Wstęp do telekomunikacji

Działy telekomunikacji

Termin telekomunikacja wywodzi się z greckiego tele (odległy) oraz communicare (dzielenie się z kimś), co łącznie symbolizuje przekazywanie wiadomości na odległość, bez wnikania, w jaki sposób i jakimi środkami zostanie to zrealizowane. We współczesnej terminologii termin telekomunikacja oznacza przesyłanie od nadawcy do odbiorcy głosu, dźwięku, sygnałów optycznych, danych, faksów, grafiki i obrazów ruchomych, umożliwiających odtwarzanie wiadomości. Przesyłanie informacji na odległość za pomocą urządzeń elektronicznych zarówno w postaci sygnałów analogowych, jak i cyfrowych, spełnia obecnie decydującą rolę jako środek w komunikowaniu się między ludźmi i jest miarą postępu cywilizacji.

Istotą telekomunikacji jest przesyłanie wiadomości na dalekie odległości, chociaż w obecnej terminologii określenie odległości między dwiema stacjami lub dwoma porozumiewającymi się abonentami jest sprawą umowną.

Od zarania dziejów aż do współczesności wykorzystywano wszystkie możliwe zjawiska zachodzące w przyrodzie oraz środki transportowe umożliwiające przekaz wiadomości. Fachowy termin telekomunikacja pojawił się na początku tego stulecia, jakkolwiek pierwszego przesłania za pomocą telegrafu semaforowego dokonał Claude Chappe już w 1794 r.

Historia telekomunikacji

Historia telekomunikacji rozpoczyna się w starożytności, kiedy to Grecy z Aleksandrii (450 r. p.n.e.) wpadli na pomysł optycznego kodowania liter alfabetu za pomocą telegrafu. Manipulując odpowiednio pięcioma pochodniami i tablicami z alfabetem mogli oni przekazywać wiadomości składające się z liter przyporządkowanych uprzednio umówionym kombinacjom oświetlenia. Prawdopodobnie najdziwniejszym medium transportowym był grecki posłaniec Filippides (490 r. p.n.e.), pokonujący dystans 42 km i 195 m między Maratonem a Atenami, z ważną wiadomością o wspaniałym zwycięstwie Miltiadesa nad Persami. Także sygnały ognisk rozpalanych na wzgórzach i wieżach zamkowych stanowiły powszechny i stosunkowo szybki sposób przekazywania wiadomości.

Pomijając nietypowe rodzaje przekazu oparte na kodowaniu światła odbitego z wypolerowanej powierzchni reflektorów, przelot gołębi i przejazd szybkich pocztylionów składających się z konnych sztafet, ideę kodowania za pomocą telegrafu semaforowego, opartego na zmianie elementów ruchomych ramion, zademonstrował po raz pierwszy Claude Chappe w 1794 r. Trasa pierwszego telegrafu semaforowego liczyła 220 km na odcinku Paryż—Lille podzielonym na 20 podstacji przekaźnikowych umieszczonych na wzniesieniach i wieżach. W ciągu następnych 50 lat optyczna telegrafia semaforowa objęła wszystkie większe miasta Francji, a łączna długość torów komunikacyjnych przekroczyła 5 tys. km. Średni czas przekazu krótkich wiadomości wynosił kilka minut, a całkowita liczba stacji pośredniczących w tych przekazach — 500.

Pierwsze przekazy wiadomości na odległość z wykorzystaniem zjawiska przewodnictwa elektrycznego i elektromagnetyzmu prowadziło wielu wynalazców w latach 1830—1840. Początkowo wykorzystywano oddziaływanie prądu na igłę magnetyczną (Szyling 1832 r.), a ulepszoną wersję telegrafu zaproponowali Anglicy (Cooke i Wheatsone w 1836 r.) na trasie 21 km. Era komunikacji telegraficznej rozpoczęła się od aparatu Morse’a, w którym jednym przewodem za pomocą odpowiedniej kombinacji kropek i kresek można było przesłać konkretne litery alfabetu lub cyfry.

Dzień 24 maja 1844 r., w którym pierwsza linia telegraficzna połączyła Waszyngton z odległym o 60 km Baltimore, a pierwszy komunikat, przesłany w języku staroangielskim przez Samuela F.B. Morse'a, brzmiał „Co stworzył Bóg?” (What hath God wrought?), traktuje się jako początek ery telegrafii w telekomunikacji.

Drugim i ostatnim o tak wielkim znaczeniu krokiem milowym w telekomunikacji było wprowadzenie telefonu. Pierwszym, praktycznie użytecznym urządzeniem telefonicznym był mikrofon elektromagnetyczny, wynaleziony i opatentowany przez Grahama Bella (1876 r.), wykorzystywany również jako słuchawka po drugiej stronie łącza.

Od tej pory zarówno ilościowy, jak i jakościowy rozwój telekomunikacyjnych usług fonicznych jest ograniczany tylko przez możliwości komutacji połączeń oraz infrastrukturę sieci przewodowych. Wynalazki mikrofonu węglowego przez Edisona (1876 r.) oraz łącznicy ręcznej (1877 r.) umożliwiły utworzenie pierwszych sieci telefonicznych — najpierw miejscowych, a później przez linie kablowe — telefonii dalekosiężnej.

Parametry dalekosiężnej łączności telefonicznej stosowanej przez ponad 100 lat poprawiały kable, w których zastosowano pupinizację i krarupizację, natomiast po wprowadzeniu automatycznej łącznicy telefonicznej przez Strowgera (1889 r.) nastąpiło upowszechnienie usług telekomunikacyjnych na całym świecie.

Wprowadzenie automatycznego krosowania za pomocą wybieraka krzyżowego, wynalezionego przez Robertsa i Reynoldsa (1913 r.), pozwoliło na pełną automatyzację krajowego ruchu telefonicznego w większości państw Europy i w Ameryce, natomiast pierwszą rozmowę międzykontynentalną, pomiędzy Ameryką i starym kontynentem, zrealizowano w 1927 r. za pomocą kabli podmorskich.

Przekaz analogowy przez prawie 100 lat był podstawą komunikacji na duże odległości, do czasu, kiedy łącza cyfrowe z modulacją PCM (Pulse Code Modulation), opracowane przez Reevesa (1938 r.), zaczęły umożliwiać zwiększanie efektywności przekazu długodystansowego. Pierwsze amerykańskie łącza cyfrowe PCM 24 o przepływności 1,544 Mb/s (1962 r.), a następnie europejskie PCM 30 o przepływności 2,048 Mb/s (1968 r.) zapoczątkowały długą drogę cyfryzacji sieci telekomunikacyjnych, z późniejszym zastosowaniem komputerów i systemów mikrokomputerowych w poszczególnych fragmentach sieci. Istotnym krokiem w tym rozwoju była miniaturyzacja sprzętu, prowadząca do budowy pierwszej całkowicie cyfrowej centrali telefonicznej (1970 r.) z komutacją szczelin czasowych stosowanych do dziś w systemach komutacji.

Rodzaje telekomunikacji

Intensywny rozwój technologii i usług telekomunikacyjnych w XX wieku doprowadził do powstania nowych dziedzin telekomunikacji związanych z przesyłaniem głosu, dźwięku, obrazu i danych. Funkcjonujące do tej pory kryteria podziału telekomunikacji obejmują wiele sposobów klasyfikacji, wśród których do najważniejszych należą:

Ze względu na zastosowanie przekazów wyróżnia się:

• telekomunikację porozumiewawczą, dotyczącą dwukierunkowego przekazywania wiadomości między dwoma lub więcej punktami. W tym sposobie łączenia rozmówcy lub abonenci wymieniają wiadomości przeznaczone wyłącznie dla nich;
• telekomunikację rozsiewczą dotyczącą jednokierunkowego przekazywania wiadomości z jednego punktu do wielu punktów, przy czym stacja nadawcza nadaje jednocześnie dla wielu bliżej nie określonych odbiorców;
• telekomunikację zbiorczą, dotyczącą jednokierunkowego przekazywania (zbierania) wiadomości z wielu punktów pomiarowych lub badawczych do jednego punktu odbiorczego. Taka sytuacja zachodzi m.in. w telemetrii i w teledacji, tj. zdalnym przekazywaniu wyników pomiarów.

Ze względu na rodzaj przekazywanych wiadomości wyróżnia się: telefonię (głos), radiofonię (przekazywanie dźwięku, mowy i muzyki), telegrafię (znaków pisma), symilografię (obrazów nieruchomych), telewizję (obrazów ruchomych), telemetrię (danych pomiarowych), sygnalizację (umownych znaków zastępujących zdania), telemechanikę (impulsów sterujących), teledację (danych cyfrowych).

Ze względu na rodzaj wykonywanych operacji w procesie przekazywania wiadomości wyróżnia się odrębne dziedziny zajmujące się: techniką przetwarzania wiadomości na sygnał elektryczny lub optyczny (i odwrotnie), teletransmisją — związaną z przesyłaniem sygnałów, telekomutacją — umożliwiającą tworzenie, przełączanie i likwidowanie zestawów łączy.

Struktura podziału usług

Najnowsza klasyfikacja ujmuje usługi telekomunikacyjne w dwie wzajemnie przenikające się grupy: aplikacje telekomunikacyjne i usługi przenoszenia, zwane również usługami transportowymi sieci.

Infrastruktura telekomunikacyjna

Kryteria podziału sieci

Współczesna infrastruktura teleinformatyczna obejmuje dwie do niedawna odrębne, a obecnie coraz bardziej przenikające się hierarchiczne struktury komunikacyjne: rozległe cyfrowe sieci komputerowe oparte na strukturach sieciowych typu LAN, MAN i WAN oraz sieci telekomunikacyjne, dla których centralnym punktem nadal pozostają cyfrowe systemy komutacji (centrale) wraz z różnorodnymi sieciami dostępu abonenckiego.

W sieciach komputerowych podstawową strukturę teleinformatyczną dostępu lokalnego tworzą sieci LAN typu Ethernet (10 Mb/s, 100 Mb/s i 1000 Mb/s, wkrótce 10 Gb/s), Token Ring (4 i 16 Mb/s) i FDDI (100 Mb/s), przeznaczone dla indywidualnych lub grupowych użytkowników z wykorzystaniem zasobów multimedialnych. Fragmenty tych homogenicznych i heterogenicznych sieci komunikacyjnych są łączone między sobą za pomocą węzłów (mosty, huby, routery, multipleksery) umożliwiających tworzenie sieci szkieletowych w budynkach wielokondygnacyjnych, jak też magistrali telekomunikacyjnych dla transkontynentalnego transportu (PDH, SDH, ATM).

W sieciach telekomunikacyjnych zaczyna dominować warstwowa struktura komunikacyjna w wyższych poziomach transportowych (PDH, SDH, ATM, DTM) całkowicie oparta na przekazach cyfrowych, a poszczególne poziomy są łączone ze sobą również za pomocą węzłów (krotnice synchroniczne klasy DXC i SXC, multipleksery ADM, krotnice PCM, routery). Na najniższym poziomie komutacji funkcjonują systemy komutacji (cyfrowe) i centrale telefoniczne (głównie analogowe), a także analogowe i cyfrowe centrale abonenckie PABX.

Oddaleni indywidualni użytkownicy mają możliwość włączenia się do sieci teleinformatycznej:

• komutowaną lub dzierżawioną linią telefoniczną, za pośrednictwem modemów i central telefonicznych PABX;
• kanałami cyfrowymi ISDN, przez centrale lub systemy komutacji cyfrowej;
• kanałami telewizji kablowej CATV, z wykorzystaniem kanału zwrotnego i modemów szerokopasmowych RF (Radio Frequency), zwanych kablowymi;
• torami światłowodowymi, przez sieci optyczne FITL lub za pomocą techniki hybrydowej HFC i modemów DSL.

Odrębną grupę stanowią bezprzewodowe sieci radiowe, dostępu abonenckiego (RLL, WLL) funkcjonujące w kilku standardach europejskich, specjalizowane sieci teledacyjne, przywoławcze i komórkowe (NMT, GSM, PCS), jak też systemy komunikacji i nawigacji globalnej (VSAT, GPS, S-GLONASS, S-PCN, UMTS, IMT-2000 i inne).

Konwergencja sieci i usług

Zjawisko konwergencji, definiowane początkowo jako zbieżność (przenikanie się) pewnych trendów rozwojowych, w dziedzinie teleinformatyki jest postrzegane jako zrastanie się funkcji i technologii sieci komunikacyjnych o różnych rodowodach, wśród których dominują stosowane do tej pory prywatne sieci korporacyjne pochodzenia komputerowego (transport danych) i publiczne sieci telekomunikacyjne (przekaz głosu) dostarczające od ponad stulecia rozmówne połączenia globalne.

Coraz częściej przyjmuje się, że proces konwergencji ma węższy zakres, obejmujący środowisko i technologie związane z przyszłym działaniem globalnej sieci rozszerzonego Internetu. Jedna z takich definicji określa proces konwergencji jako zespolenie wszystkich funkcji kanałów do transmisji głosu, obrazu, danych oraz aplikacji w jedną szerokopasmową strukturę opartą na protokole IP (Internet Protocol).

W szerszym znaczeniu zjawisko konwergencji obejmuje kojarzenie wielu dziedzin niekoniecznie bezpośrednio związanych z telekomunikacją, takich jak: łączny przekaz informacji głosowych i danych (obraz), integracja przekazów przez sieci IP (VoIP, VoFR, VoATM), współistnienie przełączania obwodów i pakietów, współdziałanie telefonu z komputerem (CTI, Call Center), integracja sieci lokalnych (LAN) z rozległymi (WAN), wzajemna migracja central PABX i routerów w sieciach inteligentnych IN, współdziałanie sieci ruchomych i stałych, oferta jednolitych usług przez sieci komórkowe i stacjonarne (standard WAP), łączenie się rynków telekomunikacyjnych z sieciowymi i in.

Integracja technologii

Postęp, jaki dokonał się w latach dziewięćdziesiątych w zakresie jakości oferowanych usług telekomunikacyjnych, ich dostępności i zasięgu, jest wynikiem zastosowania w telekomunikacji najnowszej techniki i technologii, która sprawdziła się w systemach komputerowych i sieciach komputerowych. Największy wpływ na rozszerzenie jeszcze do niedawna jedynej usługi telekomunikacyjnej, jaką była telefonia stacjonarna, było wprowadzenie do telekomunikacji osiągnięć uzyskanych w następujących dziedzinach:

mikroelektronice — wielofunkcyjne układy scalone o wysokim stopniu integracji VLSI (technologia wytwarzania 0,18 µm) z czasem przełączania poniżej 10 ps (około 1 ps w 2000 r.);

• teletransmisji i komutacji — wprowadzającej cyfrowy sposób transmisji na całej trasie przekazów telekomunikacyjnych wraz z konwersją sygnałów analogowych do postaci cyfrowej (64 kb/s, 32 kb/s, 16 kb/s, 8 kb/s, 6,3 kb/s, 5,3 kb/s);
• technice światłowodowej (fotonice) — umożliwiającej emisję zmodulowanych fal optycznych przez światłowody o prawie nieograniczonych przepływnościach (podstawowa szybkość 2,5 Gb/s lub 10 Gb/s, ze zwielokrotnieniem falowym DWDM do przepływności 1 Tb/s), coraz częściej zastępujących łącza satelitarne i długodystansowe przekazy radiowe;
• inżynierii oprogramowania — zorientowanej na optymalizację wykorzystania zasobów infrastruktury telekomunikacyjnej, tworzenie zintegrowanych systemów informacyjnych i oferującej abonentom coraz bardziej wyrafinowane usługi.