mks_1

OPĆI MODEL I FUNDAMENTALNI PARAMETRI KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA

11

1. OPĆI MODEL I FUNDAMENTALNI PARAMETRI KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA

Komunikacijski sustav sastoji se od izvora informacija, prijenosnog sustava i korisnika informacija (Sl. 1.1), pri čemu prijenosni sustav mora osigurati da ko-risnik dobije prepoznatljivu repliku ulazne informacije i sastoji se od najmanje tri funkcionalne cjeline: predajne obrade, prijenosnog kanala i prijamne obrade (Sl. 1.2).

Sl. 1.1. Opća blok-shema komunikacijskog sustava

Sl. 1.2. Detaljnija blok-shema komunikacijskog sustava

Predobrada informacije obavlja se prije prijenosa aktualnim kanalom, radi

odabiranja efikasnog izvornog koda (prilagođenog statističkim osobinama izvo-ra, pri čemu su duljine kodnih riječi u obrnutoj srazmjeri s frekvencijama po-javljivanja – vjerojatnostima simbola izvora, koji se kodiraju), kao i fizičkog signala za nositelja informacije (npr. digitaliziranog električnog napona), te zaš-titnog kodiranja (uvođenjem informacijske redundancije – npr. paritetnih bita ili cikličnog zaštitnog kodiranja (CRC)), a radi prisutnog šuma i različitih izobličenja karakteristika kanala. Konačno, prilagođenje fizičkom mediju prijenosa (npr. mikrovalnom linku), vrši se generiranjem odgovarajućih elementarnih signala (najčešće modulacijom), Sl. 1.3.

Sl. 1.3. Predobrada na predaji

OSNOVE MIKROVALNIH KOMUNIKACIJA: KOMPONENTE I APLIKACIJE

12

Na prijamu se vrši odgovarajuća recipročna obrada, Sl. 1.4.

Sl. 1.4. Obrada na prijamu

Teorijske osnove prijenosa informacije i obrade signala postavljaju Teorija informacija i Statistička teorija telekomunikacija, čijim osnovnim postavkama ćemo se koristiti samo u onoj mjeri, koliko je to nužno, budući da ćemo se u nastavku prvenstveno baviti osobinama fizičkog radiokomunikacijskog prijenos-nog kanala.

Razmotrimo tipični digitalni komunikacijski sustav, čija je blok-shema pred-stavljena na Sl. 1.5.

Sl. 1.5. Blok-shema digitalnog komunikacijskog sustava

Kao posljedica različitih izobličenja prijenosne funkcije kanala (svojstvenih aktualnom mediju) u odnosu na idealnu (Nyquistovu) karakteristiku, javlja se interferencija simbola, a u svakom kanalu postoji i šum, što može prouzročiti pogrešnu detekciju na prijamu, odnosno pojavu bitskih grešaka. Filtriranjem signala na prijamu, može se reducirati nivo aditivnog šuma, ali to, opet, mijenja prijenosne karakteristike kanala, što može dovesti do povećanja interferencije simbola. Ovo implicira određene nužne kompromise koji se moraju usvojiti pri-likom projektiranja komunikacijskog sustava.

Fundamentalni parametar svakoga komunikacijskog prijenosnog sustava je njegov informacijski kapacitet, koji opisuje maksimalnu količinu informacije koja se može prenijeti u jedinici vremena. Svakako da to određuju osobine sig-nala (koji nosi informaciju) i prijenosne funkcije sustava, gdje naravno, svaki signal ne nosi i informaciju. S tim u vezi, nameće se pitanje: koje su to opće oso-bine usuglašenoga para signal-sustav koje određuju brzinu prijenosa informacije,


13

neovisno da li se on obavlja u osnovnom opsegu, ili uz primjenu nekoga postup-ka modulacije?

Da bismo dobili odgovor na ovo pitanje, razmotrimo vremenski dijagram promjena napona, kakav se dobije, primjerice, na zaslonu osciloskopa, Sl. 1.6.

Sl. 1.6. Vremenski dijagram napona Neka se informacija prenosi u intervalu od T = 10 sekundi, kao i neka je mak-simalna amplituda signala (uslijed realnog ograničenja prijenosa snage) jednaka 5 volta. Očigledno, informacija je sadržana u nivoima signala (izraženim u vol-tima) u pojedinim trenucima vremena, pa se pitanje: koliko najviše informacije možemo nekim signalom prenijeti u intervalu T, zapravo svodi na pitanje: ko-liko (prijenosni) sustav može razlikovati različitih amplitudskih nivoa signala u svakome trenutku vremena, kao i koliki je maksimalni broj takvih trenutaka u vremenskom periodu od interesa? Kako imamo posla s realnim fizičkim susta-vima, svakako da oni ne dozvoljavaju beskonačno brze promjene signala, niti omogućuju razlikovanje beskonačno mnogo različitih amplitudskih nivoa. Ovo prvo ograničenje proizlazi iz neizbježnog prisustva komponenti sustava koje pohranjuju energiju, a ova se ne može mijenjati brže nego što dopuštaju osobine sustava. Drugo ograničenje nameće uvijek prisutni šum, koji ima za posljedicu (makar i jako male, ali za sustav inherentne) varijacije amplitude signala (u na-šem primjeru napona), pa vertikalnu skalu ne možemo dijeliti po volji na sve manje dijelove, tj. beskonačno povećavati rezoluciju mjerenja. Dakle, postoji minimalno vrijeme τ koje se zahtijeva za promjenu energije (1 s u primjeru na Sl. 1.6), kao i minimalna detektabilna promjena signala (1 V na Sl. 1.6, ako su inherentne fluktuacije napona unutar +/-1 V, što, dalje, određuje ukupno šest detektabilnih nivoa signala, uključujući i napon od 0 V), pa je manje promjene amplitude signala nemoguće razlikovati od neželjenih fluktuacija uslijed djelo-vanja šuma. Očigledno, recipročna vrijednost od τ srazmjerna je frekvencijskom opsegu sustava (B), dok je minimalna detektabilna promjena signala određena odnosom snage signala i snage (aditivnog Gaussovog) šuma (S/N) na ulazu u prijamnik. Oba ova parametra fundamentalna su za svaki (prijenosni komuni-


14

kacijski) sustav i određuju informacijski kapacitet (C) kanala prema poznatoj Shannonovoj relaciji:

2log 1 S ShC BN s

⎛ ⎞ ⎡ ⎤= ⋅ +⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎣ ⎦ (1.1)

koja pokazuje ”razmjenu” između frekvencijskog opsega sustava i prihvatljivog nivoa šuma – fundamentalni kompromis koga projektant svakoga komunikacij-skog sustava mora imati na umu:

Dok (za konstantno B) porast S/N do beskonačnog slijedi i kapacitet kanala C, to ne vrijedi i za porast frekvencijskog opsega B, budući da, za konstantnu spektralnu gustoću snage N0 širokopojasnog (“bijelog”) šuma, srazmjerno raste i snaga šuma N = B . N0 , pa se C asimptotski približava vrijednosti:

0

1,44 SRN

= ⋅ (1.2)

Isto tako, dobro poznati Drugi Shannonov teorem tvrdi da, kada se M (>1) podjednako vjerojatnih poruka pogodno (zaštitno) kodira (povećanjem duljine ri-ječi) i prenosi brzinom od R bita po sekundi, pri čemu je R < C, moguć je prije-nos informacija sa po volji malim intenzitetom (asimptotski, za velike duljine sekvenci podataka – vjerojatnošću) bitskih grešaka prijenosa. Međutim, razmat-ranja osnova zaštitnih kodova ostavit ćemo za kasnije, a sve do tada nećemo smatrati da su uključeni u performansu sustava.

U okviru ovih uvodnih teorijskih razmatranja, dolaze do izražaja suštinske razlike između različitih prijenosnih kanala telekomunikacijskih sustava, što omogućuje njihovu jednostavnu kategorizaciju. U praksi su, svakako, od bitnog utjecaja i mnogi drugi aspekti, koje ćemo razmotriti u nastavku.

Praktična hijerarhija telekomunikacijskih sustava; trend digitalizacije, integracije servisa i uvođenja paketske komunikacije

Opći model komunikacijskog sustava, predstavljen u prethodnom poglav-lju, u praksi se najčešće predstavlja, projektira i implementira kroz svoje podsustave: pristupni, komutacijski, multipleksni i prijenosni. Na Sl. 1.7, pred-stavljen je pojednostavljeni blok-dijagram telekomunikacijske mreže s pri-kazanim vezama između različitih tipova krajnjih korisnika. Pristupna mreža povezuje pretplatnike na komutacijski čvor (telefonsku “centralu”), a signa-lizacijska i prijenosna mreža osiguravaju prijenos informacije od izvora do odredišta.


15

Sl. 1.7. Pojednostavljeni blok-dijagram telekomunikacijske mreže

Svakako da najveći investicijski poduhvat predstavlja razvoj pristupnih mreža, gdje se, pored klasične telefonske parice i analognog kanala, frekvencijskoga opsega od 300 do 3400 Hz, u posljednjoj dekadi intenzivno koriste i digitalni ži-čani pristup (npr. ISDN, E1, E3, STM-1-4, ADSL), kao i analogni i digitalni be-žični (NMT, AMPS, odnosno GSM, DECT i dr.). Generirana novim aplikacija-ma i podržana globalnim trendom deregulacije telekomunikacijskih usluga, glad za propusnim opsegom će prije ili kasnije imati za posljedicu dovođenje optič-kog vlakna i do samog tzv. “malog” krajnjeg korisnika, čega smo svjedoci u posljednje vrijeme.

Sljedeći podsustav kojim informacija prolazi, krećući se telekomunikacijskim sustavom od jednog krajnjeg korisnika prema drugome, jeste komutacijski. Premda komunikacijske mreže mogu imati i iznajmljene (dedicirane, stalne), prijenosne linije, u općem slučaju, komutacijskim podsustavom se korisniku omogućuje uspostavljanje privremenih veza između više točaka, koje traju samo onoliko koliko i prijenos informacije. Tehnološki gledano, klasični analogni komutacijski čvorovi (telefonske “centrale” sa centralnom memorijom, uprav-ljanjem i preklopnicima tipa “crossbar”, ili koračne s distribuiranim upravlja-njem i rotirajućim preklopnicima), prilagođeni su frekvencijskom multipleksu (FDM) i odavno se više ne instaliraju, ali su se ponegdje još dugo koristili, zbog (zaštite) velikih investicijskih ulaganja kojima su uvedeni u upotrebu. Razvoj i uvođenje digitalnih komutacijskih sustava temeljio se na PCM (Pulse Code Modulation) tehnologiji i klasičnom plesiokronom vremenskom multipleksu (TDM). S druge strane, prijenos upravljačkih signala za komutaciju – signali-zacije – može se vršiti u istom informacijskom opsegu (npr. frekvencijskom kod FDM hijerarhije, ili PCM okviru kod TDM), što se naziva takozvanom in-band signalizacijom, ili, pak, odvojeno, posebnom mrežom, namijenjenom isključivo toj svrsi (out-of-band). Očigledno je da se in-band signali ne mogu slati istovremeno


16

s korisnom informacijom, pa signalizacijski sustav mora pratiti prijenos poda-taka, da bi bio spreman na odgovor, kada se ovaj prijenos završi. Značajna pred-nost nad out-of-band signalizacijom je što in-band upravljački signali mogu ići preko svih prijenosnih sustava koji podržavaju prijenos aktualne informacije, dok se out-of-band signalizacija može koristiti samo na prijenosnim sustavima koji su posebno za nju projektirani. Osim toga, in-band signalizacija vrlo efikasno otkriva neispravne prijenosne medije i instalacije, dok kod out-of-band signali-zacije, dio propusnoga opsega koji koriste upravljački signali može biti potpuno bez greške, a opseg koji koriste podaci – neispravan, što implicira da se veza može uspostaviti, ali se informacije ne mogu prenijeti. S druge strane, out-of- -band signalizacija ima par značajnih prednosti nad in-band signalizacijom, po-najviše stoga što ne postoji rizik pogrešne interpretacije signalizacijskih podata-ka kao informacijskih, niti međusobne interferencije. Ipak, najveća prednost je što se signalizacijski proces može odvijati i tijekom prijenosa podataka informa-cije, što je dovelo do toga da su komutacijska čvorišta suvremenih komutacijskih sustava spojena u dediciranu i fizički potpuno odvojenu računalnu mrežu koja služi samo za prijenos signalizacije, i to po standardnom protokolu (signalizacijski sustav br. 7 – SS#7).

Kako se ova razmatranja komutacijskog podsustava odnose na tzv. komuta-ciju krugova (circuit switching), valja navesti i značajke tehnologije komutacije paketa (packet switching), koja je bila razvijana za prijenos podataka, ali se u posljednje vrijeme na velika vrata uvodi i za prijenos ostalih vrsta informacija, kao npr. govora (Voice over Internet Protocol – VoIP), donoseći revolucionarne promjene u strukturi telekomunikacijskih mreža, a osobito komutacijskog pod-sustava (jer se umjesto digitalnih TDM komutacijskih čvorišta, za sve vrste ko-munikacija, koriste usmjerivači (ruteri) velikih brzina (reda Gbit/s i Tbit/s).

Naime, dok se circuit switch vezom, tijekom prijenosa informacije (npr. raz-govora), između dvije točke uspostavlja dedicirani kanal – krug (circuit), koji osigurava fiksnu širinu propusnoga opsega tijekom poziva, a korisnici plaćaju samo tu širinu opsega, i to samo dok traje razgovor, dotle se, kod paketske mreže, podaci prenose paket po paket, Sl. 1.8, i to, u općem slučaju, različitim putanjama, Sl. 1.9.

Sl. 1.8. Paketski prijenos podataka

Pošto nema unaprijed definiranog virtualnog kruga, packet switching, po potrebi, može povećati ili smanjiti širinu propusnoga opsega i tako se elegantno nositi i sa trenutno velikim (“impulsnim”– burst) brojem paketa, kakve, primjerice,


17

generiraju računala LAN mreža. Korištenjem mogućnosti višestrukih putanja kroz mrežu, packet switching može usmjeravati pakete zaobilazeći prekinute ili zagušene prijenosne linije. Za usporedbu, kod circuit switchinga je propusni opseg fiksan, pa vremenski koncentrirani promet češće može dovesti do retransmisije poruka (ako se koristi zaštitna procedura detekcije grešaka – Automatic Repeat Request – ARQ), ili do znatnog smanjenja efektivne brzine prijenosa podataka (pri korištenju daljinske korekcije grešaka – Forward Error Correction – FEC). Osim toga, kod primjene ove tehnologije, virtualni krugovi imaju samo jednu putanju, bez određenih alternativnih.

Sl. 1.9. Mreža s komutacijom paketa i prijenos općenito različitim putanjama

Do skoro je odgovor na pitanje koju od ove dvije tehnologije izabrati, zavi-

sio od tipa informacije koja se prenosi, kao i od raspoloživih proračunskih sred-stava; ako je informacija osjetljiva na kašnjenja (npr. video aplikacije, ili go-vor), potreban je fiksni, garantirani propusni opseg circuit switching usluga, što je, nažalost, vrlo skupo. S druge strane, ako je informacija otporna na kašnjenja, i osobito, ako je po prirodi burst tipa, packet switching servisi su pouzdani i mnogo ekonomičniji od circuit switching servisa. No, razvojem komunikacij-skih laserskih izvora s promjenjivom valnom duljinom, odnosno otvaranjem mo-gućnosti multipleksiranja direktno na optičkom vlaknu ((Dense) Wavelength Division Multiplex – (D)WDM), te, kako je već rečeno, razvojem superbrzih rutera, i, posljedično, efikasnijih protokola (Packet (IP) over SDH – POS, te konačno: Packet (IP) over Fiber), Sl. 1.10., otvaraju se neslućene mogućnosti integracije komunikacijskih servisa putem jedinstvene paketske mreže (XoIP – sve


18

putem IP paketa) koja će imati prihvatljivu performansu i za aplikacije kojima paketski prijenos nije prirodno pogodan (govor, video, itd.).

Sl. 1.10. Evolucija prijenosnih protokola ka izravnom preslikavanju IP-valna duljina

Dalje, što se tiče multipleksnog podsustava, koji je, kod analognih (FDM) sustava, imao jasno određenu i distinktnu ulogu, digitalizacijom pristupnih, ko-mutacijskih i prijenosnih podsustava, njegove funkcije se sve više integriraju u komutacijski podsustav. Naime, kod analognih FDM sustava, ili klasičnih digi-talnih plesiokronih (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH) TDM sustava, prilikom svakoga preusmjeravanja podataka na jednome nivou multipleksa, nuž-no je sići s aktualnog višeg nivoa (tj. demultipleksirati) na traženi nivo, i tek onda izvršiti komutaciju. Primjerice, svaki element u PDH sustavu na Sl. 1.11, ima svoj vlastiti interni vremenski takt, pa nema nikakve opreme za međusob-nu sinkronizaciju pojedinih mrežnih elemenata. Zbog toga, izdvajanje jednog tributarnog (npr. E1) signala na višem nivou multipleksa (npr. 140 Mbit/s – E4), zahtijeva tri stupnja demultipleksiranja.

Sl. 1.11. Piramida multipleksa/demultipleksa za 2 Mbit/s standard (E1)


19

Međutim, kod suvremenih sinkronih sustava (Synchronous Digital Hierarchy – SDH), to nije potrebno, Sl. 1.12.

Sl. 1.12. Hijerarhija sinkronog multipleksa Ovo je moguće, budući da se, pri sinkronom multipleksiranju/demultipleksiranju, Sl. 1.13, okvirima ne dodaju/oduzimaju kontrolni suvišni (stuffing) biti, koji, pri plesiokronom multipleksiranju, kompenziraju uvijek prisutne male međusobne razlike u fazi i frekvenciji ulaznih bitskih matica.

Sl. 1.13. Princip sinkronog multipleksiranja

Na taj način, zbog postignute pune sinkronizacije između čvorova u SDH mreži, Sl. 1.14, komutacija na nižem nivou multipleksa može se izvršiti izravno s višeg nivoa, što omogućuje navedenu integraciju.

Sl. 1.14. SDH mreža

STM-1SIGNAL "A"

8-BITNI BYTESTM-1 SIGNALNA BRZINA

8-BITNISTM-4 SIGNALNA BRZINA

BYTE

STM-4[4·STM-1]

STM-1SIGNAL "B"

STM-1SIGNAL "C"

STM-1SIGNAL "D"

t

t


20

Pored toga, dodatnim poljima prošireni (u odnosu na PDH) format SDH okvi-ra (npr. STM-1, u čijih 155 Mbit/s informacijskog polja se može enkapsulirati PDH okvir od 139 Mbit/s, Sl. 1.15), omogućuje centraliziranu upravljivost i kon-figurabilnost korisnicima dodijeljenih resursa i kapaciteta kanala.

Sl. 1.15. STM-1 SDH okvir od 155 Mbit/s, koji može enkapsulirati PDH E4 (139 Mbit/s)

1.2. VRSTE PRIJENOSNIH SUSTAVA

Konačno, razmotrimo ukratko glavne osobine četiri različita suvremena fiksna prijenosna podsustava, predstavljena na Sl. 1.16: kablovski – optički i klasični koaksijalni, te mikrovalni – radiorelejni i satelitski. Valja naglasiti da su bitske brzine, linijski kodovi, valna forma impulsa, dozvoljeni nivo jittera itd., u točki sučelja (interface) multipleksnog i prijenosnog podsustava, definirani standardi-ma (ITU-T) i neovisno od odabranog fizičkog medija prijenosa, što implicira da se u toj točki može priključiti bilo koji, na donjoj slici predstavljeni prijenosni podsustav, pod uvjetom da je projektiran za prijenos aktualnog hijerarhijskog nivoa linijskog signala na izlazu iz multipleksnog podsustava.

Svakako da je monomodno optičko vlakno nesumnjivo najpopularniji prije-nosni medij javnih telekomunikacijskih operatora, osobito za prijenosne susta-ve velikoga kapaciteta (naprimjer za SDH nivoe STM-1, STM-4 i STM-16, i brzine od 155Mbit/s, 622Mbit/s i 2.4 Gbit/s, respektivno, a u najnovije vrijeme, i do 10 Gbit/s). Međutim, globalni proces deregulacije telekomunikacija omogu-ćuje pružanje ovih usluga i čitavom nizu kompanija, drugih matičnih djelatnosti (kablovska televizija, elektroprivreda, snabdijevanje plinom i dr.), što, između ostaloga, pridonosi snažnom trendu dovođenja optičkog vlakna i do širokog kruga korisnika (fiber-to-home), da bi se zadovoljili zahtjevi novih aplikacija.


21

Sl. 1.16. Standardni fiksni digitalni prijenosni sustavi

Naime, do prije samo dvadesetak godina činilo se da je budućnost telekomuni-kacija čvrsto određena glavnim postulatom klasične telefonije, koji nije previše toga promijenio tijekom desetljeća njezinog ne baš burnog razvoja: pružati ser-vis dobrog prijenosa govora po razumnim cijenama, pri čemu su neopravdano skupi međunarodni pozivi omogućavali financiranje jeftinih lokalnih poziva. Državne telefonske kompanije zadovoljavale su ovaj uvjet, a za uzvrat su imale zagarantirani povrat svojih investicija u takvom strogo reguliranom okruženju. Zahtjeva za drugim vrstama komunikacijskih usluga – prvenstveno prijenosom podataka – bilo je relativno malo, pa su na raspolaganju bili samo modemi od 1200 bita po sekundi po analognom telefonskom kanalu. Sve se ovo počelo brzo i radikalno mijenjati deregulacijom telekomunikacijskih usluga, koja 1984. go-dine najprije počinje u Sjedinjenim Državama Amerike, a kasnije i u Europi. Rezultirajuća konkurencija među pružateljima telekomunikacijskih usluga vrlo brzo je dovela do razvoja novih tehnologija, zasnovanih prvenstveno na optičkim prijenosnim sustavima, koji su korisnicima pružili do tada nezamisliv propusni opseg, pa se razvoj telekomunikacija sve manje vezao za primjenu telekomuni-kacijskih satelita. Međutim, visoki i, za ostale prijenosne medije nedostižni pro-pusni opseg, iz različitih operativnih razloga, često ne može biti na raspolaganju zainteresiranom korisniku, pa je, s gledišta performansi, najmanje nepovoljna alternativa jednostavno postavljanje usmjerene mikrovalne antene na krov pos-lovne zgrade, čime se može i potpuno zaobići standardni telefonski sustav, što je ponekad od velike prednosti. Isto tako, postoji značajan broj aplikacija sa


22

znatno skromnijim zahtjevima za propusnim opsegom, pri čemu je još i teren predviđenog prijenosnog puta takav da je polaganje optičkog kabla otežano i dugotrajno, ili se, pak, zahtijeva velika brzina instalacije, visoka fleksibilnost i sigurnost (kao što je slučaj kod privatnih, intrakorporacijskih ili vojnih sustava). U tom slučaju, prednosti usmjerenih mikrovalnih radiorelejnih i/ili satelitskih (pod)sustava čine ih optimalnim izborom. U ovome smislu, ilustrativan je pri-mjer Indonezije, koja ima vlastiti satelit za domaći telefonski promet, a čije lan-siranje je bilo jeftinije nego polaganje velikog broja podvodnih kablova iz-među 13,677 otoka arhipelaga. Drugi primjer su kompanije kod kojih je način komuniciranja suštinski difuzijskog (broadcasting) tipa, kakvo je npr. slanje burzovnih informacija velikom broju prijamnika. U ovom slučaju, korištenje satelitskog sustava je ekonomičnije od simuliranja broadcastinga pomoću zemaljskih sustava. Isto tako, premda kombinacija celularnog pristupnog radio i optičkog prijenosnog (pod)sustava, zadovoljava veliku većinu korisnika, koriš-tenje satelitskih linkova jedino omogućuje kvalitetnu komunikaciju korisnicima na moru i u zraku.

Konačno, recimo i to da, ako napredak tehnologije omogući lansiranje više komunikacijskih satelita pomoću jednog lansiranja shuttlea, ili ako implementa-cija tzv. satelita niskih orbita (koji bi omogućili praktično punu “pokrivenost” cijele Zemlje ovakvom “celularnom” mrežom) uzme veći zamah, nije baš sigur-no da će optički prijenosni podsustavi prevladati na svim nivoima telekomuni-kacijskog tržišta.

Ovdje valja istaći da sveopći trend digitalizacije svih nabrojenih podsustava komunikacijskog sustava, koji je krenuo osamdesetih godina i doživljava svoj vrhunac sa suvremenim digitalnim mrežama, nije mimoišao ni prijenosne pod-sustave, budući da je kombinacija TDM komutacije, TDM multipleksa i digital-nog prijenosnog podsustava znatno ekonomičnija nego bilo kakva kombinacija analognih uređaja, jer nudi integriranu i simultanu obradu i prijenos informacije, bez obzira radi li se o izvorno digitalnim podacima, ili digitaliziranim analog-nim signalima (npr. govora ili slike). Pored toga, kako ćemo kasnije detaljnije elaborirati kod mikrovalnoga radiorelejnog podsustava, željena performansa (vjerojatnost bitske greške) samoga digitalnog prijenosnog sustava uopće, pri regenerativnom prijenosu (npr. SDH mrežom, kakva je predstavljena na Sl. 1.14), praktično se jednostavno postiže povećanjem broja regeneratora, odnosno skra-ćenjem dionica. Zbog svega navedenoga, već duže vrijeme se instaliraju isklju-čivo digitalni radiorelejni prijenosni podsustavi, a taj trend slijede i suvremeni satelitski prijenosni podsustavi.

Kako pored (mikrovalnih) prijenosnih, nadalje nećemo razmatrati druge pod-sustave komunikacijskog sustava, u nastavku ćemo koristiti termin (mikrovalni) “sustav”.


23

1.3. USMJERENI MIKROVALNI PRIJENOSNI SUSTAVI

Na Sl. 1.17, predstavljen je spektar elektromagnetskih valova. Mikrovalovima se nazivaju elektromagnetske oscilacije čije frekvencije su

iznad 300 MHz (ponegdje se uzima 1 GHz), odnosno čija valna duljina je ispod jednoga metra (sve do 1 mm). Generalno, ova oblast se dijeli na tri podopsega: decimetarske valove (Ultra High Frequency – UHF; 0.3-3 GHz), centimetarske valove (Super High Frequency – SHF; 3-30 GHz) i milimetarske valove (Extra High Frequency – EHF; 30-300 GHz).

Sl. 1.17. Spektar elektromagnetskih valova

Starija (finija) podjela, koja se još često koristi u praksi, premda oficijelno

više ne vrijedi, predstavljena je u Tablici 1.1.


24

Tablica 1.1.

Oznaka opsega Granice opsega [GHz] Oznaka opsega Granice opsega

[GHz] UHF 0.30-1.12 Ka 26.50-40.00

L 1.12-1.70 Q 33.00-50.00 LS 1.70-2.60 U 40.00-60.00 S 2.60-3.95 M 50.00-75.00 C 3.95-5.85 E 60.00-90.00

XC 5.85-8.20 F 90.00-140.0 X 8.20-12.40 G 140.0-220.0

Ku 12.40-18.00 R 220.0-325.0 K 18.00-26.50

Bitne karakteristike mikrovalova uključuju kvazioptička propagacijska svoj-

stva (mogućnost koncentracije zračenja u uske snopove, reda par stupnjeva, pa i manje od 10', koji se lako mogu usmjeriti antenama malih dimenzija), što omogu-ćuje da se u mikrovalnoj tehnici često primjenjuju neka rješenja iz geometrijske optike. Osim toga, suprotno radiovalovima iz nižih dijelova spektra, mikrovalovi prodiru kroz ionizirane slojeve atmosfere, što otvara mogućnosti primjene kod satelitskih komunikacija i u radioastronomiji. Potencijal mikrovalova za prije-nos informacija zorno ilustrira podatak da je taj frekvencijski opseg 999 puta širi od spektra dugih, srednjih, kratkih i ultrakratkih valova zajedno, kao i da, u ovome opsegu, praktično ne postoje atmosferske i industrijske smetnje. S druge strane, veličina energetskog kvanta na mikrovalnim frekvencijama, približava se redu veličine razlika energetskih nivoa elektrona kod atoma i molekula, što omo-gućuje apsorpciju ili emisiju mikrovalova. Isto tako, kako su valne duljine isto-ga reda veličine kao i dimenzije komponenti sklopova u mikrovalnoj tehnici, vremena propagacije unutar tih elemenata postaju usporediva s periodima osci-lacija struja i naboja. Zbog toga se na analizu ne može primijeniti klasična teori-ja krugova s koncentriranim parametrima, već se moraju uzeti u obzir efekti propagacije, te primijeniti metode elektromagnetske teorije, što vrijedi i za pro-jektiranje i implementaciju pojačala i oscilatora u mikrovalnoj tehnici.

Mikrovalni relejni prijenos

Iz razloga kvazioptičkih svojstava propagacije radio valova na mikrovalnim frekvencijama, usmjerena mikrovalna radioveza zahtijeva optičku vidljivost (Line-of-Sight – LOS) između antena predajnika i prijamnika (premda je mo-guće prostiranje i stotinama kilometara iza optičkog horizonta, zahvaljujući pre-lamanju, kao i disperziji valova (scattering) u troposferi, ali se zbog velikih


25

slabljenja, ovakve veze koriste samo tamo gdje je nemoguće postavljanje relej-nih stanica, npr. u pustinjama i sl.).

Za ostvarivanje duljih veza (gdje se ne može ostvariti optička vidljivost, tj zadovoljiti LOS uvjet, a pored toga, niti osigurati prijenos dovoljne snage signa-la, zbog enormno velikog slabljenja propagacije), mikrovalni prijenosni sustavi sastoje se od više dionica, međusobno povezanih u lanac pomoću jedne ili više relejnih stanica, u kojima se vrši samo pojačanje, ili (ako je sustav digitalan) još i potpuna regeneracija signala, Sl. 1.18, pa govorimo o tzv. transparentnom, od-nosno regeneracijskom releju, respektivno. Digitalni sustavi najčešće koriste regeneracijski relej, koji uz već navedene funkcije transparentnog releja, vrši i demodulaciju radiofrekvencijskog signala, te regeneraciju signala u osnovnom opsegu, prije nego njime modulira radiofrekvenciju od interesa.

Najveća duljina praktičnih dionica ovakvoga radiorelejnog sustava obično se kreće od 30 do 60 km.

Sl. 1.18. Relejni mikrovalni prijenos (s regenerativnim relejom)

Za ovakav prijenos je bitno da je, za susjedne stanice, ispunjen uvjet optičke vidljivosti, jer bi svaka zapreka na pravocrtnoj putanji propagacije linka (npr. zakrivljenost Zemlje ili neko brdo) rezultirala neprihvatljivo velikim slabljenjem ili čak gubitkom signala na prijamu. Zbog toga se zemaljske relejne stanice obično smještaju na visoke planine ili na dominantne zgrade u urbanim sredina-ma, što rezultira povećanjem dosega signala i, posljedično, mogućnostima za projektiranje dužih dionica. Poseban slučaj ovakvoga relejnog prijenosa je sate-litski link, gdje se koristi samo jedna relejna stanica – komunikacijski satelit, koji povezuje dvije krajnje točke sustava. On je, pak, toliko visoko iznad površi-ne Zemlje (oko 36,000 km kod geosinkronih satelita) da je, za dovoljno velike

PRVA RELEJNA STANICA DRUGA RELEJNA STANICA

RELEJNA STANICA

PREDAJNI TERMINAL PRIJAMNI TERMINAL

ULAZ IZLAZ

ITU-T SUČELJE

ITU-T SUČELJE

MOD DEMOD IF RF IFRF

IFRF IF RFREGENE-RATOR


26

elevacijske kutove antena zemaljskih stanica, crta optičke vidljivosti između sa-telita i obje krajnje točke (koje mogu biti čak i na dvije strane oceana), slobodna od bilo kakvih prepreka, Sl. 1.19.

Sl. 1.19. Satelitski relej i zemaljski radiorelejni sustav

Svakako da se u ovome slučaju mora voditi računa da je srednje slabljenje na

dionici zemaljska stanica – satelit gotovo 200 dB (na 6 GHz), odnosno da je sig-nal na prijamnicima veoma slab. Isto tako, vrijeme propagacije radiovalova po dvije ovakve dionice, kreće se u opsegu između 238 i 275 ms, što za vezu imeđu dvije točke na Zemlji, koja uključuje samo jedan satelit, ne degradira znatnije percepcijsku kvalitetu signala govora u telefonskom razgovoru, pod uvjetom da se odjek, nastao uslijed neprilagođenja na terestrijalno-satelitskom sučelju (i za koga je relevantno dvostruko vrijeme propagacije od gotovo 550 ms!), poništi ili barem smanji na minimum. Srećom, suvremeni poništavači eha vrlo dobro obavljaju taj zadatak. Međutim, ako bi veza uključila dva satelitska releja (i dvostruko toliko dionica), onda se ukupno kašnjenje približava percepcij-ski značajnoj vrijednosti od 600 ms, te potpuno onemogućuje normalnu kon-verzaciju, što predstavlja značajno inherentno ograničenje satelitskih sustava. Naravno za prijenos samo u jednom smjeru, kao naprimjer kod radiodifuzije, odnosno izravnog emitiranja TV programa putem satelita, kašnjenje nema nika-kav značaj.

Bilo da je u pitanju zemaljski mikrovalni link ili satelitska dionica, funkcije relejne stanice uključuju jedan ili više pretvarača frekvencije, tako da se frek-vencija nosećeg signala, primljenog s prethodne dionice (hop), ne ponavlja već u sljedećoj, čime se izbjegava interferencija između predajnika i prijamnika re-lejne stanice. Na Sl. 1.20, predstavljen je već spomenuti transparentni relej, koji jednostavno prima signal sa ulazne dionice, mijenja mu frekvenciju, pojačava ga, te predaje sljedećoj dionici.


27

Sl. 1.20. Transparentni relej

Međutim, usprkos jednostavnosti kakvu reflektira koncepcijska blok-shema

na prethodnoj slici, u praksi čak i jedan takav osnovni zadatak kakav ima satelit-ski prijenosni sustav s transparentnim relejom na mikrovalnim frekvencijama, nužno zahtijeva vrlo preciznu obradu signala, kakva su, primjerice, višestruka filtriranja, koja se moraju obavljati u zemaljskim satelitskim stanicama. Tako u primjeru koji je predstavljen na Sl. 1.21, filtri F11 do F13 frekvencijski ograniča-vaju modulirane signale S1 do S3, a filtri F21, F22 i F23 selektiraju potrebne bočne opsege signala koji je frekvencijski transliran na radiofrekvenciju. Filtri F31 do F33 imaju iste centralne frekvencije kao filtri F21 do F23, respektivno, dok filtri F51 do F53, koji prethode demodulatoru, imaju zajedničku centralnu frekvenciju – međufrekvenciju (70 MHz). Uloga radiofrekvencijskih filtara F3N je prevenci-ja “prelijevanja” izlaznog spektra u susjedne kanale, dok filtri F4N u prijamnoj zemaljskoj stanici sprječavaju prevelik utjecaj susjednih kanala itd.

Sl. 1.21. Klasična konfiguracija zemaljske satelitske stanice

mks_1

Documents