα ήχου (π.χ. μουσικής) υψηλότερης πιστότητας απ’ ότι η προηγούμενη υπηρεσία, αφού χρησιμοποιεί υπερδιπλάσιο εύρος συχνοτήτων (7 kHz). Η ωφέλιμη πληροφορία για τον χρήστη μεταδίδεται μέσα από ένα Β κανάλι, ενώ η ανταλλαγή σηματοδοσίας γίνεται μέσω του D καναλιού.

3. Τηλεομοιοτυπία (fax group 2/3). Eξασφαλίζει τη δυνατότητα ανταλλαγής μηνυμάτων fax (τηλεομοιοτυπίας) μεταξύ τερματικών με το γνωστό και από την απλή τηλεφωνία τρόπο (αξιοποίηση της ζώνης 3.1 kHz audio και μετάδοση της πληροφορίας εικόνας / κειμένου με τη βοήθεια modems). Για την αποστολή μιας σελίδας Α4 απαιτείται χρόνος 1-3 min. H συσκευή fax group 2/3 συνδέεται στην S αρτηρία του πελάτη μέσω του ΤΑ. Η ωφέλιμη πληροφορία για τον χρήστη μεταδίδεται μέσα από ένα Β κανάλι, ενώ η ανταλλαγή σηματοδοσίας γίνεται μέσω του D καναλιού.

4. Τηλεομοιοτυπία (fax group 4). Πρόκειται για πλήρως ψηφιακή υπηρεσία τηλεομοιοτυπίας ISDN πολύ μεγαλύτερης ταχύτητας και αξιοπιστίας από την προηγούμενη. Για την αποστολή μιας σελίδας Α4 απαιτείται χρόνος εντυπωσιακά μικρότερος από εκείνον του fax group 3, της τάξεως των 8-10 sec. Η ωφέλιμη πληροφορία για τον χρήστη μεταδίδεται μέσα από ένα Β κανάλι, ενώ η ανταλλαγή σηματοδοσίας γίνεται μέσω του D καναλιού.

5. Εικονοτηλεφωνία. Πρόκειται για το γνωστό εικονοτηλέφωνο με το οποίο ο πελάτης έχει την ευκολία (φωνής και εικόνας) να μιλά και να βλέπει τον συνομιλητή του όπου και αν βρίσκεται, αρκεί να έχει και ο άλλος το ανάλογο τερματικό. Η εικονοτηλεφωνία είναι μία από τις βασικές υπηρεσίες του δικτύου και η βάση για τις περισσότερες από τις εφαρμογές του (εικονοδιάσκεψη, τηλεϊατρική, τηλεεργασία κλπ.). Σήμερα διατίθενται οι εξής συσκευές εικονοτηλεφωνίας: α) μικρού μεγέθους εικονοτηλέφωνα για προσωπική χρήση β) μεσαίου μεγέθους εικονοτηλέφωνα για εικονοδιάσκεψη ολιγομελών ομάδων (μέχρι 3 άτομα) γ) μεγάλα εικονοτηλέφωνα (με μία ή δύο μεγάλες οθόνες) για εξυπηρέτηση πελατών με αυξημένες απαιτήσεις επικοινωνίας και ειδικών χώρων τηλεδιάσκεψης (π.χ. παρουσιάσεις πολλών ατόμων και συγχρόνως δεδομένων, πολυδιασκέψεις, κλπ.). Τα εικονοτηλέφωνα απαιτούν στη χρήση τους μία βασική πρόσβαση (δηλαδή 2Β κανάλια, ένα για φωνή και ένα για εικόνα και σηματοδοσία μέσω του D καναλιού). Αυτό σημαίνει ότι σε περίπτωση λειτουργίας εικονοτηλεφώνου δεν υπάρχει δυνατότητα λειτουργίας και δεύτερης τερματικής διάταξης.

6. Τηλεκειμενογραφία. Πρόκειται για μια ταχύτερη επικοινωνία, TELEX, όπου έχουμε γρήγορη επικοινωνία κειμένου μεταξύ τερματικών, στην οποία χρησιμοποιούνται συγκεκριμένοι κώδικες χαρακτήρων και πρωτόκολλα επικοινωνίας. Με μια τυπική ταχύτητα 2,4 kb/s η μετάδοση μιας σελίδας Α4 γίνεται σε 8 sec. Η ωφέλιμη πληροφορία για τον χρήστη μεταδίδεται μέσα από ένα Β κανάλι, ενώ η ανταλλαγή σηματοδοσίας γίνεται μέσω του D καναλιού.

6.6.2 Συμπληρωματικές υπηρεσίες

Μία συμπληρωματική υπηρεσία λειτουργεί σε συνεργασία με μία από τις βασικές υπηρεσίες. Οι συμπληρωματικές υπηρεσίες που παρέχονται από το δίκτυο ISDN είναι οι εξής:

1. Παρουσίαση ταυτότητας καλούντος συνδρομητή. Με την υπηρεσία αυτή μπορούμε να βλέπουμε στην οθόνη της συσκευής μας τον αριθμό του συνδρομητή που μας καλεί μαζί με τον κωδικό της περιοχής του. Αυτό ισχύει και στην περίπτωση που η κλήση υφίσταται μία ή περισσότερες εκτροπές κατά την πορεία της, οπότε στο κέντρο του τελικού καλούμενου φθάνουν και οι ενδιάμεσοι αριθμοί και ανάλογα με τη συσκευή του εμφανίζονται στην οθόνη του.

2. Απόκρυψη ταυτότητας καλούντος συνδρομητή. Η υπηρεσία αυτή δίνει στον συνδρομητή τη δυνατότητα, όταν καλεί, να μην παρουσιάζεται ο αριθμός του στην οθόνη της συσκευής του καλουμένου.

3. Διεπιλογή DDI (Direct Dialling Interface). H λειτουργία της συνίσταται στο ότι ένας συνδρομητής ISDN, ο οποίος διαθέτει όμως απαραίτητα ένα αυτόματο δευτερεύον κέντρο ISDN, μπορεί να κληθεί από άλλον συνδρομητή (όχι κατ’ ανάγκη ISDN) σε κάποιες ή όλες από τις εσωτερικές του γραμμές απ’ ευθείας, χωρίς την παρεμβολή τηλεφωνήτριας. Η υπηρεσία αυτή αν και περιλαμβάνεται στις συμπληρωματικές υπηρεσίες του ISDN, δεν αποτελεί καινοτομία του ISDN.

4. Πληροφορίες χρέωσης. Η υπηρεσία αυτή δίνει στον συνδρομητή τη δυνατότητα να βλέπει στην οθόνη του τη χρέωση των κλήσεων που πραγματοποιεί. Αυτό μπορεί να γίνει στη φάση της αποκατάστασης, της διεξαγωγής ή ακόμα και στο τέλος της κλήσης.

5. Πολλαπλός συνδρομητικός αριθμός. Η υπηρεσία αυτή απευθύνεται σε συνδρομητές που επιθυμούν να έχουν περισσότερους του ενός και όχι απαραίτητα συνεχόμενους συνδρομητικούς αριθμούς. Έτσι δίνεται η δυνατότητα για επιλεκτική σύνδεση με κάθε τερματική συσκευή. Είναι δυνατόν περισσότεροι του ενός συνδρομητικοί αριθμοί να χαρακτηρίζουν μία μόνο συσκευή, όπως επίσης επιτρέπεται ένας συνδρομητικός αριθμός να παραχωρηθεί σε περισσότερες της μίας τερματικές συσκευές.

6. Φορητότητα τερματικού. Η υπηρεσία αυτή απευθύνεται μόνο σε συνδρομητές με βασική πρόσβαση (BRA), επιτρέποντας στον χρήστη να θέτει μία κλήση σε αναμονή και να την μεταφέρει σε μία άλλη τερματική συσκευή. Επίσης μπορεί την ίδια συσκευή, σε περίπτωση που αυτή πρέπει να αποσυνδεθεί από την αρχική της θέση και να επανασυνδεθεί σε άλλη θέση (πρίζα) της ίδιας γραμμής ISDN, να την μεταφέρει χωρίς απόλυση της κλήσης. Η φορητότητα τερματικού προσφέρεται επίσης όταν μία κλήση πρέπει να ανασταλεί προσωρινά και να ενεργοποιηθεί αργότερα από την ίδια τερματική συσκευή (μέγιστος χρόνος αναμονής 2-15 min).

7. Κλειστή ομάδα χρηστών. Η υπηρεσία αυτή επιτρέπει στους συνδρομητές της να δημιουργούν κλειστές ομάδες, όπου ισχύουν συγκεκριμένοι περιορισμοί στην επικοινωνία τόσο μεταξύ των μελών της, όσο και εκτός ομάδας.

8. Παρουσίαση ταυτότητας συνδεδεμένου αριθμού. Με την υπηρεσία αυτή ο καλών συνδρομητής ενημερώνεται για τον αριθμό του συνδρομητή με τον οποίο συνομιλεί (δηλαδή για τον καταληκτικό αριθμό της κλήσης που πραγματοποίησε). Έτσι είναι ενήμερος για ενδεχόμενη εκτροπή της κλήσης του σε άλλο ISDN.

9. Απαγόρευση παρουσίασης ταυτότητας συνδεδεμένου αριθμού. Κάνοντας χρήση της υπηρεσίας αυτής, ο συνδρομητής της όταν καλείται, απαγορεύει τη μεταβίβαση και απεικόνιση του συνδρομητικού του αριθμού στην ΙSDN συσκευή του καλούντος. Η συγκεκριμένη υπηρεσία μπορεί να είναι μόνιμα ενεργοποιημένη ή να παρέχεται με δυνατότητα επιλεκτικής ενεργοποίησης – απενεργοποίησής της, κατά την αποκατάσταση της εκάστοτε κλήσης σύμφωνα με την επιθυμία του συνδρομητή της. Ένα παράδειγμα χρησιμότητας της υπηρεσίας αυτής έχουμε στην περίπτωση εκτροπής, όταν δηλαδή ο καλούμενος έχει εκτρέψει τη συσκευή του γραφείου του στη συσκευή του σπιτιού του, δεν θέλει όμως αυτοί που τον καλούν να το καταλάβουν.

10. Σηματοδοσία μεταξύ χρηστών. Με την υπηρεσία αυτή ένας ISDN συνδρομητής μπορεί να στείλει ή να λάβει γραπτά μηνύματα περιορισμένου μεγέθους καθ’ όλη τη διάρκεια της σύνδεσής του με άλλον συνδρομητή ISDN.

11. Υποδιευθυνσιοδότηση. Με την υπηρεσία αυτή δίνεται η δυνατότητα στον ΙSDN συνδρομητή, όταν καλείται, να επεκτείνει την αριθμοδότησή του πέραν του κανονικού αριθμού που του έχει παραχωρηθεί με έναν συμπληρωματικό δευτερεύοντα αριθμό (υποδιεύθυνση). Έτσι, κάθε τερματική συσκευή (π.χ. τηλέφωνο 1, τηλέφωνο 2, fax κ.ά.) μπορεί να κληθεί απ’ έξω ξεχωριστά, καλώντας πρώτα τον βασικό ISDN αριθμό και στη συνέχεια τον διψήφιο ή τριψήφιο αριθμό της συσκευής.

12. Συγκράτηση κλήσης και θέσης σε αναμονή. Αυτή η υπηρεσία δίνει τη δυνατότητα στον συνδρομητή ISDN, είτε έχει καλέσει είτε έχει κληθεί, να βάλει σε αναμονή τον συνομιλητή του και να καλέσει κάποιον άλλον. Στη συνέχεια μπορεί να επανέρχεται μία στον έναν και μία στον άλλον, καθώς και να απολύσει όποιον από τους δύο θέλει, συνεχίζοντας τη συνομιλία του με τον άλλον.

13. Ένδειξη αναμονής κλήσης. Με την υπηρεσία αυτή ο συνδρομητής κάθε φορά που γίνεται αποδέκτης μιας κλήσης, ενώ δεν έχει διαθέσιμο επικοινωνιακό κανάλι, ειδοποιείται με ηχητικό σήμα ή οπτική ένδειξη στην οθόνη της συσκευής του και έχει τη δυνατότητα να αποδεχθεί την κλήση, να τη θέσει σε αναμονή ή να την απορρίψει.

14. Άμεση εκτροπή κλήσης. Η υπηρεσία αυτή δίνει τη δυνατότητα στο συνδρομητή, ανεξάρτητα από την κατάσταση της τηλεφωνικής του σύνδεσης (κατειλημμένη – ελεύθερη), να ενημερώσει το δημόσιο δίκτυο ότι επιθυμεί την αναδρομολόγηση των εισερχομένων κλήσεων σε κάποιο άλλο νούμερο. Η εξερχόμενη κίνηση δεν επηρεάζεται από την ενεργοποίηση της συγκεκριμένης υπηρεσίας.

15. Εντοπισμός κακόβουλων κλήσεων. Με την υπηρεσία αυτή παρέχεται η δυνατότητα αναγνώρισης και καταγραφής κλήσεων που δέχεται ο συνδρομητής, με σχετική εκτύπωση που γίνεται στο κέντρο του ΟΤΕ ή άλλης εταιρείας, που είναι συνδεδεμένος. Σε κάθε καταγραφή αναφέρονται ο συνδρομητικός αριθμός του καλούντος και τα επιπλέον ψηφία που υποστηρίζονται σε περίπτωση υποδιευθυνσιοδότησης, ο καλούμενος αριθμός, καθώς και η ημερομηνία και η τοπική ώρα πραγματοποίησης της κλήσης.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7^Ο:

ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΑΤΜ

7.1 Η προοπτική των ευρυζωνικών δικτύων

Η αύξηση των πληροφοριών που διακινούνται από τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα ενισχύεται από:

· Tην αύξηση του όγκου της παραγόμενης πληροφορίας.

· Την αύξηση του ποσοστού της διακινούμενης με ηλεκτρονικά μέσα πληροφορίας.

· Την απαίτηση για καλύτερη ποιότητα και αξιοπιστία.

· Τη γεωγραφική διασπορά των σημείων προέλευσης και των σημείων αξιοποίησης της πληροφορίας.

H ανάγκη αυτή αντιμετωπίζεται κυρίως με την αύξηση της χωρητικότητας των φυσικών φορέων και τη συμπίεση του όγκου της διακινούμενης πληροφορίας. Παράλληλα όμως, η ανάγκη απλοποίησης των δικτύων, τόσο από άποψη διαχείρισης όσο και από άποψη οικονομίας κλίμακας, οδηγεί στην ενοποίησή τους.

Ο ασύγχρονος τρόπος μετάδοσης (Asynchronous Transfer Mode – ATM) θεωρείται σήμερα ως ο κυρίαρχος τρόπος μεταγωγής και διασύνδεσης για τα επερχόμενα ευρυζωνικά δημόσια δίκτυα. Το ATM παρέχει μεγάλη και ευέλικτη χωρητικότητα, εξυπηρέτηση διαφόρων υπηρεσιών από ένα ενοποιημένο δίκτυο και καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του δικτύου, με την εκμετάλλευση της στατιστικής φύσεως της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Για τον χρήστη ιδιαίτερα, το ATM εξασφαλίζει μεγάλη οικονομικότητα, αφού του επιτρέπει να δεσμεύει το δίκτυο μόνο για τον χρόνο που το χρησιμοποιεί και όχι σε μόνιμη βάση.

Τα χαρακτηριστικά των τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών που επηρεάζουν την απόφαση για υποστήριξή τους από ένα δίκτυο ΑΤΜ είναι τα εξής:

· Aπαιτούμενο εύρος ζώνης.

· Μετάδοση κατά ριπές (burstness).

· Όγκος διακινούμενης πληροφορίας.

· Απαιτούμενη ευελιξία.

7.2 Πρωτόκολλα ΑΤΜ

Στην παράγραφο αυτή δίνεται μία ανάπτυξη, τόσο της φιλοσοφίας, όσο και των εννοιών του Ασύγχρονου Τρόπου Μετάδοσης, με έμφαση στην ανάλυση κατά στρώματα και σχετικά λεπτομερής περιγραφή του στρώματος προσαρμογής ΑΤΜ, δηλαδή του ΑΑL.

7.2.1 Μοντέλο αναφοράς πρωτοκόλλων ΑΤΜ

Το μοντέλο αναφοράς πρωτοκόλλων (Protocol Reference Model) του δικτύου ΑΤΜ είναι τρισδιάστατο (σχήμα 7.1) και αποτελείται από το Επίπεδο Διαχείρισης (Μanagement Plane), το Επίπεδο Ελέγχου (Control Plane) και το Επίπεδο του Χρήστη (User Plane).

Σχήμα 7.1: Moντέλο αναφοράς πρωτοκόλλων του ΑΤΜ.

Οι χρήσεις τους είναι οι εξής:

· To επίπεδο του χρήστη είναι αναγκαίο για τη μεταφορά πληροφοριών του χρήστη μέσω του δικτύου, καθώς και λειτουργίες ελέγχου, όπως έλεγχος ροής και διόρθωση σφαλμάτων.

· Το επίπεδο του ελέγχου είναι αναγκαίο για τη μεταφορά πληροφοριών σηματοδοσίας, δηλαδή παρέχει λειτουργίες αποκατάστασης της κλήσης και ελέγχου της σύνδεσης (επίβλεψη της κλήσης και απόλυσή της). Αυτό ονομάζεται και «σηματοδοσία εκτός του εύρους ζώνης» (out-of-band signalling).

· Το επίπεδο της διαχείρισης είναι αναγκαίο για τη διατήρηση των λειτουργιών του δικτύου. Ειδικότερα αυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση των άλλων επιπέδων. Το επίπεδο διαχείρισης υποδιαιρείται επιπλέον στη διαχείριση των επιπέδων (Plane Management) και στη διαχείριση των στρωμάτων (Layer Management).

To καθένα από τα επίπεδα του χρήστη και του ελέγχου αποτελείται από το φυσικό (physical) στρώμα, το ΑΤΜ στρώμα, το ΑΑL στρώμα και από τα ανώτερα στρώματα (upper layers).

To φυσικό στρώμα παρέχει τις λειτουργίες (functions) του φυσικού μέσου και της μετάδοσης, δηλαδή μεταφέρει πληροφορίες, το στρώμα ΑΤΜ παρέχει τις λειτουργίες μεταφοράς της κλήσης για όλες τις υπηρεσίες, δηλαδή ασχολείται με τη μεταγωγή και πολυπλεξία των ΑΤΜ πακέτων και το στρώμα AAL παρέχει λειτουργίες προσαρμογής, εξαρτώμενες από το είδος της υπηρεσίας που τελικά παρέχεται από τα ανώτερα στρώματα στον χρήστη.

Το ΑΤΜ στρώμα είναι ανεξάρτητο από το φυσικό μέσο που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά των ΑΤΜ πακέτων και συνεπώς και από το φυσικό στρώμα. Εδώ αναπτύσσεται η ιδέα του νοητού καναλιού (Virtual Channel–VC). To ATM είναι μία τεχνική προσανατολισμένη σε συνδέσεις. Η ιδέα του VC, αναφέρεται στη μεταφορά των ΑΤΜ πακέτων σε καθορισμένη κατεύθυνση και συσχετίζονται με μία μοναδιαία τιμή του δείκτη νοητού καναλιού (Virtual Channel Identifier – VCI). Ομοίως ορίζεται και η ιδέα του νοητού μονοπατιού (Virtual Path) σαν ένα σύνολο από VCs. Σε επέκταση της έννοιας των VCI, στο VP υπάρχει και ο δείκτης του νοητού μονοπατιού (Virtual Path Identifier – VPI).

Το ανώτερο στρώμα του επιπέδου του χρήστη παρέχει λειτουργίες διαχείρισης της πληροφορίας της παρεχόμενης υπηρεσίας και το ανώτερο στρώμα του επιπέδου ελέγχου παρέχει λειτουργίες που σχετίζονται με τον έλεγχο της κλήσης και της σύνδεσης.

Oι λειτουργίες της διαχείρισης των επιπέδων επιτελούν τη διαχείριση ολόκληρου του δικτύου, με ρόλο «διαιτητή» μεταξύ των επιπέδων, ενώ οι λειτουργίες της διαχείρισης των στρωμάτων σχετίζονται με τις λειτουργίες διαχείρισης των παραμέτρων και των πόρων σε κάθε ανεξάρτητη οντότητα (π.χ. τερματικό) και διαχειρίζονται τη ροή των πληροφοριών κάθε στρώματος.

Το ΑΑL στρώμα επαυξάνει την εξυπηρέτηση που προσφέρει το ΑΤΜ στρώμα σύμφωνα πάντοτε με τις απαιτήσεις των ειδικών υπηρεσιών. Αυτές οι υπηρεσίες μπορεί να περιλαμβάνουν υπηρεσίες για τον χρήστη καθώς και λειτουργίες ελέγχου και διαχείρισης.

7.2.2 Στρώμα ΑΑL

Το στρώμα ΑΑL βρίσκεται μεταξύ του στρώματος ΑΤΜ και των ανώτερων στρωμάτων των υπηρεσιών του χρήστη (σχήμα 7.1). Ο σκοπός του είναι να επιλύει κάθε διαφορά μεταξύ των υπηρεσιών που προσφέρονται από το στρώμα ΑΤΜ και των υπηρεσιών που ζητούνται από τον χρήστη, γι αυτό και αποκαλείται στρώμα προσαρμογής. Το στρώμα ΑΑL διαχειρίζεται τα λάθη μετάδοσης, τις χαμένες και τις λάθος δρομολογημένες κυψέλες καθώς και τις κυψέλες που περιέχουν λάθη. Επίσης, παρέχει λειτουργίες ελέγχου ροής προκειμένου να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service – QoS) του χρήστη και λειτουργίες ελέγχου χρονισμού για την επαναδόμηση του σήματος του χρήστη.

7.2.3 Στρώμα ΑΤΜ

Το στρώμα ΑΤΜ, προς την κατεύθυνση της εκπομπής, χρησιμοποιεί τις πληροφορίες που λαμβάνει από το υψηλότερο στρώμα και από το επίπεδο διαχείρισης, δημιουργεί την επικεφαλίδα και την ενσωματώνει στο πεδίο πληροφοριών του χρήστη που έρχεται από το στρώμα ΑΑL. Έτσι δημιουργεί την ΑΤΜ κυψέλη, την οποία στη συνέχεια στέλνει προς το φυσικό στρώμα. Στην κατεύθυνση της λήψεως, οι κυψέλες έρχονται από το φυσικό στρώμα και αποδομούνται στην επικεφαλίδα, την οποία επεξεργάζεται το στρώμα ΑΤΜ και στο πεδίο των πληροφοριών του χρήστη το οποίο αποστέλλεται στο στρώμα ΑΑL.

H δομή της κυψέλης φαίνεται στο σχήμα 7.2. Μία κυψέλη ΑΤΜ αποτελείται από 53 οκτάδες και χωρίζεται σε δύο μέρη:

· Την επικεφαλίδα (Ηeader) που αποτελείται από 5 οκτάδες.

· Το ωφέλιμο φορτίο (Payload) που μεταφέρεται σαν πληροφορία στο αμέσως ανώτερο στρώμα και αποτελείται από 48 οκτάδες.

Η επικεφαλίδα διαχωρίζεται σε ξεχωριστά πεδία: GFC (Generic flow Control), VPI (Virtual Path Identifier), VCI (Virtual Channel Identifier), PT (Payload Type), RES (Reserved Field), CLP (Cell Loss Priority) και HEC (Header Error Control). Το μήκος των πεδίων αυτών διαφέρει στις διεπαφές χρήστη – δικτύου (User – Network Interface, UNI) και δικτύου – δικτύου (Νetwork – Network Interface, NNI), όπως φαίνεται στα σχήματα 7.3 (β) & (γ). Στην επικεφαλίδα καθορίζεται η ταυτότητα κάθε κυψέλης, με την οποία μπορεί να γίνεται ο προσδιορισμός της μέσα σε μία ακολουθία κυψελών που ανήκουν σε διαφορετικές ζεύξεις, προκειμένου το δίκτυο ΑΤΜ να δρομολογήσει κάθε κυψέλη στον προορισμό της. Η ταυτότητα της κυψέλης προσδιορίζεται από την τιμή του VPI / VCI και με βάση αυτή γίνεται η δρομολόγησή της.

Σχήμα 7.2: Κυψέλη ΑΤΜ. Οι πρώτες 5 οκτάδες είναι η επικεφαλίδα και οι υπόλοιπες 48 το ωφέλιμο φορτίο.

Σχήμα 7.3: (α) Δομή της κυψέλης ΑΤΜ. (β) Η δομή της επικεφαλίδας στη διεπαφή UNI

(γ) Η δομή της επικεφαλίδας στη διεπαφή ΝΝΙ.

Οι ταυτότητες των κυψελών που μεταφέρονται από την ίδια ζεύξη ΑΤΜ είναι ίδιες με την ταυτότητα της ζεύξεως. Κάθε φορά που μία κυψέλη περνά από έναν κόμβο του δικτύου, η ταυτότητά της αλλάζει. Ο κύριος σκοπός του πεδίου GFC είναι ο έλεγχος της φυσικής πρόσβασης. Το πεδίο PT χρησιμοποιείται για να δηλώσει αν το ωφέλιμο φορτίο περιέχει πληροφορίες του χρήστη ή αν περιέχει πληροφορίες του δικτύου. Επίσης, χρησιμοποιείται για να δείξει αν η συγκεκριμένη κυψέλη έχει επηρεασθεί από συμφόρηση της κίνησης, δηλαδή αν έχει περάσει από στοιχείο του δικτύου που παρουσίασε συμφόρηση. Το πεδίο ενός bit CLP χρησιμοποιείται για να ορίσει την προτεραιότητα της κυψέλης. Σε περίπτωση συμφόρησης, οι κυψέλες με χαμηλή προτεραιότητα απορρίπτονται από το δίκτυο. Το πεδίο HEC είναι ένα byte κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check – CRC) που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των λαθών, μόνο των bits της επικεφαλίδας και όχι του ωφέλιμου φορτίου. Μπορεί να κάνει διόρθωση σφάλματος σε ένα μόνο bit ή να ανιχνεύσει λάθη σε πολλά bits.

7.3 Λειτουργίες του στρώματος ΑΤΜ

Το στρώμα ΑΤΜ εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:

· Γενικό έλεγχο ροής στη διεπαφή UNI. H λειτουργία αυτή πραγματοποιείται στις τερματικές συσκευές και στους προσαρμογείς τερματικών.

· Δημιουργία/εξαγωγή της επικεφαλίδας. Η λειτουργία αυτή πραγματοποιείται στους τερματισμούς (προς το μέρος του στρώματος ΑΑL) των στρωμάτων ΑΤΜ και αφορά στη δημιουργία ή στην εξαγωγή των πρώτων τεσσάρων οκτάδων της επικεφαλίδας. Για την παραγωγή της κυψέλης, οι σχετικές πληροφορίες που έρχονται από το ανώτερο στρώμα απεικονίζονται στα αντίστοιχα πεδία, ενώ το αντίστροφο επιτελείται κατά τη διαδικασία εξαγωγής της επικεφαλίδας. Η λειτουργία αυτή πραγματοποιείται στις τερματικές συσκευές και στους προσαρμογείς τερματικών, ενώ για τα σήματα σηματοδοσίας και διαχείρισης, πραγματοποιείται στους κόμβους του δικτύου.

· Απεικόνιση των VPI/VCI της κυψέλης. Η λειτουργία αυτή επιτελείται στους κόμβους του δικτύου και ο ρόλος της είναι να αντικαταστήσει τις τιμές που είναι τοποθετημένες στα πεδία VPI και VCI κάθε επικεφαλίδας, με νέες τιμές VPI και VCI. O κόμβος (ΑΤΜ cross–connect) διαβάζει και τροποποιεί μόνο το VPI, αφήνοντας αμετάβλητο το VCI, ενώ το κέντρο (ATM switch), που θα ετοιμασθεί αργότερα, θα διαβάζει και θα τροποποιεί το VCI και θα τερματίζει το VPI. Με βάση την απεικόνιση αυτή γίνεται και η δρομολόγηση της κυψέλης μέσα στον κόμβο ή το κέντρο.

· Πολυπλεξία/αποπολυπλεξία κυψελών. Αυτή η λειτουργία παρέχει τη δυνατότητα πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας ΑΤΜ κυψελών που έχουν διαφορετικές τιμές VPI/VCI για τη δημιουργία μιας ενοποιημένης ροής κυψελών και επιτελείται στα δημόσια στοιχεία πρόσβασης (πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες κλπ.), στους κόμβους και τα κέντρα.

7.4 Φυσικό στρώμα

Η κύρια λειτουργία του φυσικού στρώματος είναι να συγκεντρώσει και να οργανώσει τις ΑΤΜ κυψέλες που προέρχονται από το ΑΤΜ στρώμα, να τις μεταφέρει στο φυσικό μέσον και να τις μεταδώσει στο άλλο άκρο της φυσικής σύνδεσης, εκτελώντας φυσικά και την αντίστροφη διαδικασία. Το φυσικό στρώμα μεταφέρει ανεξάρτητες κυψέλες ή δομεί τις κυψέλες μέσα σε πλαίσια μετάδοσης. Το φυσικό στρώμα υποδιαιρείται σε δύο υποστρώματα:

· To υπόστρωμα σύγκλισης της μετάδοσης.

· Το υπόστρωμα φυσικού μέσου.

7.4.1 Λειτουργίες υποστρώματος σύγκλισης και μετάδοσης

· Λειτουργία αποσύζευξης του ρυθμού των κυψελών

Η λειτουργία αυτή, κατά τη φορά εκπομπής, προσθέτει κενές κυψέλες (δηλαδή κυψέλες των οποίων το ωφέλιμο φορτίο δεν περιέχει πληροφορίες του χρήστη) και προσαρμόζει τον ολικό ρυθμό των κυψελών σε εκείνον που αντιστοιχεί στη χωρητικότητα του ωφέλιμου φορτίου του πλαισίου μετάδοσης. Κατά τη φορά της λήψης, οι κενές κυψέλες απορρίπτονται.

· Λειτουργία επιβεβαίωσης και παραγωγής του σήματος HEC

Kατά τη φορά εκπομπής, υπολογίζεται η ακολουθία HEC και τοποθετείται στο κατάλληλο πεδίο της επικεφαλίδας της κυψέλης. Κατά τη φορά της λήψεως, ελέγχεται αν η επικεφαλίδα περιέχει το πολύ ένα λάθος το οποίο και διορθώνεται, ενώ αν υπάρχουν περισσότερα του ενός λάθη, η κυψέλη απορρίπτεται.

· Λειτουργία ανίχνευσης κυψέλης

Η λειτουργία αυτή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των ορίων της κυψέλης κατά τη λήψη. Κατά την εκπομπή, οι κυψέλες ΑΤΜ απλώς υπόκεινται σε πολύπλεξη. Κατά την λήψη, τα όρια της κυψέλης προσδιορίζονται και επιβεβαιώνονται και η ροή των κυψελών υπόκειται σε απο-πολύπλεξη. Η μηχανισμός προσδιορισμού των ορίων των κυψελών γίνεται κυρίως όταν οι κυψέλες αποστέλλονται μόνες τους και όχι εντεταγμένες σε κάποιο πλαίσιο μετάδοσης.

· Λειτουργία προσαρμογής στο πλαίσιο μετάδοσης

Η λειτουργία αυτή περιλαμβάνει κατά την εκπομπή, την ένταξη των ΑΤΜ κυψελών στο ωφέλιμο φορτίο ενός πλαισίου μετάδοσης και κατά τη λήψη, την εξαγωγή των κυψελών από ένα τέτοιο πλαίσιο.

· Λειτουργία δημιουργίας και εξαγωγής του πλαισίου μετάδοσης

Η λειτουργία αυτή περιλαμβάνει τη δημιουργία (κατά την εκπομπή) και την εξαγωγή (κατά τη λήψη) του πλαισίου μετάδοσης και δεν χρειάζεται όταν οι κυψέλες αποστέλλονται μόνες τους οπότε δεν είναι ενταγμένες σε κάποιο πλαίσιο μετάδοσης.

7.4.2 Λειτουργίες υποστρώματος φυσικού μέσου

· Λειτουργία χρονισμού bits

H λειτουργία αυτή περιλαμβάνει την εισαγωγή και εξαγωγή των πληροφοριών χρονισμού των bits και του κώδικα γραμμής αν απαιτείται.

· Λειτουργία φυσικού μέσου

Η λειτουργία αυτή σχετίζεται με το χρησιμοποιούμενο φυσικό μέσον. Για παράδειγμα, στην οπτική μετάδοση, σχετίζεται με τη λειτουργία της οπτικής ίνας, της φωτοπηγής (laser ή LED), του φωτοφωρατή και του οπτικού συνδετήρα.

7.5 Δίκτυο μεταφοράς ΑΤΜ

Το δίκτυο μεταφοράς ΑΤΜ αποτελείται από δύο στρώματα, το στρώμα ΑΤΜ και το φυσικό στρώμα. Οι λειτουργίες μεταφοράς του στρώματος ΑΤΜ υποδιαιρούνται σε δύο επίπεδα το VC (Virtual Channel) επίπεδο και το VP (Virtual Path) επίπεδο. Οι λειτουργίες μεταφοράς του φυσικού στρώματος υποδιαιρούνται σε τρία επίπεδα, το επίπεδο διαδρομής της μετάδοσης, το επίπεδο του ψηφιακού τμήματος και το επίπεδο του αναγεννητή.

Μέσα σε μία διαδρομή μετάδοσης (π.χ. ένα κανάλι 34 ΜB/s) μπορούν να δημιουργηθούν πολλά ιδεατά κανάλια (Virtual Channels–VC), κάθε ένα από τα οποία καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο μέρος ή το σύνολο της χωρητικότητας της διαδρομής μετάδοσης. Επίσης, μέσα σε κάθε ιδεατή διαδρομή (Virtual Path–VP) μπορούν να δημιουργηθούν πολλά ιδεατά κανάλια, καθένα από τα οποία καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο μέρος ή το σύνολο της χωρητικότητας της ιδεατής διαδρομής. Οι διαδρομές μετάδοσης έχουν συγκεκριμένη χωρητικότητα η οποία καθορίζεται από την ιεραρχία μετάδοσης που χρησιμοποιείται [Σύγχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία (Synchronous Digital Hierarchy–SDH) ή Πλεισιόχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία (Pleisiochronous Digital Hierarchy–PDH). Oι ιδεατές διαδρομές και τα ιδεατά κανάλια έχουν οποιαδήποτε χωρητικότητα, αρκεί αυτή να μην υπερβαίνει τη χωρητικότητα του υπερκείμενου επιπέδου (VP ή διαδρομή μετάδοσης αντίστοιχα). Με αυτόν τον τρόπο, η διαχείριση της χωρητικότητας γίνεται πολύ ευέλικτη και η εκχώρηση σε έναν χρήστη ή υπηρεσία οποιασδήποτε χωρητικότητας, μέχρι τη μέγιστη χωρητικότητα της διαδρομής μετάδοσης, είναι δυνατή. Η εκχώρηση και ο έλεγχος της χωρητικότητας γίνεται από το δίκτυο μετά από αίτηση του χρήστη.

Σε μία δεδομένη διεπαφή (UNI ή ΝΝΙ) προς μία κατεύθυνση, οι διαφορετικές ιδεατές διαδρομές VPs που πολυπλέκονται από το ΑΤΜ στρώμα μέσα στην ίδια διαδρομή μετάδοσης, διακρίνονται από το αναγνωριστικό της ιδεατής διαδρομής VPI (Virtual Path Identifier). Τα διαφορετικά νοητά κανάλια VCs που περιέχονται στην ίδια νοητή διαδρομή, διακρίνονται από το αναγνωριστικό του ιδεατού καναλιού VCI (Virtual Channel Identifier). Oι ΑΤΜ κυψέλες μεταδίδονται μέσα σε συγκεκριμένα VC/VP και έχουν σαν ταυτότητά τους (VCI / VPI) την ταυτότητα των VC/VP εντός των οποίων μεταδίδονται. Αντίστροφα, το VC/VP έχει την ταυτότητα των κυψελών (VCI / VPI) που μεταδίδονται μέσω αυτού.

7.6 Συνδέσεις ΑΤΜ

· Ζεύξη ιδεατού καναλιού (Virtual Channel Link, VCL)

Eίναι ένα μέσον για μονόφορη μεταφορά ΑΤΜ κυψελών μεταξύ ενός σημείου όπου εκχωρείται η ταυτότητα του ιδεατού καναλιού (VCI) και ενός άλλου σημείου, στο οποίο η ταυτότητα μεταφράζεται ή αφαιρείται.

· Ζεύξη ιδεατής διαδρομής (Virtual Path Link, VPL)

Eίναι μία ομάδα ζεύξεων ιδεατών κυκλωμάτων που έχουν όλες την ίδια ταυτότητα ιδεατής διαδρομής (VPI), μεταξύ του σημείου όπου εκχωρείται η ταυτότητα της ιδεατής διαδρομής (VPI) και ενός άλλου σημείου, όπου η ταυτότητα αυτή μεταφράζεται ή αφαιρείται.

· Σύνδεση ιδεατού καναλιού (Virtual Channel Connection, VCC)

Eίναι μία αλληλουχία ζεύξεων ιδεατών κυκλωμάτων που εκτείνεται μεταξύ δύο σημείων στα οποία γίνεται πρόσβαση στο στρώμα ΑΑL. Oι συνδέσεις αυτές αφορούν στα ΑΤΜ κέντρα αλλά δεν αφορούν στους ΑΤΜ κόμβους.

7.7 Συνδέσεις τερματικών σε δίκτυο ΑΤΜ

Στο σχήμα 7.4 παρουσιάζεται η σύνδεση δύο τερματικών σε κόμβο – κατανεμητή (cross – connect). To ένα (ΑΤΜ terminal) μπορεί να συνδεθεί κατ’ ευθείαν, επειδή υποστηρίζει το πρωτόκολλο ΑTM και παρέχει διεπαφή UNI. To άλλο (non - ΑΤΜ terminal) δεν υποστηρίζει το πρωτόκολλο ΑΤΜ και για να συνδεθεί στον κόμβο του δικτύου πρέπει να συνδεθεί πρώτα σε κάποια μονάδα πρόσβασης.

Σχήμα 7.4: Σύνδεση τερματικών σε δίκτυο ΑΤΜ.

7.8 Στρώμα ΑΑL

Όπως αναφέρθηκε και στα προηγούμενα, ο ρόλος του στρώματος ΑΑL είναι ιδιαίτερα σημαντικός, διότι απομονώνει το στρώμα ΑΤΜ – με τα εξειδικευμένα χαρακτηριστικά του – από τα στρώματα χρήστη και ελέγχου, προς τα οποία παρέχονται περισσότερες από μία υπηρεσίες. Στην παράγραφο αυτή θα εξετάσουμε λεπτομερέστερα το στρώμα AAL, περιγράφοντας και τα υποστρώματά του.

7.8.1 Υποστρώματα του ΑΑL

Για να γίνει δυνατός ο ευχερέστερος προσδιορισμός των λειτουργιών και διαδικασιών του στρώματος AAL, ορίστηκαν δύο υποστρώματα που επιμερίζουν ακόμα περισσότερο τις λειτουργίες του:

· Υπόστρωμα Τεμαχισμού και Ανασυναρμολόγησης (Segmentation and Reassembly Sublayer – SAR)

To υπόστρωμα αυτό είναι το αμέσως ανώτερο του στρώματος ΑΤΜ και πραγματοποιεί τον τελικό τεμαχισμό των δεδομένων κατά την εκπομπή (ώστε να προκύψει κυψέλη μήκους 48 οκτάδων κατάλληλη για το στρώμα ΑΤΜ), καθώς και την ανασυναρμολόγηση των δεδομένων κατά τη λήψη.

· Υπόστρωμα Σύγκλισης (Convergence Sublayer – CS)

Mέσω του υποστρώματος αυτού εξασφαλίζεται η διαδικασία «σύγκλισης» του στρώματος ΑΤΜ με τα ανώτερα στρώματα.

Κατά τη διαδικασία λήψεως (δηλαδή από το φυσικό στρώμα προς τα ανώτερα στρώματα), τα δεδομένα που προέρχονται από το υπόστρωμα SAR (SAR Protocol Data Unit, SAR–PDU) υφίστανται κατάλληλους μετασχηματισμούς και μετατρέπονται σε δεδομένα Υπηρεσίας (Service Data Units–SDU), τα οποία αποδίδονται στο αμέσως ανώτερο του ΑΑL επίπεδο και μάλιστα σε σημεία χαρακτηριστικά της υπόψη υπηρεσίας, τα οποία χαρακτηρίζονται ως Σημεία Πρόσβασης Υπηρεσίας (Service Access Points – SAP).

Kατά την εκπομπή (δηλαδή από τα ανώτερα στρώματα προς το φυσικό στρώμα), τα δεδομένα που προέρχονται από τα ανώτερα επίπεδα μέσω των SAPs υφίστανται μία αρχική επεξεργασία, η οποία αφ’ ενός είναι συνάρτηση του είδους της προσφερόμενης υπηρεσίας και αφ’ ετέρου προετοιμάζει τα δεδομένα – με τη μορφή δεδομένων CS-PDU – ώστε αυτά να μπορούν να υποστούν τον τεμαχισμό στο αμέσως χαμηλότερο υπόστρωμα SAR για την τελική ένταξή τους στο στρώμα ΑΤΜ. Συνήθως, η επεξεργασία αυτή είναι τεμαχισμός ή και συναρμολόγηση (ανάλογα με το είδος του SDU) με προσθήκη κατάλληλης επικεφαλίδας και ουραίου σκέλους. Οι λειτουργίες που εκτελούνται στο υπόστρωμα CS είναι χαρακτηριστικές της Υπηρεσίας για την οποία γίνονται.

7.8.2 Κατηγορίες Υπηρεσιών

Ο διαχωρισμός των υπηρεσιών σε κατηγορίες γίνεται με βάση τους εξής παράγοντες:

· Απαίτηση για συσχέτιση χρονισμού μεταξύ αφετηρίας και προορισμού.

· Ρυθμός μετάδοσης, σταθερός ή μεταβλητός.

· Είδος ζεύξεως, συνδεσιμική (connection – oriented) ή ασυνδεσιμική (connectionless).

Oι κατηγορίες υπηρεσιών παρουσιάζονται στον πίνακα 7.1.

Πίνακας 7.1: Kατηγορίες υπηρεσιών.

	Κατηγορία Α	Κατηγορία Β	Κατηγορία C	Κατηγορία D
Χρονισμός	Απαιτείται		Δεν απαιτείται
Ρυθμός	Σταθερός	Μεταβλητός
Ζεύξη	Συνδεσιμική			Ασυνδεσιμική

Οι υπηρεσίες χωρίζονται δηλαδή σε τέσσερις κατηγορίες A, B, C, D και μπορούν να υλοποιηθούν γενικά με περισσότερους από έναν τρόπους, με συνδυασμούς λειτουργιών στα στρώματα SAR και CS. Μέχρι σήμερα έχουν προδιαγραφεί πέντε κατηγορίες στρωμάτων ΑΑL (AAL 1,2,3,4,5), από τις οποίες οι ΑΑL 1,2,3,4 αντιστοιχίζονται στις κατηγορίες Α, Β, C, D, ενώ το ΑΑL 5 ορίστηκε σαν μία απλοποιημένη υλοποίηση της κατηγορίας C.

7.9 Ιδεατό κύκλωμα, μονοπάτι και οι ωφέλειές τους στα ΑΤΜ δίκτυα

Στο ΑΤΜ δίκτυο όλες οι πληροφορίες μεταφέρονται σε ιδεατό κύκλωμα που διαρκεί όσο και η σύνδεση. Όπως είδαμε και στα προηγούμενα, υπάρχουν δύο ειδών νοητές συνδέσεις:

· Συνδέσεις ιδεατής διαδρομής (Virtual Paths – VPs)

· Συνδέσεις ιδεατού καναλιού (Virtual Channels – VCs)

Μία σύνδεση ιδεατής διαδρομής ή καναλιού καταλαμβάνει διαδοχικά ιδεατές διαδρομές ή κανάλια, ο αριθμός των οποίων είναι ίσος με το πλήθος των παρεμβαλλόμενων ΑΤΜ μεταγωγέων. Όλες οι υπηρεσίες υψηλού ή χαμηλού, σταθερού ή μεταβλητού ρυθμού μεταφοράς γίνονται με ομοιογενή τρόπο. Το σταθερό μέγεθος του κυττάρου στο δίκτυο ΑΤΜ, καθιστά ευκολότερη τη δυνατότητα να οριοθετηθεί η διακύμανση στην καθυστέρηση κατά μήκος του συστήματος. Το ΑΤΜ δίκτυο απαιτεί μόνο μια ελάχιστη λειτουργικότητα στη μεταγωγή στους κόμβους και έτσι αντιμετωπίζει την υψηλή ταχύτητα μεταγωγής με χαμηλή καθυστέρηση και διασπορά της καθυστέρησης. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου (φωνή, video) και για εφαρμογές σταθερής ροής bits.

O ρόλος των ιδεατών κυκλωμάτων εστιάζεται στα παρακάτω δύο οφέλη:

· Aπλοποίηση. Απλοποίηση του μηχανισμού της δρομολόγησης μετά τη δημιουργία του μονοπατιού.

· Διάκριση των ροών. Επιτρέπουν σε στοιχεία του δικτύου να διακρίνουν μεταξύ των διαφορετικών ροών κυκλοφορίας τους σκοπούς κάθε μίας, όπως έλεγχος αποδοχής της σύνδεσης, έλεγχος συνωστισμού, ασφάλειας, χρέωσης.

Από μία πλατύτερη αρχιτεκτονική άποψη, τα νοητά κυκλώματα ενισχύουν τη διάκριση «των εντός εύρους ζώνης» (in-band) και των «εκτός εύρους ζώνης» (out-of-band) επικοινωνιών, με συνέπεια τη διάκριση των καναλιών του δικτύου καθαρής πληροφορίας και πληροφορίας ελέγχου.

7.10 Διαφορές μεταξύ STM και ΑΤΜ κυκλοφορίας και η υπεροχή της ΑΤΜ έναντι των ποικίλων ρυθμών μετάδοσης των πληροφοριών

Ο Σύγχρονος Τρόπος Μεταγωγής (Synchronous Transfer Mode–STM) βασίζεται στην μεταγωγή κυκλωμάτων και στη σύγχρονη πολύπλεξη, ενώ ο ΑΤΜ τρόπος βασίζεται σε μεταγωγή πακέτων και σε ασύγχρονη πολύπλεξη.

Στο STM, το εύρος ζώνης της ζεύξεως είναι οργανωμένο σε σταθερά πλαίσια συγκεκριμένου πλήθους χρονοθυρίδων. Κάθε χρονοθυρίδα διατίθεται σε μία σύνδεση που εντοπίζεται από τη θέση της στο πλαίσιο. Το STM είναι αποδοτικό για υπηρεσίες σταθερού ρυθμού αλλά πολυδάπανο για υπηρεσίες που εμφανίζουν ριπές κίνησης.

Τα ΑΤΜ πακέτα διατίθενται στις υπηρεσίες κατ’ απαίτησιν, δημιουργώντας μία δυναμική και απεριόριστη ποικιλία ρυθμών μετάδοσης σε αντίθεση με τους προκαθορισμένους ρυθμούς του STM.

Το ΑΤΜ έχει ξεπεράσει τη χαμηλή αποδοτικότητα του STM, επειδή έχει τη δυνατότητα να διαθέτει δυναμικά τη χωρητικότητα (δηλαδή το εύρος ζώνης της ζεύξεως) σε πρώτη ζήτηση. Ακόμη, έχει τη δυνατότητα να εκμεταλλευθεί την πιθανότητα να μη συμπίπτουν οι στιγμές εμφάνισης του ρυθμού αιχμής πολλών πολυπλεγμένων υπηρεσιών ριπαίας κίνησης.

Η ασύγχρονη πολύπλεξη των κυττάρων συνεπάγεται ότι τα ΑΤΜ πακέτα θα υφίστανται προσωρινή αποθήκευση σε ουρές αναμονής πριν την είσοδό τους στο πολυπλεγμένο ρεύμα του μέσου μετάδοσης. Για την προσαρμογή των ρυθμών εισάγονται «άδεια» ή «αδρανή» ΑΤΜ πακέτα. Αυτά απορρίπτονται στον επόμενο κόμβο, εάν ο στιγμιαίος ρυθμός του εκεί προκύπτοντος πολυπλεγμένου ρεύματος απαιτεί τη χρήση της θέσης του αδρανούς κυττάρου από ένα ενεργό ΑΤΜ πακέτο.

Η ΑΤΜ επικοινωνία μπορεί να εξασφαλίσει υπηρεσίες ευρείας ζώνης και ελεύθερου τύπου μεταφορά πληροφοριών για τον χρήστη και για το δίκτυο.

7.11 Έλεγχος συνωστισμού

Ένα βασικό πρόβλημα που απασχολεί τα ΑΤΜ δίκτυα είναι να προμηθεύσουν VCs, τα οποία με τη σειρά τους θα προσφέρουν σταθερά αποτελέσματα στην παρουσία των ποικίλλων στοχαστικά κατανεμημένων φορτίων του δικτύου. Για την ενεργοποίηση ενός VC απαιτείται από τους χρήστες να ορίσουν τα χαρακτηριστικά της κυκλοφορίας, έτσι ώστε το δίκτυο να μπορεί να εκλέγει τη διαδρομή που θα είναι συμβατή με την καθορισθείσα κυκλοφορία και να κατανέμει τους πόρους όπως απαιτείται. Τα δίκτυα ευρείας ζώνης εξυπηρετούν διαφορετικά είδη κυκλοφορίας, με ανόμοια χαρακτηριστικά και με υψηλή ταχύτητα.

Όταν πολλά πακέτα είναι συσσωρευμένα σε ένα τμήμα του δικτύου, τότε η απόδοσή του χειροτερεύει και η κατάσταση που δημιουργείται λέγεται συνωστισμός. Συνωστισμός συμβαίνει όταν πολλές πηγές ανταγωνίζονται για την απόκτηση πόρων και αυτοί οι πόροι δεν είναι διαθέσιμοι σε κάθε ζήτηση.

7.11.1 Κατηγορίες ελέγχου ροής

Ο έλεγχος ροής στα ΑΤΜ δίκτυα, βασίζεται στη φιλοσοφία του να εμποδίζεται να συμβεί συνωστισμός μάλλον, παρά όταν συμβεί να δημιουργηθεί η αντίδραση.

Γενικά, οι τεχνικές ελέγχου ροής διαιρούνται σε δύο κατηγορίες: αυτές που εμποδίζουν να συμβεί συνωστισμός (προληπτικός έλεγχος) και αυτές που αντιδρούν όταν συμβεί (αντιδρών ή αντιδραστικός έλεγχος). Η μεγάλη ταχύτητα μεταφοράς που υπάρχει στο ΑΤΜ δίκτυο καθιστά αρκετά δύσκολη την περίπτωση για τη λειτουργία κάποιου αντιδραστικού ελέγχου. Ο αντιδραστικός έλεγχος είναι χρήσιμος μόνο όταν το ποσό του χρόνου αποθήκευσης είναι διαθέσιμο έτσι ώστε στον κόμβο να υπάρχει διαθέσιμος χρόνος, ώστε να γίνει κατάλληλη ενέργεια προτού παρουσιασθεί το φαινόμενο της υπερχείλισης. Παραδείγματα του αντιδραστικού ελέγχου μπορούν να θεωρηθούν οι έλεγχοι που στηρίζονται στον ρυθμό αποστολής των bits, όπου ο προορισμός καθορίζει τον αριθμό των πακέτων ανά sec που μπορούν να αποσταλούν. Παραδείγματα προληπτικού ελέγχου είναι ο συμβουλευτικός έλεγχος και ο έλεγχος που γίνεται στη διάρκεια εκτέλεσης της κυκλοφορίας. Ο συμβουλευτικός έλεγχος (στην περίπτωση της απόφασης αν το δίκτυο θα δεχθεί ή όχι μία κλήση), μπορεί γενικά να θεωρηθεί σαν τον μηχανισμό κατανομής των πόρων, ώστε να εξισορροπείται η ποιότητα υπηρεσιών (QoS) και ο βαθμός χρησιμοποίησης του δικτύου με την οριοθέτηση του αριθμού των κλήσεων στο δίκτυο. Έτσι μία νέα κλήση είναι αποδεκτή μόνο αν η απόδοση του δικτύου το επιτρέπει. Για να είναι αυτό δυνατό θα πρέπει το δίκτυο να γνωρίζει τα χαρακτηριστικά της τρέχουσας κυκλοφορίας και τα χαρακτηριστικά της νέας, μετά την άφιξη του νέου κυττάρου, ώστε να αποφασίσει αν θα το αποδεχθεί ή θα το απορρίψει.

Υπάρχουν δύο αιτίες για το συνωστισμό που έχουν σχέση με απώλειες ΑΤΜ πακέτων:

- Στιγμιαία υπερχείλιση ταμιευτήρα. Είναι η περισσότερο συνήθης και μπορεί να συμβαίνει από συμπτωματική άφιξη ριπαίας κίνησης.

- Υφιστάμενη υπερχείλιση. Είναι περισσότερο σοβαρή και παρατηρείται όταν υπάρχει υπερβολική κυκλοφορία για αρκετό χρόνο.

7.11.2 Προβλήματα συνωστισμού στα επίπεδα του δικτύου

Τα προβλήματα στο δίκτυο που θα οφείλονται στο φαινόμενο του συνωστισμού είναι δυνατόν να συμβούν στα τρία παρακάτω επίπεδα:

· Επίπεδο δικτύου (network level)

· Επίπεδο κλήσεως (call level)

· Επίπεδο ΑΤΜ πακέτου ή κυψέλης (cell level)

7.11.3 Oι βασικές δυνατότητες ελέγχου στο ΑΤΜ δίκτυο

Η βασική ιδέα που κυριαρχεί σε ένα ΑΤΜ δίκτυο στον έλεγχο της ροής, είναι η ιδέα του προσανατολισμού στη δημιουργία υπερβατικής σύνδεσης και της προόδου της κλήσης. Υπάρχουν δύο φάσεις λειτουργίας:

· H φάση της δημιουργίας της κλήσης στη διάρκεια της οποίας ελέγχονται αν οι πόροι είναι διαθέσιμοι και αν μπορούν να παρέχουν την εξυπηρέτηση της ορισμένης κλάσης που αντιπροσωπεύει η κλήση.

· Η φάση της προόδου της κλήσης με την οποία πραγματοποιείται η μεταφορά της πληροφορίας. Στη διάρκεια αυτής της φάσης η διαχείριση της κυκλοφορίας κατευθύνει την κατανομή των πόρων και εξασφαλίζει την προσδοκώμενη ποιότητα υπηρεσίας.

Το ΑΤΜ επίπεδο ελέγχου περιλαμβάνει τρεις βασικές δυνατότητες ελέγχου:

· Δυνατότητα για εκλεκτική απόρριψη φορτίου σε περίπτωση συνωστισμού (Selective Cell Discard – SCD). Έτσι παρέχεται ανακούφιση στις συνθήκες αβεβαιότητας του δικτύου. Εδώ χρησιμοποιείται ο CLP (Cell loss priority) δείκτης, ο οποίος ενημερώνεται από το τερματικό που στέλνει τα ΑΤΜ πακέτα ή από το δίκτυο σε περίπτωση υπερβολικής κυκλοφορίας. Όταν λάβει την τιμή 1, σημαίνει ότι πιθανόν το ΑΤΜ πακέτο θα απορριφθεί (εκλεκτικά) σε κάποιο στοιχείο του δικτύου κατά μήκος της σύνδεσης, αν ο τοπικός συνωστισμός σ’ αυτό το στοιχείο του δικτύου υπερβαίνει την τιμή ενός επιτρεπτού ορίου. Η τεχνική της απώλειας πακέτου με τη χρήση του bit προτεραιότητας (CLP) που υπάρχει στην ΑΤΜ επικεφαλίδα περιλαμβάνεται στα μέτρα του αντιδραστικού ελέγχου και επιτρέπεται η διάκριση των λιγότερο ουσιωδών πακέτων από τα άλλα. Αυτά τα λιγότερης σημασίας πακέτα, μπορεί να απορριφθούν κάποια στιγμή από το δίκτυο όταν παρουσιασθεί συνωστισμός, χωρίς να επηρεάζεται σοβαρά η εφαρμογή.

· Δυνατότητα για την προς τα εμπρός μετάδοση των αντιμετωπιζόμενων συνθηκών συνωστισμού κατά μήκος του VP ή VC στο ΑΤΜ τερματικό προορισμού με τη χρήση του «συγκεκριμένου προς τα εμπρός δείκτη συνωστισμού» (Explicit Forward Congestion Indicator – EFCI). O δείκτης αυτός υπάρχει μέσα στην κεφαλίδα του κυττάρου και λαμβάνει την τιμή 1 από κάποιο στοιχείο του δικτύου διαμέσου του οποίου τα ΑΤΜ πακέτα περνούν, όταν ο συνωστισμός υπερβεί σταθερά καθορισμένα όρια. Με τη χρήση κατάλληλων αλγορίθμων, το τερματικό προορισμού θα αποστείλει σήμα (πιθανόν περιοδικά) στο τερματικό πηγής, μέσα από ένα σύνολο δυνατοτήτων του AAL στρώματος, με πληροφορίες που θα επιτρέπουν την πηγή να εκτελέσει τις κατάλληλες ενέργειες (π.χ. διαμόρφωση κυκλοφορίας και/ή έλεγχο λαθών) για να επιτύχει την ΑΤΜ σύνδεση.

· Δυνατότητα σε στοιχεία του δικτύου να δρομολογήσουν εξυπηρετήσεις και να κατανέμουν τους πόρους σύμφωνα με την υπάρχουσα ικανότητα εξυπηρέτησης των κλάσεων που έχει το συγκεκριμένο στοιχείο. Έτσι, κάθε στοιχείο του δικτύου είναι δυνατόν να σχηματίσει χρονοδρομολόγηση εξυπηρετήσεων και κατανομή των πόρων συνεπή με τις κλάσεις που εξυπηρετεί αυτό το στοιχείο. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει την κατανομή του ταμιευτήρα μεταξύ των κλάσεων υπηρεσίας και σε πραγματικό χρόνο κατανομή του εύρους ζώνης της ζεύξης με την οποία γίνεται η μεταφορά, ώστε να διατίθεται τουλάχιστον ένα ελάχιστο εύρος ζώνης για κάθε κλάση υπηρεσίας και έτσι να εμποδίζεται μία κλάση εξυπηρέτησης να κλείνει το δρόμο σε άλλη για την μεταφορά.

7.12 Πιθανοί πελάτες του δικτύου ΑΤΜ

Οι πιθανοί πελάτες, είτε σαν χρήστες είτε σαν παροχείς υπηρεσιών, είναι οι ακόλουθοι:

· AEI – Ερευνητικά Ιδρύματα – ΤΕΙ

· Νοσοκομεία

· Εκδόσεις – ΜΜΕ

· Ναυτιλιακές Εταιρείες

· Τουριστικές Επιχειρήσεις

· Δημόσια Διοίκηση (Υπουργεία, Τοπική Αυτοδιοίκηση κλπ.)

· Δημόσιοι Οργανισμοί

· Τράπεζες – Ασφαλιστικές εταιρείες

· Πολυεθνικές εταιρείες ( διασύνδεση με κεντρικά γραφεία εξωτερικού)

· Αεροπορικές εταιρείες

· Τράπεζες πληροφοριών

· Ένοπλες Δυνάμεις

· Βιομηχανία

7.13 Οι υπηρεσίες του δικτύου ΑΤΜ

Η διάκριση ανάμεσα στις υπηρεσίες (ή εφαρμογές) ευρείας και στενής ζώνης γίνεται με βάση τον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης. Οι υπηρεσίες ευρείας ζώνης (ή ευρυζωνικές) απαιτούν ρυθμό μετάδοσης μεγαλύτερο από 2 Μbit/s, ενώ οι υπηρεσίες στενής ζώνης απαιτούν ρυθμό μετάδοσης μικρότερο ή ίσο με 2 Μbit/s. Τα δίκτυα ευρείας ζώνης υποστηρίζουν και τις δύο αυτές κατηγορίες υπηρεσιών. Ακόμη, οι υπηρεσίες ευρείας ζώνης μπορούν να προσφέρουν ταυτόχρονα περισσότερους από έναν τύπο πληροφορίας και γι’ αυτό ονομάζονται και υπηρεσίες πολυμέσων.

Οι οικιακοί χρήστες και οι επιχειρήσεις δεν έχουν τα ίδια ενδιαφέροντα σε ότι αφορά τις υπηρεσίες ευρείας ζώνης. Για τον λόγο αυτόν, οι δύο αυτές κατηγορίες χρηστών εξετάζονται ξεχωριστά ως προς τις πιθανές υπηρεσίες που τους ενδιαφέρουν και το βαθμό διείσδυσης των υπηρεσιών αυτών.

7.13.1 Υπηρεσίες για οικιακούς χρήστες

Οι πιο ενδιαφέρουσες για τον οικιακό χρήστη υπηρεσίες ευρείας ζώνης είναι οι εξής:

· Video-on-demand

· Tηλε-εργασία (tele-working)

· Eικονο-τηλεφωνία (video telephony)

· Tηλε-εκπαίδευση (tele-training)

· Tηλε-αγορές (tele-shopping)

· Παιχνίδια

7.13.2 Υπηρεσίες για επιχειρήσεις

Αυτές μπορεί να είναι:

· Διασύνδεση τοπικών δικτύων (LANs) με υψηλές ταχύτητες

· Οικονομικός τηλε-έλεγχος, συλλογή δεδομένων χρέωσης

· Τηλε-διάσκεψη

· Τηλε-εκπαίδευση

· Εικονοτηλεφωνία

· Πωλήσεις

· Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, φωνητικό ταχυδρομείο

7.14 Απαιτήσεις, χαρακτηριστικά, μελλοντικές τάσεις των ΑΤΜ δικτύων

Μεταξύ των τεχνικών μεταφοράς δεδομένων που προτείνονται για την παροχή ολοκληρωμένων υπηρεσιών ευρείας ζώνης (Βroadband ISDN – B-ISDN), η ασύγχρονη μεταφορά δεδομένων (Asynchronous Transfer Mode–ATM) θεωρείται η πλέον υποσχόμενη στο μέλλον εξ’ αιτίας των πολλών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει. Η ΑΤΜ επικοινωνία αποτελεί το μέσον με το οποίο είναι δυνατόν να επιτευχθεί η ολοκλήρωση υπηρεσιών, η ευκινησία, η αποτελεσματικότητα στην κατανομή του εύρους ζώνης και η αποδοτικότερη χρησιμοποίηση του δικτύου.

Οι τάσεις των υπηρεσιών ευρείας ζώνης προβάλλουν χαρακτηριστικά, τα οποία παρουσιάζουν ουσιώδεις διαφορές από τις παραδοσιακές τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (π.χ. τηλεφώνου). Η βασική διαφορά συνίσταται στην ανάγκη υποστήριξης κίνησης που αποτελείται από πολλά συστατικά με διαφορετικές απαιτήσεις μετάδοσης. Αυτού του είδους οι υπηρεσίες ονομάζονται υπηρεσίες πολυμέσων. Το ΑΤΜ προτάθηκε σαν μία λύση, καθ’ ότι ο σύγχρονος τρόπος μεταφοράς και η μεταγωγή δεν είναι ευέλικτες για να παρέχουν τέτοιου είδους υπηρεσίες. Το ΑΤΜ παρέχει το μέσον για τη μεταφορά υψηλού ρυθμού κίνησης, που μπορεί να γεννηθεί από την μεγάλη ποικιλία υπηρεσιών που παρέχουν τα πολυμέσα. Τα στοιχεία με τα οποία το ΑΤΜ είναι δυνατόν να πετύχει τους στόχους του, είναι ο στατιστικός πολυπλέκτης και η έλλειψη προκαθορισμένων (διακριτών) σταθμών εύρους ζώνης (τέλειο ταίριασμα του εύρους ζώνης). Οι υπηρεσίες των πολυμέσων απαιτούν αποθήκευση και επικοινωνία κάποιου συνδυασμού κειμένου, εικόνας, φωνής και video. Kάθε εφαρμογή αποτελείται από πολλά στοιχεία με τα δικά τους χαρακτηριστικά (video, τηλέφωνο, υψηλής ταχύτητας δεδομένα, υψηλής ποιότητας radio) και με τη δική τους ποιότητα υπηρεσίας (quality of service–QoS). Η ποιότητα της υπηρεσίας μπορεί να εκφραστεί από τις τιμές των καθυστερήσεων και απώλειας σε ΑΤΜ πακέτα.

Οι κλάσεις των διαφόρων νέων υπηρεσιών περιλαμβάνουν τις παρακάτω:

· Yπηρεσίες εικόνας. Περιλαμβάνει επικοινωνίες μεταξύ διαφόρων ειδών τερματικών video (υψηλής ευκρίνειας τηλεόραση) ή τριών διαστάσεων video τερματικών.

· Ευφυείς υπηρεσίες. Δίνει την δυνατότητα επικοινωνίας στους χρήστες, να επικοινωνήσουν με οποιονδήποτε, οπουδήποτε είναι και παρέχει τη δυνατότητα στους χρήστες να προσαρμόσουν τη διεπαφή χρήστη στις δικές τους απαιτήσεις.

· Προσωπικές υπηρεσίες. Δίνει την δυνατότητα στον χρήστη προσωπικής αρίθμησης για αναγνώριση του καλούντος και του καλουμένου αντί να χρησιμοποιηθούν αριθμοί τερματικών. Αυτή η δυνατότητα καθιστά την επικοινωνία ανεξάρτητη από τη θέση που βρίσκεται ο κάθε χρήστης.

Οι απαιτήσεις που προκύπτουν για να επιτευχθούν οι παραπάνω υπηρεσίες είναι οι εξής:

· Διέλευση κίνησης μεγάλου εύρους ζώνης με μεγάλη ποικιλία των χαρακτηριστικών της κυκλοφορίας. Για παράδειγμα, για τη μεταφορά των οπτικών πληροφοριών απαιτείται εύρος ζώνης περισσότερο από 100 ΜΒ/s. Την ίδια στιγμή, πρέπει να παρέχεται η δυνατότητα εξυπηρέτησης υπηρεσιών με εύρος ζώνης 64 kB/s.

· Μεταφορά υψηλού όγκου πληροφοριών στο εσωτερικό του δικτύου.

· Ειδικά για τις ευφυείς υπηρεσίες δικτύου, απαιτείται η ανταλλαγή μεγάλου όγκου πληροφοριών υπό μορφή σημάτων μεταξύ των κόμβων ελέγχου μεταγωγής και κόμβων ελέγχου υπηρεσιών ή μεταξύ κόμβων ελέγχου υπηρεσίας και των βάσεων πληροφοριών. Στις προσωπικές επικοινωνίες πρέπει να μεταφερθούν πολλά μηνύματα όπως η θέση εγγραφής και το δικαίωμα πρόσβασης σε βάση πληροφοριών, ώστε να επιτευχθούν σωστές πληροφορίες για τη διευκόλυνση της χρονοδρομολόγησης

· Δυνατότητα επιτυχούς χειρισμού των μη αναμενόμενων διακυμάνσεων στη ζήτηση.

Μελλοντική τάση στα δίκτυα αποτελεί η ανεξαρτησία στην παροχή υπηρεσιών, γεγονός που μπορεί να επιτευχθεί με την τεχνολογική πρόοδο (π.χ. οπτικές ίνες). Ο τρόπος μεταφοράς των πληροφοριών στο δίκτυο δεν μπορεί να σχεδιασθεί ιδιαίτερα για κάθε ένα είδος υπηρεσίας. Για να επιτευχθεί αυτή η ανεξαρτησία των υπηρεσιών θα πρέπει το δίκτυο να διαθέτει τα παρακάτω τρία χαρακτηριστικά:

1. Προσαρμοστικότητα σε μελλοντικές απαιτήσεις. Το εύρος ζώνης θα πρέπει να είναι αρκετό για παροχή νέων υπηρεσιών ακόμη και στην περίπτωση υπάρξεως τεχνολογίας VLSI ή νέων αλγορίθμων κωδικοποίησης οι οποίοι αποβλέπουν στη μείωση του απαιτούμενου εύρους ζώνης για μερικές υπηρεσίες.

2. Ορθή κατανομή των πόρων μεταξύ όλων των υπηρεσιών.

3. Σημαντική μείωση του κόστους.

Ένα δίκτυο που θα ικανοποιεί τις μελλοντικές απαιτήσεις χρειάζεται να σχεδιαστεί, να κατασκευασθεί και να συντηρηθεί. Το περισσότερο ευπροσάρμοστο δίκτυο σε σχέση με τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης και στην οικονομικότερη διαχείριση των πόρων στηρίζεται στην ιδέα μεταγωγής πακέτων. Τα πρώτα δίκτυα τα οποία στηρίχθηκαν στην ιδέα μεταγωγής των πακέτων υστερούσαν σε πολυπλοκότητα, δεν επέτρεπαν τη μεταφορά των υπηρεσιών και υπήρχαν αυστηροί περιορισμοί σε καθυστέρηση και εύρος ζώνης. Η ιδέα της μεταγωγής πακέτων έπρεπε να εξελιχθεί σε τελειότερη μορφή. Το δίκτυο έπρεπε να αναβαθμισθεί με τις δύο βασικές λειτουργίες: τη σημασιολογική και τη χρονική διαφάνεια:

· Σημασιολογική διαφάνεια είναι η λειτουργία εκείνη που εγγυάται την ορθή παράδοση στον προορισμό των bits που απεστάλησαν από την πηγή.

· Χρονική διαφάνεια: Μερικές υπηρεσίες απαιτούν τη συνέχεια της ροής των bits. Αυτές ονομάζονται υπηρεσίες συνεχούς ροής bits (Continuous Bit-stream-Oriented – CBO) όπως είναι η φωνή. Τα παραδοσιακά συστήματα μεταγωγής των πακέτων παρουσιάζουν δυσκολίες στην υποστήριξη CBO υπηρεσιών, λόγω των χαμηλών ταχυτήτων που προσφέρουν. Η καθυστέρηση και η διακύμανση της καθυστέρησης (delay variation ή jitter) είναι αρκετά μεγάλη και καθιστούν μη πρακτική και σχεδόν αδύνατη τη χρονική διαφάνεια.

Το ΑΤΜ δίκτυο όμως, σε αντίθεση με τα παραδοσιακά συστήματα μεταγωγής πακέτων, εξασφαλίζει τη σημασιολογική και τη χρονική διαφάνεια με τη χρήση της βελτιωμένης τεχνικής μεταγωγής των πακέτων και με τον χρονικό πολυπλέκτη. Τα ΑΤΜ πακέτα έχουν ορισμένο και μικρό μέγεθος, σε αντικατάσταση της τεχνικής του μεταβλητού μήκους πακέτων. Αυτή η εκλογή εξασφαλίζει την ύπαρξη υψηλών ταχυτήτων μεταγωγής στους κόμβους και δεν επιβάλλει περιορισμούς στις υπηρεσίες, καθόσον υψηλές ποσότητες πληροφοριών θα κατατμηθούν σε ΑΤΜ πακέτα. Δεν υπάρχει έλεγχος λαθών στο πεδίο των δεδομένων ούτε έλεγχος ροής στις ζεύξεις μέσα στο ΑΤΜ δίκτυο. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ΑΤΜ δικτύου είναι τα εξής:

· Είναι προσανατολισμένο σε συνδέσεις. Οι συνδέσεις δημιουργούνται με την τεχνική του νοητού καναλιού με εξασφαλισμένο εύρος ζώνης (δυναμική κατανομή) σε κάθε σύνδεση.

· Το ΑΤΜ χρησιμοποιεί σηματοδοσία εκτός του εύρους ζώνης (out-of-band signalling). Mε την σηματοδοσία αυτή γίνεται ο έλεγχος της κυκλοφορίας για τη δημιουργία και για την παύση της σύνδεσης του νοητού καναλιού. Αυτό είναι σε αντίθεση με τον τρόπο σηματοδοσίας που γίνεται μέσα στο εύρος ζώνης στα παραδοσιακά δίκτυα, όπου τα πακέτα ελέγχου είναι αναμεμειγμένα με τα πακέτα των δεδομένων. Στο ΑΤΜ δίκτυο, κατά τη διάρκεια δημιουργίας της σύνδεσης του νοητού καναλιού, μόνο το επίπεδο ελέγχου είναι ενεργοποιημένο ενώ κατά τη διάρκεια μεταφοράς των δεδομένων, ενεργοποιημένο είναι μόνο το επίπεδο του χρήστη.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8^Ο:

ΔIKTYA ΤHΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ

8.1 Εισαγωγή

Όπως είδαμε στο 3^ο Κεφάλαιο, τα αστικά και τα υπεραστικά τηλεφωνικά κέντρα συνδέονται μεταξύ τους με ζευκτικές γραμμές. Οι γραμμές αυτές μπορούν να είναι καλώδια χαλκού, ομοαξονικά καλώδια, μικροκυματικά ασύρματα συστήματα ή οπτικές ίνες και ονομάζονται γραμμές μεταφοράς. Οι γραμμές μεταφοράς εισάγουν απώλειες στα σήματα που μεταφέρουν από τον πομπό προς τον δέκτη και χαρακτηρίζονται από το ρυθμό με τον οποίο είναι ικανές να μεταδώσουν την πληροφορία (bits/sec). Για την αντιμετώπιση του προβλήματος των απωλειών (εξασθένιση), τοποθετούνται κατά μήκος των γραμμών και σε αποστάσεις που εξαρτώνται κάθε φορά από τον τύπο της γραμμής μεταφοράς, κατάλληλοι επαναλήπτες, οι οποίοι είναι διατάξεις που αποβάλλουν την παραμόρφωση και ενισχύουν το μεταδιδόμενο σήμα. Για παράδειγμα, στα ομοαξονικά καλώδια οι επαναλήπτες τοποθετούνται περίπου ανά 5 km, ενώ στις οπτικές ίνες ανά 80 km. Ένα κριτήριο αξιολόγησης των διαφόρων γραμμών μεταφοράς είναι το γινόμενο B·L, όπου Β είναι ο ρυθμός μετάδοσης της πληροφορίας (bits/sec) και L (km) η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών επαναληπτών. H ιστορική εξέλιξη των διαφόρων γραμμών μεταφοράς και η αύξηση του γινομένου B·L με την πάροδο των ετών, παριστάνεται στο σχήμα 8.1.

Σχήμα 8.1: Ιστορική εξέλιξη των γραμμών μεταφοράς και αύξηση του γινομένου «ρυθμός

μετάδοσης x απόσταση» (B·L).

8.2 Σύστημα μετάδοσης με οπτικές ίνες

Ένα σύστημα μετάδοσης με οπτικές ίνες παρουσιάζεται στο σχήμα 8.2 και συγκρίνεται με ένα τυπικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Όπως φαίνεται από το σχήμα 8.2(α), ένα τυπικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα αποτελείται από τον πομπό (που περιλαμβάνει το διαμορφωτή και συνδέεται με την πηγή πληροφορίας), το μέσο μετάδοσης (καλώδιο χαλκού, ομοαξονικό καλώδιο, ασύρματο δίκτυο) και το δέκτη (που περιλαμβάνει τον αποδιαμορφωτή) στο σημείο προορισμού. Στο σχήμα 8.2(β) φαίνεται ένα σύστημα επικοινωνίας με οπτικές ίνες. Σ’ αυτό η πηγή πληροφορίας μετατρέπεται πρώτα σε ηλεκτρικούς παλμούς, οι οποίοι διεγείρουν μία οπτική πηγή που παράγει φως και το οποίο διαμορφώνει ένα φέρον οπτικό κύμα. Η οπτική πηγή μπορεί να είναι ένα ημιαγωγικό laser ή μία δίοδος εκπομπής φωτός (Light Emitting Diode – LED). Εδώ το μέσο μετάδοσης αποτελείται από ένα καλώδιο οπτικής ίνας το οποίο μεταφέρει φως, ενώ ο δέκτης αποτελείται από έναν οπτικό ανιχνευτή που αποδιαμορφώνει το οπτικό σήμα και μετατρέπει το φως σε ηλεκτρικούς παλμούς. Για την ανίχνευση του οπτικού σήματος χρησιμοποιούνται φωτοδίοδοι ή φωτοτρανζίστορ.

Σχήμα 8.2: α) Τυπικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα. β) Σύστημα επικοινωνιών με οπτικές ίνες.

Το οπτικό φέρον κύμα μπορεί να διαμορφωθεί είτε από αναλογικό είτε από ψηφιακό σήμα πληροφορίας. Στην αναλογική διαμόρφωση το φέρον οπτικό κύμα διαμορφώνεται κατά συνεχή τρόπο, ενώ στην ψηφιακή διαμόρφωση η ένταση του οπτικού κύματος υφίσταται διακριτές μεταβολές (παλμοί on-off). Ένα σύστημα οπτικών ινών με ψηφιακή διαμόρφωση παριστάνεται στο σχήμα 8.3. Αρχικά, το ψηφιακό σήμα πληροφορίας κωδικοποιείται κατάλληλα για οπτική μετάδοση. Το κύκλωμα οδήγησης του laser διαμορφώνει την ένταση του laser με το κωδικοποιημένο ψηφιακό σήμα. Το ψηφιακό οπτικό σήμα που παράγεται τροφοδοτεί το καλώδιο οπτικής ίνας. Ο ανιχνευτής φωτοδιόδου ακολουθείται από έναν ενισχυτή και έναν ισοσταθμιστή, οι οποίοι παρέχουν ενίσχυση και γραμμική επεξεργασία του ανιχνευόμενου σήματος, καθώς και απόρριψη του θορύβου. Τελικά, το σήμα αποκωδικοποιείται για να παρέχει την αρχική ψηφιακή πληροφορία.

Σχήμα 8.3: Ψηφιακό οπτικό δίκτυο.

Το καλώδιο οπτικής ίνας κατασκευάζεται συνήθως από γυαλί ή πολυμερές πλαστικό και η συχνότητα στην οποία λειτουργεί είναι περίπου 10¹⁴ Hz (το αντίστοιχο μήκος κύματος είναι από 1,7 μm έως 0,8 μm). Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που χρησιμοποιείται για επικοινωνίες με οπτικές ίνες φαίνεται στο σχήμα 8.4.

Σχήμα 8.4: Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και η περιοχή του φάσματος που χρησιμοποιείται για

επικοινωνίες με οπτικές ίνες.

8.3 Πλεονεκτήματα των επικοινωνιών με οπτικές ίνες

Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των επικοινωνιών με οπτικές ίνες είναι τα εξής:

• Εξαιρετικά μεγάλο εύρος ζώνης. Επειδή οι οπτικές ίνες λειτουργούν σε πολύ υψηλές συχνότητες (σχήμα 8.4) το διαθέσιμο εύρος ζώνης τους θα είναι πολύ μεγαλύτερο απ΄ όλες τις άλλες γραμμές μεταφοράς. Για παράδειγμα, για ένα ομοαξονικό καλώδιο που λειτουργεί σε συχνότητα φέροντος 5 GHz (5∙10⁹ Hz), εάν θεωρήσουμε ότι το εύρος ζώνης είναι της τάξεως του 10% του φέροντος, το διαθέσιμο εύρος ζώνης θα είναι 0,1·5∙10⁹ Hz=5∙10⁶ Hz=500 MHz. Αντίστοιχα, για μία οπτική ίνα που λειτουργεί σε συχνότητα φέροντος 10¹⁴ Hz, το διαθέσιμο εύρος ζώνης θα είναι (θεωρητικά) 0,1·10¹⁴Hz=10.000.000 MHz, δηλαδή 20.000 φορές μεγαλύτερο. Βεβαίως, η παρούσα τεχνολογία δεν μπορεί να επιτύχει αυτό το τεράστιο εύρος ζώνης, όμως στην πράξη μπορούν να επιτευχθεί εύρος ζώνης της τάξεως των 10.000 MHz (ή 10 GHz) περίπου. Επομένως, η χωρητικότητα μεταφοράς πληροφορίας με οπτικές ίνες είναι μακράν μεγαλύτερη απ’ ότι με τα καλύτερα καλώδια.
• Μικρό μέγεθος και βάρος. Οι οπτικές ίνες είναι τόσο μικρές, που η διάμετρός τους είναι συγκρίσιμη με τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας. Αν και καλύπτονται με διάφορα προστατευτικά υλικά, οι τελικές διαστάσεις τους είναι πολύ μικρότερες και είναι πολύ ελαφρύτερες απ τα καλώδια χαλκού ή τα ομοαξονικά καλώδια.
• Ηλεκτρική μόνωση. Το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένη η οπτική ίνα (γυαλί ή πλαστικό), παρέχει άριστες ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης. Επομένως η οπτική ίνα προστατεύεται από ηλεκτρικές υπερτάσεις και βραχυκυκλώματα.
• Αντοχή σε παρεμβολή και συνακρόαση. Το γεγονός ότι η οπτική ίνα δεν είναι μεταλλικός αγωγός αλλά κατασκευάζεται από γυαλί ή πλαστικό, την καθιστά ιδιαίτερα ανθεκτική σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, θόρυβο, παρεμβολές από σήματα ραδιοσυχνότητας και κεραυνούς. Επομένως, οι οπτικές ίνες δεν χρειάζονται καμία θωράκιση. Επιπλέον, για δύο ή περισσότερες ίνες που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, η συνακρόαση είναι αμελητέα.
• Ασφάλεια σήματος. Το φως που μεταδίδεται μέσα στην οπτική ίνα δεν ακτινοβολεί σημαντικά προς τον περιβάλλοντα χώρο και συνεπώς το σήμα που μεταφέρει η οπτική ίνα δεν είναι εύκολο να ανιχνευθεί. Το γεγονός αυτό καθιστά τις οπτικές ίνες ιδιαίτερα «ελκυστικές» για στρατιωτικούς σκοπούς, καθώς και για διακίνηση τραπεζικών δεδομένων.
• Χαμηλές απώλειες μετάδοσης. Η ανάπτυξη των οπτικών ινών τα τελευταία 25 χρόνια έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή καλωδίων οπτικών ινών, τα οποία παρουσιάζουν πολύ χαμηλές απώλειες κατά τη μετάδοση (δηλαδή πολύ χαμηλή εξασθένιση), σε σύγκριση με τα καλύτερα καλώδια χαλκού και τα ομοαξονικά καλώδια. Οι σύγχρονες οπτικές ίνες παρουσιάζουν εξασθένιση μόλις 0,2 dB/km με αποτέλεσμα οι επαναλήπτες σε συστήματα επικοινωνίας με οπτικές ίνες, να τοποθετούνται σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, οι οπτικές ίνες να είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων.
• Στιβαρότητα και ευλυγισία. Αν και είναι κατασκευασμένες από γυαλί ή πλαστικό, οι οπτικές ίνες μπορούν να λυγίσουν και να περιστραφούν χωρίς να καταστραφούν. Λαμβάνοντας υπόψη και το μικρό τους μέγεθος και βάρος, μπορούν εύκολα να αποθηκευτούν, να μεταφερθούν και να εγκατασταθούν.
• Αξιοπιστία και ευκολία συντήρησης. Λόγω της χαμηλής τους εξασθένισης και την απουσία πολλών επαναληπτών, ένα σύστημα οπτικών ινών είναι πιο αξιόπιστο και απαιτεί λιγότερη συντήρηση από ένα δίκτυο με συμβατικά καλώδια. Επιπλέον, η διάρκεια ζωής των σύγχρονων οπτικών ινών φτάνει πλέον τα 30 χρόνια.

Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα των οπτικών ινών υπάρχουν δύο βασικά μειονεκτήματα, τα οποία χαρακτηρίζουν επίσης και τα συμβατικά καλώδια (καλώδια χαλκού και ομοαξονικά) και τα οποία θα πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη κατά το σχεδιασμό των τηλεπικοινωνιακών δικτύων:

• Η τοποθέτηση συμβατικών ή καλωδίων οπτικών ινών, απαιτεί την εκσκαφή του εδάφους, γεγονός το οποίο συνεπάγεται υψηλό κόστος και σημαντικό χρόνο εγκατάστασης.
• Η διασύνδεση μεταξύ απομακρυσμένων σημείων και μεταξύ οικισμών που βρίσκονται σε ορεινές περιοχές, είναι πρακτικά αδύνατη με οπτικές ίνες. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται είτε ασύρματα ραδιοδίκτυα είτε δορυφορικά συστήματα, αν και χρησιμοποιούνται σήμερα υποβρύχιες οπτικές ίνες για τη διασύνδεση νησιωτικών περιοχών, με ιδιαίτερα όμως υψηλό κόστος.

8.4 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτίνων

8.4.1 Ολική εσωτερική ανάκλαση (total internal reflection)

Στο σχήμα 8.5 παρουσιάζεται ένα καλώδιο οπτικής ίνας, το οποίο αποτελείται από έναν διαφανή πυρήνα (π.χ. γυαλί) με δείκτη διάθλασης n₁, που περιβάλλεται από ένα διαφανές περίβλημα με ελαφρώς χαμηλότερο δείκτη διάθλασης n₂. Ο δείκτης διάθλασης για ένα υλικό μέσο, ορίζεται από τη σχέση: , όπου c = 3·10⁸ m/sec είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό (και κατά προσέγγιση στον αέρα) και v η ταχύτητα του φωτός μέσα στο υλικό μέσο. Το περίβλημα συγκρατεί τον πυρήνα και επίσης ελαττώνει σημαντικά τις απώλειες (λόγω ακτινοβολίας) προς τον περιβάλλοντα χώρο. Πρακτικά, το φως ταξιδεύει τόσο στον πυρήνα όσο και στο περίβλημα. Μία ακτίνα φωτός ταξιδεύει πιο αργά σε ένα «οπτικώς πυκνό» υλικό, απ’ ότι σε ένα «οπτικώς αραιό» υλικό. Επομένως, στον πυρήνα της οπτικής ίνας ο οποίος έχει δείκτη διάθλασης n₁ ελαφρώς μεγαλύτερο από το δείκτη διάθλασης n₂ του περιβλήματος, μία ακτίνα φωτός θα κινείται πιο αργά σε σχέση με το περίβλημα.

Σχήμα 8.5: Καλώδιο οπτικής ίνας.

Όταν μία οπτική ακτίνα προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ δύο διηλεκτρικών υλικών με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, τότε έχουμε το φαινόμενο της διάθλασης, δηλαδή την αλλαγή πορείας της οπτικής ακτίνας (σχήμα 8.6) στο υλικό με δείκτη διάθλασης n₂. Το φαινόμενο της διάθλασης περιγράφεται από το νόμο του Snell:

ή (8.1)

Επίσης, ένα μικρό ποσό φωτός ανακλάται πίσω στο αρχικό υλικό (σχήμα 8.6(α)), δηλαδή έχουμε το φαινόμενο της μερικής εσωτερικής ανάκλασης. Εφ’ όσον n₁>n₂, η γωνία διάθλασης φ₂ θα είναι μεγαλύτερη από τη γωνία πρόσπτωσης φ₁. Επομένως, όταν φ₂=90º, δηλαδή η διαθλώμενη ακτίνα είναι παράλληλη προς τη διαχωριστική επιφάνεια των δύο υλικών, από την εξίσωση (8.1) προκύπτει ότι η γωνία πρόσπτωσης φ₁ θα πρέπει να είναι μικρότερη από 90º. Στην περίπτωση αυτή η φ₁ ονομάζεται κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης και συμβολίζεται με φ_c (σχήμα 8.6(β)). Η κρίσιμη γωνία φ_c, προκύπτει από την εξίσωση (8.1) για φ₂=90º, ως εξής:

(8.2)

δηλαδή καθορίζεται από τους δείκτες διάθλασης των δύο υλικών. Για γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες από την κρίσιμη γωνία, το φως ανακλάται πίσω στο αρχικό υλικό, δηλαδή συμβαίνει ολική εσωτερική ανάκλαση. Αυτός είναι και ο μηχανισμός με τον οποίο το φως διαδίδεται μέσα στην οπτική ίνα, με μικρές απώλειες. Στο σχήμα 8.7 φαίνεται η διάδοση μιας οπτικής ακτίνας σε μία οπτική ίνα μετά από διαδοχικές ολικές ανακλάσεις στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ πυρήνα και περιβλήματος. Η ακτίνα αυτή ονομάζεται μεσημβρινή ακτίνα, επειδή περνά μέσα από τον διαμήκη άξονα της ίνας.

Σχήμα 8.6: Οπτική ακτίνα προσπίπτουσα από υλικό υψηλότερου προς υλικό χαμηλότερου δείκτη

διάθλασης: α) Διάθλαση. β) Κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης φ_c. γ) Ολική εσωτερική ανάκλαση όπου φ>φ_c.

Σχήμα 8.7: Διάδοση του φωτός σε μία οπτική ίνα.

8.4.2 Γωνία υποδοχής (acceptance angle)

Στην προηγούμενη παράγραφο είδαμε ότι σε μία οπτική ίνα διαδίδονται μόνο εκείνες οι οπτικές ακτίνες, οι οποίες προσπίπτουν με γωνία μεγαλύτερη της κρίσιμης γωνίας πρόσπτωσης φ_c. Στο σχήμα 8.8 παριστάνεται μία οπτική ακτίνα Α, η οποία εισέρχεται στον πυρήνα μιας οπτικής ίνας με γωνία θ_α ως προς τον οριζόντιο άξονα συμμετρίας τις ίνας, διαθλάται στη διαχωριστική επιφάνεια αέρα-πυρήνα και στη συνέχεια διαδίδεται στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος υπό την κρίσιμη γωνία φ_c. Μία ακτίνα Β που προσπίπτει στον πυρήνα της ίνας με γωνία μεγαλύτερη από τη θ_α, θα μεταδίδεται στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος με γωνία μικρότερη από τη φ_c και δεν θα υφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση. Η ακτίνα αυτή θα διαθλάται στο περίβλημα και τελικά θα χαθεί λόγω ακτινοβολίας προς τον αέρα που περιβάλλει την ίνα. Επομένως, για να διαδοθούν οι οπτικές ακτίνες με ολική εσωτερική ανάκλαση μέσα στον πυρήνα, θα πρέπει να προσπίπτουν σ’ αυτόν εντός ενός περιορισμένου κώνου, ο οποίος ορίζεται από την κωνική ημίσεια γωνία θ_α. Συνεπώς η γωνία θ_α είναι η μέγιστη γωνία, ως προς τον οριζόντιο άξονα, με την οποία το φως εισέρχεται στην ίνα και διαδίδεται σ’ αυτήν και αναφέρεται ως γωνία υποδοχής της ίνας. Από τη συμμετρία του σχήματος 8.8 προκύπτει η γωνία με την οποία εξέρχεται μία οπτική ακτίνα από την ίνα, θα είναι η ίδια με τη γωνία με την οποία εισέρχεται.

Σχήμα 8.8: Γωνία υποδοχής θ_α κατά την είσοδο του φωτός σε μία οπτική ίνα.

8.4.3 Αριθμητικό άνοιγμα (Numerical Aperture - ΝΑ)

Στο σχήμα 8.9 παριστάνεται μία οπτική ακτίνα που προσπίπτει στον πυρήνα μιας οπτικής ίνας με γωνία θ₁ η οποία είναι μικρότερη από τη γωνία υποδοχής θ_α. Η ακτίνα εισέρχεται στην ίνα από τον αέρα που έχει δείκτη διάθλασης n_o, ενώ ο πυρήνας έχει δείκτη διάθλασης n₁, που είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από το δείκτη διάθλασης του περιβλήματος n₂.

Από το νόμο του Snell (εξίσωση (8.2)), για τη διαχωριστική επιφάνεια αέρα-πυρήνα προκύπτει:

(8.3)

Από το ορθογώνιο τρίγωνο ABC προκύπτει:

φ=90º- θ₂ (8.4)

όπου η γωνία φ είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος. Επομένως η (8.3) μετατρέπεται στην ακόλουθη εξίσωση:

(8.5)

Εφαρμόζοντας την τριγωνομετρική ταυτότητα sin²φ+cos²φ=1 στην παραπάνω εξίσωση, προκύπτει:

(8.6)

Εάν υποθέσουμε ολική εσωτερική ανάκλαση, η φ γίνεται ίση με την κρίσιμη γωνία για τη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος, η οποία δίνεται από την εξίσωση (8.2). Επίσης η θ₁ γίνεται ίση με τη γωνία υποδοχής θ_α. Συνεπώς η παραπάνω εξίσωση λαμβάνει τη μορφή:

(8.7)

Η παραπάνω εξίσωση συσχετίζει τη γωνία υποδοχής με τους δείκτες διάθλασης και εκφράζει το αριθμητικό άνοιγμα (ΝΑ) μιας οπτικής ίνας:

(8.8)

Σχήμα 8.9: Η διαδρομή μιας οπτικής ακτίνας που εισέρχεται σε μία οπτική ίνα από τον αέρα με

γωνία εισόδου μικρότερη της γωνίας υποδοχής της ίνας.

Επειδή στον αέρα ο δείκτης διάθλασης είναι περίπου ίσος με τη μονάδα (n_o=1), από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει . Επίσης, θα πρέπει να σημειωθεί ότι μέσα στην οπτική ίνα θα διαδίδονται οι ακτίνες που προσπίπτουν με γωνία 0 ≤θ₁ ≤ θ_α.

Το αριθμητικό άνοιγμα μπορεί να εκφραστεί και ως συνάρτηση της παραμέτρου , η οποία ονομάζεται «σχετική διαφορά των δεικτών διάθλασης». Τότε η (8.8) καταλήγει στη μορφή:

(8.9)

Οι εξισώσεις (8.8) και (8.9) εκφράζουν την ικανότητα συλλογής φωτός από μία οπτική ίνα και ισχύουν για οπτικές ίνες με διάμετρο 8 μm και άνω.

8.4.4 Λοξές ακτίνες (skew rays)

Μέχρι τώρα θεωρήσαμε τη διάδοση μεσημβρινών ακτίνων μέσα σε μία οπτική ίνα, δηλαδή ακτίνων που περνούν μέσα από τον διαμήκη άξονα της ίνας. Όμως, υπάρχουν και ακτίνες οι οποίες διαδίδονται ακολουθώντας μία ελικοειδή διαδρομή μέσα στην ίνα, χωρίς να περνούν μέσα από τον διαμήκη άξονά της (σχήμα 8.10). Οι ακτίνες αυτές ονομάζονται «λοξές» και είναι πολύ περισσότερες από τις μεσημβρινές ακτίνες. Από το σχήμα 8.10(β), προκύπτει ότι η μεταβολή της διεύθυνσης των λοξών ακτίνων είναι 2γ σε κάθε ανάκλαση. Το αριθμητικό άνοιγμα στην περίπτωση των λοξών ακτίνων δίνεται από τη σχέση:

(8.10)

όπου η γωνία θ_αs παριστάνει τώρα τη μέγιστη γωνία υποδοχής για λοξές ακτίνες.

Συγκρίνοντας τις εξισώσεις (8.8) και (8.10), παρατηρούμε ότι η γωνία υποδοχής των λοξών ακτίνων είναι μεγαλύτερη από εκείνη των μεσημβρινών ακτίνων για μια δεδομένη ίνα και εξαρτάται από την τιμή του cosγ. Επίσης, από το σχήμα 8.10 φαίνεται ότι οι λοξές ακτίνες διαδίδονται στην εξωτερική επιφάνεια του πυρήνα της ίνας.

Σχήμα 8.10: α) Η διαδρομή μιας λοξής οπτικής ακτίνας κατά μήκος της οπτικής ίνας. β) Εγκάρσια

τομή της ίνας.

8.5 Ρυθμοί διάδοσης σε μία οπτική ίνα

Κατά τη διάδοση του φωτός στο κενό το μήκος κύματος λ με το οποίο διαδίδεται συνδέεται με τη συχνότητα f, με τη σχέση:

(8.11)

όπου c=3∙10⁸ m/sec είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Επίσης, το μήκος κύματος λ συνδέεται με τη σταθερά διάδοσης k, μέσω της σχέσης:

(8.12)

Μέσα σε μία οπτική ίνα (σχήμα 8.11) με δείκτες διάθλασης n₁ για τον πυρήνα και n₂ για το περίβλημα, το μήκος κύματος διάδοσης του φωτός γίνεται τώρα ίσο με λ/n₁, ενώ η σταθερά διάδοσης ισούται με n₁ k. Αν θ είναι η γωνία μεταξύ της οπτικής ακτίνας και του άξονα της ίνας, τότε το διαδιδόμενο οπτικό κύμα μπορεί να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες κατά τις διευθύνσεις z και x, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.11(α). Η σταθερά διάδοσης κατά τις δύο αυτές διευθύνσεις δίνεται από τη σχέση:

(8.13)

(8.14)

Σχήμα 8.11: Ο σχηματισμός ενός ρυθμού διάδοσης σε μία οπτική ίνα. α) Ανάλυση διαδιδόμενης

οπτικής ακτίνας σε δύο συνιστώσες. β) Αλληλεπίδραση οπτικών ακτίνων για το σχημα-

τισμό του ρυθμού χαμηλότερης (ή μηδενικής) τάξης.

Η συνιστώσα του κύματος στη διεύθυνση x, ανακλάται στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ πυρήνα και περιβλήματος. Όταν η αλλαγή φάσης μετά από δύο διαδοχικές ανακλάσεις στην άνω και κάτω διαχωριστική επιφάνεια (μεταξύ των σημείων P και Q) είναι ίση με 2mπ ακτίνια (όπου m ακέραιος), τότε συμβαίνει δημιουργική συμβολή και δημιουργείται ένα στάσιμο κύμα κατά τη διεύθυνση x. Αυτό απεικονίζεται στο σχήμα 8.11(β) όπου φαίνεται η αλληλεπίδραση δύο κυμάτων. Εδώ υποτίθεται ότι αυτή η αλληλεπίδραση σχηματίζει το κατώτερης τάξης (m=0) στάσιμο κύμα, όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι μέγιστο στο κέντρο του πυρήνα και εξασθενεί τείνοντας στο μηδέν στις διαχωριστικές επιφάνειες μεταξύ πυρήνα και περιβλήματος. Όπως φαίνεται από στο σχήμα 8.11(β), το ηλεκτρικό πεδίο διεισδύει σε κάποια μικρή απόσταση μέσα στο περίβλημα. Ουσιαστικά όμως το οπτικό κύμα περικλείεται εντός του πυρήνα και η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στη διεύθυνση x δεν μεταβάλλεται καθώς το κύμα διαδίδεται στη διεύθυνση z. Το ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο στη διεύθυνση z, φαίνεται επίσης στο σχήμα 8.11(β). Η σταθερή κατανομή του πεδίου στη διεύθυνση x, έχοντας μόνο περιοδική εξάρτηση από τη διεύθυνση z, είναι γνωστή ως ρυθμός διάδοσης. Ένας συγκεκριμένος ρυθμός λαμβάνεται μόνο όταν η γωνία θ έχει μία συγκεκριμένη τιμή. Οι εξισώσεις (8.13) και (8.14) ορίζουν μία ομάδα ακτίνων, οι οποίες στην περίπτωση που περιγράφτηκε παραπάνω, παριστάνουν το ρυθμό χαμηλότερης τάξης. Έτσι, το φως που διαδίδεται μέσα στον πυρήνα σχηματίζει διακριτούς ρυθμούς, που ο καθένας χαρακτηρίζεται από μία ξεχωριστή τιμή της γωνίας θ. Οι ρυθμοί αυτοί έχουν μία περιοδική εξάρτηση από το z της μορφής , όπου β_z είναι η σταθερά διάδοσης του ρυθμού. Για λόγους απλότητας θέτουμε β_z=β. Επιπλέον, το πεδίο μίας μονοχρωματικής (μίας συχνότητας) ακτίνας φωτός γωνιακής συχνότητας ω, έχει εξάρτηση και από το χρόνο της μορφής . Επομένως ο παράγοντας , περιγράφει έναν ρυθμό διαδιδόμενο στη διεύθυνση z.

Στο σχήμα 8.12 παριστάνονται οι εγκάρσιοι ηλεκτρικοί ρυθμοί (ή ρυθμοί ΤΕ) 1^ης, 2^ης και 3^ης τάξης (m=1,2,3), στους οποίους φαίνεται ότι ένα μέρος του ηλεκτρικού πεδίου εισέρχεται μέσα στο περίβλημα της ίνας. Σημειώνεται ότι ο δείκτης m δηλώνει τον αριθμό των μηδενισμών του εγκάρσιου ηλεκτρικού πεδίου. Εφ’ όσον το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, αποτελείται από ένα περιοδικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο Ε και ένα περιοδικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο Η, κάθετα μεταξύ τους. Οι εγκάρσιοι ρυθμοί του σχήματος 8.12 δείχνουν την περίπτωση όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης (κείται στο εγκάρσιο επίπεδο) και συνεπώς Ε_z=0. Όμως Η_z ≠ 0 και οι ρυθμοί χαρακτηρίζονται ως εγκάρσιοι ηλεκτρικοί (Transverse Electric, TE). Παρόμοια, όταν το ηλεκτρικό πεδίο είναι κατά τη διεύθυνση διάδοσης, δηλαδή Ε_z ≠ 0 και Η_z=0, οι ρυθμοί χαρακτηρίζονται ως εγκάρσιοι μαγνητικοί (Transverse Magnetic, TM). Όταν τόσο το ηλεκτρικό όσο και το μαγνητικό πεδίο βρίσκονται στο εγκάρσιο επίπεδο τότε Ε_z=0 και Η_z=0, οι ρυθμοί χαρακτηρίζονται ως εγκάρσιοι ηλεκτρομαγνητικοί (Transverse Electro-Magnetic, TEM), οι οποίοι όμως σπάνια συναντώνται στις οπτικές ίνες.

Σχήμα 8.12: Εγκάρσιοι ηλεκτρικοί ρυθμοί (ΤΕ) 1^ης, 2^ης και 3^ης τάξης σε μία οπτική ίνα.

Για μία κυλινδρική οπτική ίνα, η παράμετρος V (η οποία είναι αδιάστατο μέγεθος) ονομάζεται κανονικοποιημένη συχνότητα (normalised frequency) και ορίζεται ως εξής:

(8.15)

όπου ρ είναι η ακτίνα του πυρήνα. Με βάση τις εξισώσεις (8.8) και (8.15), η κανονικοποιημένη συχνότητα μπορεί να εκφραστεί συναρτήσει του μήκους κύματος λ και του αριθμητικού ανοίγματος της ίνας NA, ως εξής:

(8.16)

Λαμβάνοντας υπόψην και την (8.9) η κανονικοποιημένη συχνότητα μπορεί να εκφραστεί και ως συνάρτηση της σχετική διαφοράς των δεικτών διάθλασης Δ:

(8.17)

8.6 Ίνες βηματικού δείκτη (step index fibres)

Όταν η μεταβολή του δείκτη διάθλασης στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος μιας οπτικής ίνας είναι απότομη (βηματική) (σχήμα 8.13), η ίνα ονομάζεται ίνα βηματικού δείκτη. Η μορφή του δείκτη διάθλασης μπορεί να εκφραστεί με την εξίσωση:

(8.18)

Στο σχήμα 8.13(α) φαίνεται μία ίνα βηματικού δείκτη - πολλαπλού ρυθμού (multimode) με διάμετρο πυρήνα περίπου 50 μm ή και μεγαλύτερη, η οποία επιτρέπει τη διάδοση πολλών ρυθμών μέσα στον πυρήνα. Αυτό παριστάνεται από τις πολλές διαφορετικές διαδρομές των οπτικών ακτίνων μέσα στον πυρήνα. Στο σχήμα 8.13(β) φαίνεται μία ίνα βηματικού δείκτη -απλού ρυθμού (single mode) με διάμετρο 2-10 μm, η οποία επιτρέπει τη διάδοση ενός μόνο ρυθμού μέσα στον πυρήνα, το οποίο παριστάνεται από μία μόνο οπτική ακτίνα.

Σχήμα 8.13: Η μορφή του δείκτη διάθλασης και η μετάδοση των οπτικών ακτίνων σε ίνες βηματικού

δείκτη: α) Ίνα βηματικού δείκτη – πολλαπλού ρυθμού. β) Ίνα βηματικού δείκτη – απλού

ρυθμού.

Οι ίνες βηματικού δείκτη-απλού ρυθμού έχουν το πλεονέκτημα της μη-παραμόρφωσης των παλμών φωτός (επειδή διαδίδεται μόνο ένας ρυθμός), σε αντίθεση με τις ίνες βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού, όπου υπάρχει σημαντική παραμόρφωση λόγω διασποράς. (Διασπορά είναι το φαινόμενο όπου η ταχύτητα διάδοσης των διαφόρων ρυθμών είναι διαφορετική και συνεπώς οι χρόνοι άφιξης των ρυθμών διάδοσης στο άλλο άκρο της ίνας είναι διαφορετικοί). Αυτό έχει ως συνέπεια να επιτυγχάνεται μεγαλύτερο εύρος ζώνης στις ίνες απλού ρυθμού. Όταν όμως οι απαιτήσεις για εύρος ζώνης δεν είναι μεγάλες, οι ίνες πολλαπλού ρυθμού έχουν τα εξής πλεονεκτήματα:

• Χρησιμοποιούν μη-σύμφωνες οπτικές πηγές (π.χ. διόδους εκπομπής φωτός – LED) οι οποίες είναι δύσκολο να συζευχθούν με ίνες απλού ρυθμού.
• Έχουν μεγαλύτερο αριθμητικό άνοιγμα και διάμετρο πυρήνα, γεγονός που παρέχει εύκολη σύζευξη με οπτικές πηγές.
• Οι απαιτήσεις απαιτούν πολύ μικρές ανοχές στις διαστάσεις των συνδετήρων που τις συνδέουν.

Οι ίνες πολλαπλού ρυθμού επιτρέπουν τη διάδοση ενός πεπερασμένου αριθμού ρυθμών διάδοσης. Ο αριθμός των ρυθμών που διαδίδονται εξαρτάται από τις φυσικές παραμέτρους της ίνας (δείκτες διάθλασης, ακτίνα πυρήνα) και τα μήκη κύματος του διαδιδόμενου φωτός, τα οποία συμπεριλαμβάνονται στην κανονικοποιημένη συχνότητα V της ίνας. Οι ρυθμοί διάδοσης παύουν να διαδίδονται κάτω από μία συχνότητα, η οποία ονομάζεται κανονικοποιημένη συχνότητα αποκοπής V_c. Ο αριθμός των ρυθμών διάδοσης M_s σε μία ίνα βηματικού δείκτη δίνεται προσεγγιστικά από την παρακάτω σχέση:

(8.19)

8.7 Ίνες διαβαθμισμένου δείκτη (graded index fibres)

Στις ίνες διαβαθμισμένου δείκτη, ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα δεν είναι σταθερός αλλά μειώνεται με την ακτινική απόσταση από το κέντρο του πυρήνα. Αυτή η μεταβολή εκφράζεται ως εξής:

(8.20)

όπου είναι η σχετική διαφορά των δεικτών διάθλασης και α η παράμετρος προφίλ του δείκτη διάθλασης, η οποία χαρακτηρίζει τη μεταβολή του δείκτη διάθλασης στον πυρήνα της ίνας. Για παράδειγμα α=∞ αντιστοιχεί σε ίνα βηματικού δείκτη, α=2 αντιστοιχεί σε μία παραβολική μεταβολή του δείκτη διάθλασης και α=1 αντιστοιχεί σε μία τριγωνική μεταβολή του δείκτη διάθλασης (σχήμα 8.14). Στην πράξη, έχει αποδειχθεί ότι για οπτική διάδοση πολλαπλού ρυθμού, πιο αποτελεσματικές είναι οι ίνες με α≈2.

Σχήμα 8.14: Διάφορα προφίλ του δείκτη διάθλασης για διαφορετικές τιμές του α.

Μία οπτική ίνα διαβαθμισμένου δείκτη - πολλαπλού ρυθμού με παραβολικό προφίλ του δείκτη διάθλασης του πυρήνα, φαίνεται στο σχήμα 8.15. Παρατηρούμε ότι οι μεσημβρινές ακτίνες ακολουθούν καμπύλες διαδρομές μέσα από τον πυρήνα.

Σχήμα 8.15: Προφίλ του δείκτη διάθλασης και μετάδοση ακτίνων σε μία ίνα διαβαθμισμένου δείκτη–

πολλαπλού ρυθμού.

Η βαθμιαία μείωση του δείκτη διάθλασης από το κέντρο του πυρήνα δημιουργεί διαδοχικές διαθλάσεις, καθώς μπορεί να θεωρηθεί ότι οι οπτικές ακτίνες προσπίπτουν σε ένα μεγάλο αριθμό από στρώματα, με δείκτες διάθλασης που μειώνονται συνεχώς (σχήμα 8.16).

Σχήμα 8.16: Διαδοχικές διαθλάσεις που υφίσταται μία οπτική ακτίνα κατά την πρόσπτωσή της σε

πολλά στρώματα με δείκτες διάθλασης που μειώνονται συνεχώς (ίνα διαβαθμισμένου δείκτη), με αποτέλεσμα την καμπύλωσή της.

Οι ίνες διαβαθμισμένου δείκτη-πολλαπλού ρυθμού παρουσιάζουν πολύ μικρότερη διασπορά από τις ίνες βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού, λόγω του προφίλ του δείκτη διάθλασής τους. Παρά το γεγονός ότι σε μία ίνα διαβαθμισμένου δείκτη-πολλαπλού ρυθμού διεγείρονται πολλοί διαφορετικοί ρυθμοί με διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης, αυτές τείνουν να εξισορροπηθούν από τη διαβάθμιση του δείκτη διάθλασης. Αυτό εξηγείται ως εξής: οι οπτικές ακτίνες που ταξιδεύουν πιο κοντά στον κεντρικό άξονα της ίνας ακολουθούν μικρότερες διαδρομές σχετικά με τις ακτίνες που ταξιδεύουν στην εξωτερική περιοχή του πυρήνα. Όμως, οι ακτίνες κοντά στον πυρήνα μεταδίδονται μέσα από υλικό μεγαλύτερου δείκτη διάθλασης και επομένως ταξιδεύουν με χαμηλότερη ταχύτητα από τις ακτίνες που κινούνται μακρύτερα από τον κεντρικό άξονα της ίνας. Έτσι, οι μικρότερες διαδρομές αντισταθμίζονται από τις χαμηλότερες ταχύτητες των οπτικών ακτίνων, γεγονός που ελαττώνει τη διασπορά στην οπτική ίνα. Το ίδιο συμβαίνει και με τις λοξές ακτίνες, οι οποίες ακολουθούν μεγαλύτερες ελικοειδείς διαδρομές (βλέπε σχήμα 8.10). Αυτές ταξιδεύουν με μεγαλύτερες ταχύτητες, γιατί κατά το μεγαλύτερο μέρος τους κινούνται στην περιοχή του πυρήνα όπου ο δείκτης διάθλασης είναι χαμηλότερος. Συνεπώς, οι ίνες διαβαθμισμένου δείκτη-πολλαπλού ρυθμού με περίπου παραβολικό προφίλ δείκτη διάθλασης, έχουν πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης από τις ίνες βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού. Αν και δεν επιτυγχάνουν το εύρος ζώνης των ινών απλού ρυθμού, έχουν το πλεονέκτημα των μεγάλων διαμέτρων πυρήνα ( >30 μm), που μαζί με το εύρος ζώνης που επιτυγχάνουν τις καθιστά κατάλληλες για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων.

Οι παράμετροι που ορίστηκαν για τις οπτικές ίνες βηματικού δείκτη (ΝΑ, Δ, V) μπορούν να εφαρμοστούν και για τις ίνες διαβαθμισμένου δείκτη. Όμως, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη στις ίνες διαβαθμισμένου δείκτη, καθώς το αριθμητικό άνοιγμα είναι συνάρτηση της ακτινικής απόστασης από τον κεντρικό άξονα της ίνας και επομένως οι ίνες αυτές δέχονται λιγότερο φως από τις ίνες βηματικού δείκτη, για την ίδια σχετική διαφορά των δεικτών διάθλασης Δ.

Ο συνολικός αριθμός των ρυθμών Μ_g που μπορούν να διαδοθούν σε μία ίνα διαβαθμισμένου δείκτη, δίνεται από τη σχέση:

(8.21)

Από την εξίσωση (8.17) αν θέσουμε , προκύπτει:

(8.22)

Στην παραπάνω εξίσωση, λύνοντας ως προς και αντικαθιστώντας στην (8.21) προκύπτει:

(8.23)

8.8 Ίνες απλού ρυθμού (single mode fibres)

Το πλεονέκτημα της διάδοσης ενός μόνο ρυθμού σε μία ίνα, έγκειται στην εξάλειψη του φαινομένου της διασποράς που εμφανίζεται στις ίνες πολλαπλού ρυθμού. Για να διαδοθεί ένας μόνο ρυθμός σε μία ίνα, θα πρέπει αυτή να είναι κατάλληλα κατασκευασμένη, ώστε όλοι οι άλλοι ρυθμοί να εξασθενούν. Αυτό επιτυγχάνεται με την κατάλληλη επιλογή της κανονικοποιημένης συχνότητας V της ίνας. Για τη διάδοση ενός μόνο ρυθμού σε ίνες βηματικού δείκτη-απλού ρυθμού, η κανονικοποιημένη συχνότητα αποκοπής V_c θα πρέπει να είναι V_c=2,405 και η ακτίνα του πυρήνα θα πρέπει να είναι πολύ μικρότερη της αντίστοιχης ακτίνας των ινών βηματικού δείκτη – πολλαπλού ρυθμού. Οι ίνες διαβαθμισμένου δείκτη μπορούν επίσης να σχεδιαστούν για λειτουργία απλού ρυθμού και στην περίπτωση αυτή η κανονικοποιημένη συχνότητα αποκοπής V_c δίνεται από τη σχέση:

(8.24)

Η λειτουργία απλού ρυθμού μπορεί να συμβεί μόνο πάνω από μία συγκεκριμένη τιμή του μήκους κύματος, το οποίο ονομάζεται μήκος κύματος αποκοπής λ_c και προκύπτει από τη σχέση (8.17):

(8.25)

Επομένως το λ_c είναι το μήκος κύματος πάνω από το οποίο μία συγκεκριμένη ίνα λειτουργεί σε απλό ρυθμό. Διαιρώντας τις εξισώσεις (8.25) και (8.17) λαμβάνουμε τη σχέση:

(8.26)

Για μία ίνα βηματικού δείκτη όπου V_c=2,405, το μήκος κύματος αποκοπής θα δίνεται ως εξής:

(8.27)

8.9 Χαρακτηριστικά μετάδοσης των οπτικών ινών

Τα χαρακτηριστικά μετάδοσης των οπτικών ινών, τα οποία καθορίζουν αν μία ίνα είναι κατάλληλη για ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα, είναι η εξασθένιση (ή απώλεια) και το εύρος ζώνης. Αν και στα πρώτα χρόνια ανάπτυξης των οπτικών ινών (δεκαετία του 1960) η εξασθένισή τους ήταν πολύ μεγάλη - με αποτέλεσμα η επικοινωνία μετά από μερικές δεκάδες μέτρα να είναι αδύνατη – σήμερα έχουν κατασκευαστεί οπτικές ίνες από γυαλί πυριτίου, που έχουν εξασθένιση μόλις 0,2 dB/km. Όσον αφορά το εύρος ζώνης μιας οπτικής ίνας, αυτό περιορίζεται από τη διασπορά του σήματος μέσα στην ίνα, η οποία καθορίζει τον αριθμό των bits της μεταδιδόμενης πληροφορίας, μέσα σε μία δεδομένη χρονική περίοδο.

8.9.1 Εξασθένιση (attenuation)

Η εξασθένιση του σήματος στις οπτικές ίνες (όπως και στους μεταλλικούς αγωγούς) μπορεί να εκφραστεί στη λογαριθμική κλίμακα, με τη μονάδα decibel. Η μονάδα αυτή συγκρίνει δύο στάθμες ισχύος και για μία οπτική ίνα ορίζεται ως ο λογαριθμικός λόγος της ισχύος P_in στην είσοδο της οπτικής ίνας, προς την ισχύ P_out στην έξοδο της ίνας, ως εξής:

(8.28)

Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ο λόγος των ισχύων σε καθαρό αριθμό, ως εξής:

(8.29)

Στα συστήματα επικοινωνιών με οπτικές ίνες, η εξασθένιση εκφράζεται συνήθως σε decibel ανά μονάδα μήκους (π.χ. dB/km), ως εξής:

(8.30)

όπου a_dB είναι η εξασθένιση του σήματος ανά μονάδα μήκους σε decibel/km και l το μήκος της ίνας σε km.

Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την εξασθένιση του σήματος μέσα στις οπτικές ίνες. Οι σημαντικότεροι από αυτούς είναι η απορρόφηση του σήματος λόγω του υλικού της ίνας, η σκέδαση λόγω του υλικού (γραμμική και μη-γραμμική), οι απώλειες λόγω καμπύλωσης της ίνας, οι απώλειες ακτινοβολίας λόγω σύζευξης των ρυθμών διάδοσης στην ίνα και απώλειες λόγω των συνδετήρων που συνδέουν τις ίνες.

8.9.2 Απώλειες λόγω απορρόφησης από το υλικό της ίνας

Οι απώλειες λόγω απορρόφησης του φωτός από το υλικό της ίνας, είναι ένας μηχανισμός που σχετίζεται με τη σύνθεση του υλικού και τη διαδικασία κατασκευής της ίνας και έχει ως αποτέλεσμα την κατανάλωση μέρους της μεταδιδόμενης οπτικής ισχύος υπό μορφή θερμότητας. Η απορρόφηση του φωτός μπορεί να είναι ενδογενής (προκαλείται από την αλληλεπίδραση του φωτός με ένα ή περισσότερα συστατικά του γυαλιού της ίνας) ή εξωγενής (προκαλείται από ξένα σώματα που υπάρχουν μέσα στο γυαλί, κυρίως μέταλλα).

Για μία απολύτως «καθαρή» ίνα (χωρίς ξένες προσμίξεις) από ύαλο πυριτίου, η ενδογενής απορρόφηση παριστάνεται στο σχήμα 8.17. Στο σχήμα αυτό παρατηρούμε ότι η εξασθένιση λόγω ενδογενούς απορρόφησης φθίνει στην περιοχή του υπεριώδους (0,6-1,15 μm) και αυξάνει απότομα στην περιοχή του υπερύθρου (1,5-2 μm), ενώ υπάρχει ένα «παράθυρο» χαμηλής ενδογενούς απορρόφησης από τα 1,15 ως τα 1,5 μm. Επίσης, στο σχήμα 8.17 παριστάνεται και η εξασθένιση λόγω σκέδασης Rayleigh (που θα δούμε στη συνέχεια) και η συνολική εξασθένιση.

Η εξασθένιση που προκαλείται από ξένα σώματα που υπάρχουν μέσα στο γυαλί (εξωγενής απορρόφηση) είναι σχεδόν σταθερή, με τιμή περίπου 0,03 dB/km, για την περιοχή φάσματος του υπεριώδους και του υπερύθρου φωτός.

Σχήμα 8.17: Το φάσμα εξασθένισης λόγω ενδογενούς απορρόφησης και λόγω σκέδασης Rayleigh σε

μία «καθαρή» ίνα από γυαλί GeO₂-SiO₂.

8.9.3 Γραμμικές απώλειες λόγω σκέδασης (linear scattering losses)

Οι μηχανισμοί γραμμικής σκέδασης προκαλούν τη γραμμική μεταφορά ενός μέρους ή όλης της οπτικής ισχύος από έναν διαδιδόμενο ρυθμό, σε έναν άλλον ρυθμό, ο οποίος δεν διαδίδεται μέσα στην ίνα αλλά ακτινοβολείται προς τον περιβάλλοντα χώρο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι κατά τη σκέδαση, δεν συμβαίνει αλλαγή στη συχνότητα λειτουργίας της ίνας. Η γραμμική σκέδαση χωρίζεται σε δύο βασικές κατηγορίες: τη σκέδαση Rayleigh και τη σκέδαση Mie.

Η σκέδαση Rayleigh προκαλείται από ανομοιογένειες στο υλικό της ίνας που προκαλούνται κατά τη διαδικασία κατασκευής της και είναι μικρής κλίμακας, σχετικά με το οπτικό μήκος κύματος λειτουργίας της ίνας. Οι ανομοιογένειες αυτές έχουν ως αποτέλεσμα, τοπικές διακυμάνσεις στο δείκτη διάθλασης της ίνας. Οι απώλειες λόγω σκέδασης Rayleigh εκφράζονται από τον συντελεστή απώλειας μετάδοσης L, ο οποίος δίνεται από την ακόλουθη σχέση:

(8.31)

όπου l είναι το μήκος της ίνας και γ_R ο συντελεστής σκέδασης Rayleigh, ο οποίος δίνεται από τη σχέση:

(8.32)

όπου λ είναι το οπτικό μήκος κύματος, n₁ ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα της ίνας, p ο μέσος φωτοελαστικός συντελεστής, β_c ο συντελεστής ισοθερμικής συμπίεσης σε θερμοκρασία T_F και Κ=1,381∙10^-23 Joule/ºK η σταθερά του Boltzmann. Από την τελευταία εξίσωση προκύπτει ότι οι απώλειες λόγω σκέδασης Rayleigh ελαττώνονται σε μεγάλο βαθμό, όταν η ίνα λειτουργεί σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.

Η σκέδαση Mie προκαλείται επίσης από ανομοιογένειες στο υλικό της ίνας, οι οποίες όμως είναι συγκρίσιμες με το οπτικό μήκος κύματος λειτουργίας της ίνας. Όταν το μέγεθος των ανομοιογενειών αυτών γίνεται μεγαλύτερο από λ/10, οι απώλειες λόγω σκέδασης Mie μπορούν να γίνουν πολύ μεγάλες.

8.9.4 Mη-γραμμικές απώλειες λόγω σκέδασης (non-linear scattering losses)

Οι οπτικές ίνες δεν συμπεριφέρονται πάντα γραμμικά, δηλαδή η αύξηση στην ισχύ εξόδου τους δεν είναι πάντα ανάλογη της αύξησης στην ισχύ εισόδου τους. Αυτή η μη-γραμμική συμπεριφορά προκαλεί τη μεταφορά της οπτικής ισχύος ενός συγκεκριμένου ρυθμού διάδοσης προς την εμπρός ή την αντίστροφη κατεύθυνση της ίνας, στον ίδιο ρυθμό ή τη μεταφορά σε άλλους ρυθμούς σε διαφορετική συχνότητα. Οι πιο σημαντικοί τύποι της μη-γραμμικής σκέδασης είναι η διεγερμένη σκέδαση Brillouin και η σκέδαση Raman. Και οι δύο αυτοί μηχανισμοί σκέδασης εμφανίζονται σε υψηλές πυκνότητες οπτικής ισχύος και κυρίως σε ίνες απλού ρυθμού μεγάλου μήκους.

Η διεγερμένη σκέδαση Brillouin μπορεί να θεωρηθεί ως η διαμόρφωση του φωτός μέσα από θερμικές μοριακές δονήσεις εντός της ίνας. Το σκεδαζόμενο φως εμφανίζεται ως ανώτερη και κατώτερη πλευρική ζώνη, οι οποίες διαχωρίζονται από το προσπίπτον φως, με τη συχνότητα διαμόρφωσης. Κατά τη διαδικασία της σκέδασης, το προσπίπτον φωτόνιο παράγει ένα φωνόνιο (κβάντα ενός ελαστικού κύματος) ακουστικής συχνότητας και ένα φωτόνιο. Έτσι παράγεται μία «ολίσθηση» στην οπτική συχνότητα, η οποία μεταβάλλεται με τη γωνία σκέδασης, επειδή η συχνότητα του ήχου μεταβάλλεται με το ακουστικό μήκος κύματος. Αυτή η ολίσθηση είναι μέγιστη κατά την αντίστροφη κατεύθυνση και ελαττώνεται στο μηδέν, κατά την προς τα εμπρός κατεύθυνση. Η σκέδαση Brillouin είναι σημαντική για πυκνότητες ισχύος, πάνω από μία συγκεκριμένη τιμή κατωφλίου. Η τιμή αυτή δίνεται από τη σχέση:

(Watts) (8.33)

όπου d και λ είναι η διάμετρος του πυρήνα της ίνας και το μήκος κύματος λειτουργίας αντίστοιχα σε μm, a_dB είναι η εξασθένιση της ίνας σε dB/km και v είναι το εύρος ζώνης της πηγής (π.χ. laser) σε GHz.

H διεγερμένη σκέδαση Raman είναι παρόμοια με τη διεγερμένη σκέδαση Brillouin, με τη διαφορά ότι - κατά τη διαδικασία της σκέδασης - παράγεται ένα οπτικό φωνόνιο υψηλής συχνότητας, παρά ένα ακουστικό φωνόνιο. Επίσης, η σκέδαση Raman μπορεί να συμβεί τόσο προς την εμπρός όσο και προς την αντίστροφη κατεύθυνση σε μία οπτική ίνα και μπορεί να έχει ένα κατώφλι οπτικής ισχύος, το οποίο είναι έως τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το κατώφλι Brillouin. Η τιμή του κατωφλίου αυτού για μία μεγάλη σε μήκος οπτική ίνα απλού ρυθμού, δίνεται από τη σχέση:

(Watts) (8.34)

όπου τα d, λ και a_dB, καθορίζονται όπως στην εξίσωση (8.33).

8.9.5 Απώλειες λόγω κάμψης της ίνας (fibre bend loss)

Είναι δυνατόν, σε μία οπτική ίνα να δημιουργηθούν απώλειες ακτινοβολίας, όταν η ίνα κάμπτεται ή καμπυλώνεται. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται στο σχήμα 8.18. Το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του περιβλήματος που βρίσκεται εκτός της διακεκομμένης με βέλος γραμμής, θα πρέπει να ταξιδεύει ταχύτερα από το πεδίο εντός της γραμμής, ώστε να διατηρείται ένα μέτωπο κύματος κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης. Επομένως, τμήμα του πεδίου στο περίβλημα της ίνας, θα πρέπει να ταξιδεύει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Εφ’ όσον αυτό δεν είναι δυνατόν, η ενέργεια που σχετίζεται με αυτό το τμήμα του πεδίου, χάνεται λόγω ακτινοβολίας.

Σχήμα 8.18: Απώλεια λόγω ακτινοβολίας κατά την καμπύλωση μίας οπτικής ίνας.

Η απώλεια αυτή μπορεί να ληφθεί υπόψην από έναν συντελεστή εξασθένισης λόγω ακτινοβολίας, ο οποίος έχει τη μορφή:

(8.35)

όπου R είναι η ακτίνα καμπυλότητας της ίνας και c₁, c₂ είναι σταθερές ανεξάρτητες του R. Επιπλέον, οι μεγάλες απώλειες λόγω κάμψης, συμβαίνουν σε ίνες πολλαπλού ρυθμού για μια κρίσιμη ακτίνα καμπυλότητας R_c, η οποία δίνεται προσεγγιστικά από τη σχέση:

(8.36)

Από την παραπάνω εξίσωση γίνεται αντιληπτό ότι οι απώλειες αυτές μπορούν να ελαττωθούν, αν οι ίνες σχεδιάζονται με μεγάλες διαφορές στους δείκτες διάθλασης και αν λειτουργούν στο χαμηλότερο δυνατό μήκος κύματος. Για τις ίνες απλού ρυθμού η κρίσιμη ακτίνα καμπυλότητας R_cs δίνεται προσεγγιστικά από τη σχέση:

(8.37)

όπου λ_c είναι το μήκος κύματος αποκοπής για την ίνα απλού ρυθμού.

8.9.6 Διασπορά (dispersion)

Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη παράγραφο, διασπορά είναι το φαινόμενο στο οποίο η ταχύτητα διάδοσης των διαφόρων ρυθμών σε μία οπτική ίνα είναι διαφορετική και συνεπώς οι χρόνοι άφιξης των ρυθμών στο άλλο άκρο της ίνας είναι διαφορετικοί. Το φαινόμενο αυτό προκαλεί την παραμόρφωση των οπτικών σημάτων τόσο στα αναλογικά όσο και στα ψηφιακά συστήματα οπτικών ινών. Κατά την ψηφιακή διαμόρφωση, για παράδειγμα, οι μηχανισμοί διασποράς μπορούν να προκαλέσουν διεύρυνση των μεταδιδόμενων παλμών φωτός, κατά τη διαδρομή τους στο κανάλι μετάδοσης. Το φαινόμενο αυτό παριστάνεται στο σχήμα 8.19, όπου παρατηρείται ότι κάθε παλμός διευρύνεται και «σκεπάζει» τους γειτονικούς του και τελικά γίνεται μη-διακριτός στην είσοδο του δέκτη. Το αποτέλεσμα αυτό ονομάζεται δια-συμβολική παρεμβολή (Inter-Symbol Interference, ISI). Όσο αυξάνεται η δια-συμβολική παρεμβολή, αυξάνεται και ο αριθμός σφαλμάτων στο ψηφιακό οπτικό κανάλι. [Ο ρυθμός σφαλμάτων εξαρτάται επίσης και από την εξασθένιση του σήματος κατά μήκος της ίνας και συνεπώς και από το λόγο σήματος προς θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio, SNR) στο δέκτη]. Συνεπώς, η διασπορά σήματος περιορίζει το μέγιστο δυνατό εύρος ζώνης που μπορεί να επιτευχθεί σε μία οπτική ίνα.

Σχήμα 8.19: Διεύρυνση των παλμών φωτός κατά τη μετάδοσή τους σε μία οπτική ίνα: α) Παλμοί

στην είσοδο της ίνας. β) Παλμοί σε απόσταση L₁. γ) Παλμοί σε απόσταση L₂>L₁.

Για να μη συμβεί αλληλοκάλυψη των παλμών φωτός σε μία ζεύξη οπτικής ίνας, θα πρέπει ο ρυθμός των bits B_T να είναι μικρότερος από το αντίστροφο της χρονικής διάρκειας 2τ του διευρυμένου (λόγω διασποράς) παλμού:

(bits/sec) (8.38)

Η παραπάνω εξίσωση υποθέτει ότι η διεύρυνση του παλμού λόγω διασποράς είναι τ, ενώ η διάρκεια του παλμού είναι επίσης τ και συνεπώς δίνει μία συντηρητική εκτίμηση για το μέγιστο ρυθμό των bits που μπορούν να μεταδοθούν. Μία πιο ακριβής εκτίμηση μπορεί να δοθεί, αν θεωρηθεί ότι οι παλμοί φωτός που φτάνουν στο δέκτη έχουν ένα σχήμα κατανομής Gauss, με ενεργό τιμή (rms) πλάτους σ. Στην περίπτωση αυτή ο μέγιστος ρυθμός των bits είναι:

(bits/sec) (8.39)

Η μετατροπή του ρυθμού των bits σε εύρος ζώνης (Hz), εξαρτάται από το σύστημα ψηφιακής κωδικοποίησης που χρησιμοποιείται. Όταν χρησιμοποιείται ο κώδικας «μη-επιστροφής στο μηδέν» (Non-Return to Zero, NRZ), το δυαδικό «1» διατηρείται καθ’ όλη την περίοδο τ του bit. Στην περίπτωση αυτή υπάρχουν δύο περίοδοι σε ένα μήκος κύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.20(α). Επομένως, το μέγιστο εύρος ζώνης B, είναι το μισό του μέγιστου ρυθμού των bits, δηλαδή Β=Β_Τ(max)/2. Όταν όμως χρησιμοποιείται ο κώδικας «επιστροφής στο μηδέν» (Return to Zero, RZ), το δυαδικό «1» διατηρείται μόνο για ποσοστό (συνήθως 50%) της περιόδου [σχήμα 8.20(β)]. Σ’ αυτήν την περίπτωση ο ρυθμός των bits είναι ίσος με το εύρος ζώνης (Hz), δηλαδή Β=Β_Τ.

Σχήμα 8.20: Σχηματική αναπαράσταση της σχέσης μεταξύ του ρυθμού των bits και του εύρους ζώνης για ψηφιακούς κώδικες: α) Κώδικας «μη-επιστροφής στο μηδέν» (NRZ). β) Κώδικας «επιστροφής στο μηδέν» (RZ).

Στο σχήμα 8.21 φαίνονται οι τρεις κοινές κατηγορίες οπτικών ινών (βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού, διαβαθμισμένου δείκτη-πολλαπλού ρυθμού και βηματικού δείκτη-απλού ρυθμού), καθώς και η αντίστοιχη διεύρυνση των παλμών. Παρατηρείται ότι η ίνα βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού παρουσιάζει τη μεγαλύτερη διασπορά παλμού, ενώ η ίνα διαβαθμισμένου δείκτη-πολλαπλού ρυθμού, έχει σημαντικά βελτιωμένη απόδοση. Τέλος, η ίνα βηματικού δείκτη-απλού ρυθμού, παρουσιάζει τη μικρότερη διασπορά παλμού και επομένως μπορεί να επιτρέψει τη μετάδοση μεγάλου εύρους ζώνης, της τάξεως των GHz. Σε αντίθεση, η μετάδοση σε μία ίνα βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού, περιορίζεται σε εύρος ζώνης της τάξης μερικών δεκάδων MHz. Όμως, η διεύρυνση ενός παλμού εξαρτάται και από την απόσταση που ταξιδεύει μέσα στην ίνα και συνεπώς για μία δεδομένη οπτική ζεύξη, ο περιορισμός του χρησιμοποιήσιμου εύρους ζώνης καθορίζεται από την απόσταση μεταξύ των επαναληπτών (δηλαδή την απόσταση που ταξιδεύει ο παλμός μέχρι να επαναδομηθεί). Έτσι, η διασπορά σε μία οπτική ίνα, συνήθως ορίζεται ως η διεύρυνση του παλμού στο χρόνο ανά μοναδιαίο μήκος της ίνας (π.χ. nsec/km). Επομένως, ο αριθμός των οπτικών παλμών που μπορούν να μεταδοθούν σε μία δεδομένη περίοδο – και κατά συνέπεια η ικανότητα μεταφοράς της πληροφορίας σε μία οπτική ίνα – περιορίζεται από το ποσό διασποράς του παλμού ανά μονάδα μήκους. Γενικά, η διεύρυνση του παλμού αυξάνει γραμμικά με το μήκος της ίνας, άρα το εύρος ζώνης είναι αντιστρόφως ανάλογο με την απόσταση. Το συμπέρασμα αυτό οδηγεί στην υιοθέτηση μιας πιο χρήσιμης παραμέτρου για την ικανότητα μεταφοράς της πληροφορίας σε μία οπτική ίνα, που είναι το γινόμενο «εύρος ζώνης x μήκος» (B·L). Τυπικές τιμές του γινομένου αυτού για τις τρεις ίνες του σχήματος 8.21 είναι οι ακόλουθες:

• 20 MHz·km για τις ίνες βηματικού δείκτη-πολλαπλού ρυθμού
• 1 GHz·km για τις ίνες διαβαθμισμένου δείκτη-πολλαπλού ρυθμού
• 100 GHz·km για τις ίνες βηματικού δείκτη-απλού ρυθμού.

Σχήμα 8.21: Διεύρυνση παλμού εξαιτίας της διασποράς για διάφορες κατηγορίες οπτικών ινών.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

[1] Ν. Κ. Βούλγαρης, «Εισαγωγή στην ανάλυση και σχεδιασμό τηλεπι-κοινωνιακών συστημάτων», Τόμος Ι, Δ.Π.Θ., Ξάνθη 1988.

[2] Δ. Χ. Βούκαλης, «Τηλεφωνία – Τηλεγραφία», Εκδόσεις Ίων, 1993.

[3] Χρ. Βασιλόπουλος, Ι. Ντόκος, Β. Σκουλάτος, «Σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα», Ο.Τ.Ε. Α.Ε., Γεν. Δ/νση Λειτουργιών, Δ/νση Συντήρησης, Τόμοι Α’ & Γ’, 2000.

[4] Μ. Χ. Λογοθέτης, «Θεωρία τηλεπικοινωνιακής κινήσεως και εφαρμογές», Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 2001.

[5] Ε. Χ. Μπίλλης, «Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα», Τόμοι Ι & ΙΙ, Εκδόσεις Συμμετρία, 2003.

[6] J. Dunlop and D. G. Smith, “Telecommunications Engineering”, Chapman & Hall, 3^rd Edition, 1994.

[7] A. M. Noll, “Introduction to telephones and telephone systems”, Artech House, 3^rd Edition, 1998.

[8] J. M. Senior, “Optical fiber Communications: Principles and practice”, Prentice Hall, 2^nd Edition, 1992.