Εγκατεστημένο τηλεφωνικό δίκτυο

Μια κανονική τηλεφωνική εγκατάσταση αποτελείται από ένα ζευγάρι από χάλκινα καλώδια που εγκαθιστά στο σπίτι μας μια τηλεφωνική εταιρεία. Τα χάλκινα καλώδια έχουν πολύ χώρο για να μπορούν να μεταφέρουν περισσότερα από τις τηλεφωνικές μας συνομιλίες, δηλαδή έχουν τη δυνατότητα να χειριστούν ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης (bandwidth) ή μια περιοχή συχνοτήτων, σε σχέση μ’ αυτό που απαιτείται για τη μεταφορά της φωνής. Μια DSL σύνδεση, π.χ. αξιοποιεί αυτήν την επιπλέον χωρητικότητα για να μπορέσει να μεταφέρει πληροφορίες μέσω του χάλκινου σύρματος, χωρίς όμως να ενοχλεί τις επικοινωνίες που γίνονται μέσω της ίδιας γραμμής.

Οι ανθρώπινες φωνές στις κανονικές συνομιλίες μπορούν να μεταφερθούν στην περιοχή συχνοτήτων από 0 έως 3.400 Hertz. Αυτή η περιοχή συχνοτήτων είναι πολύ μικρή συγκρινόμενη με την περιοχή συχνοτήτων των περισσότερων στερεοφωνικών ηχείων, που κυμαίνεται από περίπου 20 Hertz έως 20.000 Hertz. Και τα ίδια τα σύρματα έχουν τη δυνατότητα να χειρισθούν συχνότητες έως και αρκετά εκατομμύρια Hertz.

Περιορίζοντας τις συχνότητες που μεταφέρονται μέσα από τα σύρματα, το τηλεφωνικό σύστημα μπορεί να πακετάρει πολλά καλώδια σ’ έναν πολύ μικρό χώρο χωρίς να ανησυχεί για παρεμβολές (interference) ανάμεσα στις γραμμές. Τα σύγχρονα μηχανήματα, που στέλνουν ψηφιακά και όχι αναλογικά δεδομένα, μπορούν να χρησιμοποιήσουν με ασφάλεια πολύ περισσότερη από τη χωρητικότητα της τηλεφωνικής γραμμής.

Το DSL προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων Digital Subscriber Line (Ψηφιακή Συνδρομητική Γραμμή) και στην ουσία αποτελεί μια τεχνολογία που μετατρέπει το απλό τηλεφωνικό καλώδιο σε ένα δίαυλο ψηφιακής επικοινωνίας μεγάλου εύρους ζώνης με τη χρήση ειδικών modems, τα οποία τοποθετούνται στις δυο άκρες της γραμμής. Ο δίαυλος αυτός μεταφέρει τόσο τις χαμηλές όσο και τις υψηλές συχνότητες ταυτόχρονα, τις χαμηλές για τη μεταφορά του σήματος της φωνής και τις υψηλές για τα δεδομένα. Οι συσκευές modems λειτουργούν όπως τα κλασικά modems, αφού λαμβάνουν ροή ψηφιακού σήματος, που στη συνέχεια μεταδίδουν στην τηλεφωνική γραμμή με τη μορφή αναλογικού σήματος υψηλού ρυθμού (λέγονται και baseband modems).

Χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνολογίες διαμόρφωσης, οι οποίες χωρίζουν το διαθέσιμο εύρος ζώνης της γραμμής σε τρία κανάλια: ένα για τη μετάδοση της φωνής, ένα για τη μετάδοση δεδομένων προς τα πάνω (upstream) κι ένα για τη μετάδοση των δεδομένων προς τα κάτω (downstream).

Ανάλογα με το είδος του modem που θα συνδέσουμε, πετυχαίνουμε και διαφορετικές επιδόσεις. Με το DSL επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων, μέχρι και 52,8 Mbps από το Διαδίκτυο ή άλλο απομακρυσμένο Τηλεπικοινωνιακό δίκτυο προς το χρήστη (downstream) και 2,3 Mbps από το χρήστη προς το Διαδίκτυο (upstream), ενώ ταυτόχρονα μεταφέρονται και τα αναλογικά σήματα της φωνής.

Οι διάφορες παραλλαγές xDSL υποστηρίζουν συμμετρική ή ασύμμετρη μετάδοση δεδομένων. Αυτό σημαίνει, ότι τα δεδομένα μπορεί να μεταδίδονται με την ίδια ή διαφορετική ταχύτητα προς τις δύο κατευθύνσεις (downstream και upstream). Έτσι, κάθε παραλλαγή μπορεί να είναι κατάλληλη για χρήση σε εφαρμογές, όπου απαιτείται υψηλότερη ταχύτητα στην κατεύθυνση μετάδοσης προς το χρήστη (π.χ. πρόσβαση σε ιστοσελίδες) ή ίδια ταχύτητα και προς τις δύο κατευθύνσεις (π.χ. υποκατάστατο για γραμμές Ε1, τηλεδιάσκεψη).

Οι τεχνολογίες DSL αναφέρονται γενικά ως xDSL και οι κυριότερες από αυτές είναι: ADSL, HDSL, SDSL και VDSL.

Το ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) είναι αυτό που δίνεται στους περισσότερους απλούς χρήστες στην Ελλάδα. H τεχνολογία ADSL εξασφαλίζει πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων στο Διαδίκτυο και σε άλλα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, δίνοντας τη δυνατότητα για ταυτόχρονη μετάδοση φωνής και δεδομένων (δεδομένα, κινούμενη εικόνα, γραφικά) μέσω της απλής τηλεφωνικής γραμμής. Κύριο χαρακτηριστικό της τεχνολογίας είναι ότι η μεταφορά δεδομένων γίνεται με ασύμμετρο τρόπο, δηλαδή προσφέρει διαφορετικό ρυθμό για τη λήψη (μέχρι 8 Mbps downstream) και διαφορετικό για την αποστολή δεδομένων (1 Mbps upstream). Το σημαντικότερο είναι ότι το εύρος ζώνης δεν το μοιραζόμαστε, αλλά είναι εξ ολοκλήρου στη διάθεσή μας. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό είναι ότι η σύνδεση ADSL είναι μόνιμη και διαθέσιμη ανά πάσα στιγμή (always-on), δηλαδή δεν απαιτείται σύνδεση και αποσύνδεση από το δίκτυο, όπως συμβαίνει με τις τηλεφωνικές κλήσεις. Ωστόσο θα πρέπει να τονιστεί το γεγονός ότι η απόδοση του ADSL εξαρτάται σημαντικά από την απόσταση του χρήστη από τον τηλεπικοινωνιακό πάροχο και φθάνει τα:

• 1,5 Mbps για απόσταση 5,5 km
• 2,0 Mbps για απόσταση 4,9 km
• 6,3 Mbps για απόσταση 3,6 km
• 8,4 Mbps για απόσταση 2,7 km

Εξελιγμένες εκδόσεις του ADSL είναι το ADSL2 και το ADSL2+, οι οποίες παρέχουν μεγαλύτερες ταχύτητες αξιοποιώντας διαφορετικά το εύρος ζώνης του καλωδίου. Η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να επιτύχει το ADSL2+ είναι τα 24/1 Mbps (ή τα 24/3,5 Mbps σε περίπτωση που υλοποιεί το πρότυπο ITU G.992.5 Annex M), αλλά στην πράξη πολύ λίγοι χρήστες μπορούν να συνδεθούν σε αυτές τις ταχύτητες, λόγω της απόστασής τους από το τηλεφωνικό κέντρο.

Το ADSL εξασφαλίζει πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων στο Διαδίκτυο και σε άλλα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα για ταυτόχρονη μετάδοση φωνής και δεδομένων (δεδομένα, κινούμενη εικόνα, γραφικά) μέσω της απλής τηλεφωνικής γραμμής. Αυτό γίνεται εφικτό χάρη στους εξελιγμένους αλγορίθμους και στη βελτιωμένη ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα οποία συμπιέζουν σε μεγάλο βαθμό την πληροφορία που μεταδίδεται μέσα από τα υπάρχοντα τηλεφωνικά καλώδια, καθώς επίσης και στη βελτίωση των μετασχηματιστών, των αναλογικών φίλτρων και των μετατροπέων σήματος (από αναλογικό σε ψηφιακό).

Στις απλές τηλεφωνικές συνδέσεις με χάλκινο καλώδιο χρησιμοποιείται μόνο η περιοχή συχνοτήτων 0-4 kHz για τη μετάδοση της φωνής. Αυτό δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν οι μεγαλύτερες συχνότητες για τη μετάδοση άλλων δεδομένων. Επειδή το εύρος είναι περιορισμένο και οι συνηθισμένοι οικιακοί χρήστες έχουν μεγαλύτερο όγκο στο κατέβασμα παρά στο ανέβασμα, χρησιμοποιείται μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων για την αποστολή από τον πάροχο προς τον τελικό χρήστη από το εύρος συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για την αποστολή από τον τελικό χρήστη προς τον πάροχο.

Αυτές οι συχνότητες υποδιαιρούνται σε ακόμα μικρότερες περιοχές των 4.3125 kHz και συχνά ονομάζονται bins. Συνήθως τα modems κατά την έναρξη της επικοινωνίας ελέγχουν ξεχωριστά κάθε τέτοια περιοχή για να καθορίσουν ποιες από αυτές τις περιοχές μπορούν να χρησιμοποιηθούν.

Αυτή η σύνδεση χρησιμοποιείται για τη μεταφορά από τον τελικό χρήστη μέχρι το αντίστοιχο τηλεφωνικό κέντρο της περιοχής. Στο τηλεφωνικό κέντρο της περιοχής η μετάδοση των δεδομένων διακλαδώνεται μέσω των DSLAM και μεταβιβάζεται (συνήθως) με γραμμές πολύ μεγαλύτερης ταχύτητας στον αντίστοιχο πάροχο δεδομένων.

Στο ανωτέρω σχήμα, με κόκκινο φαίνεται η περιοχή συχνοτήτων που χρησιμοποιεί η απλή τηλεφωνική σύνδεση (PSTN), με πράσινο η περιοχή του upload και με μπλε η περιοχή που χρησιμοποιείται για download από το ADSL.

Οι τηλεφωνικές γραμμές μεγάλου μήκους προκαλούν μεγάλη εξασθένιση στα σήματα υψηλών συχνοτήτων που μπορεί να φτάσει και τα 90 dB στο 1 MHz (το οποίο αποτελεί το άνω όριο της ζώνης που χρησιμοποιεί το ADSL), υποχρεώνοντας έτσι τα ADSL modems να "δουλεύουν πολύ σκληρά" για να πετύχουν μεγάλο δυναμικό εύρος, να διαχωρίσουν τα κανάλια και να κρατήσουν το θόρυβο σε χαμηλά επίπεδα. Για τον απλό χρήστη το ADSL φαίνεται κάτι απλό, σαν διαφανείς "σωλήνες" σύγχρονων δεδομένων διαφορετικών ταχυτήτων πάνω από απλές τηλεφωνικές γραμμές. Μέσα στα ADSL modems, όπου όλα τα τρανζίστορς λειτουργούν, υπάρχει ένα θαύμα τεχνολογίας. Για να δημιουργηθούν πολλαπλά κανάλια επικοινωνίας, τα ADSL modems χωρίζουν το διαθέσιμο εύρος ζώνης μιας τηλεφωνικής γραμμής με ένα από τους δυο ακόλουθους τρόπους:

α) Πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας (Frequency Division Multiplexing) ή

β) Καταστολή της ηχούς (Echo Cancellation)

Το ακρωνύμιο HDSL προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων High-bit-rate Digital Subscriber Line και σε αντίθεση με το ADSL είναι συμμετρικό και προσφέρει τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς δεδομένων (μέχρι 2 Mbps) τόσο για τη αποστολή όσο και για τη λήψη. Ωστόσο, η μέγιστη απόσταση μεταξύ των δύο άκρων δεν μπορεί να υπερβαίνει τα 3,5 km. Μια άλλη βασική διαφορά από το ADSL είναι ότι απαιτείται η εγκατάσταση 2 τηλεφωνικών γραμμών (2 συνεστραμμένα καλώδια). Νεότερες εκδόσεις της τεχνολογίας HDSL, είναι το HDSL2 (2 Mbps, 1 ζεύγος συνεστραμμένου καλωδίου) και το HDSL4 (2 Mbps, 2 ζεύγη συνεστραμμένων καλωδίων).

Το SDSL (Single-line Digital Subscriber Line) είναι μια τεχνολογία παρόμοια με το HDSL όσον αφορά στο ρυθμό μεταφοράς δεδομένων (μέχρι 2 Mbps), που απαιτεί όμως μόνο ένα συνεστραμμένο ζεύγος χαλκού. Για το λόγο αυτό, η μέγιστη απόσταση μεταξύ των δύο άκρων δεν μπορεί να ξεπερνά τα 3 km.

Το VDSL (Very-high-data-rate Digital Subscriber Line) μπορεί να δώσει εντυπωσιακά μεγαλύτερες ταχύτητες που μπορεί να φτάνουν τα 52 Mbps, με περιορισμό όμως τη μέγιστη απόσταση μεταξύ των δύο άκρων του χάλκινου αγωγού. Ανάλογα με την υλοποίηση, το VDSL δε μπορεί να ξεπερνά το 1,5 km και οι ρυθμοί μετάδοσης κυμαίνονται για τη λήψη έως 52 Mbps και για την αποστολή έως 12 Mbps. Διάδοχος τεχνολογία του VDSL είναι το VDSL2, που παρέχει ταχύτητες πάνω από 200 Mbps σε πολύ μικρή απόσταση, 100 Mbps στα 500 μέτρα και 50 Mbps στο 1 χιλιόμετρο.

Το DSL χρησιμοποιεί δύο κομμάτια εξοπλισμού, ένα στην πλευρά του πελάτη και ένα στον πάροχο υπηρεσιών Διαδικτύου, την τηλεφωνική εταιρεία ή έναν άλλον πάροχο υπηρεσιών DSL. Στην πλευρά του πελάτη υπάρχει ένας πομποδέκτης (transceiver) DSL, ο οποίος μπορεί να παρέχει κι άλλες υπηρεσίες. Ο πάροχος υπηρεσιών DSL διαθέτει έναν πολυπλέκτη/αποπολυπλέκτη των ψηφιακών συνδρομητικών γραμμών DSL (DSL Access Multiplexer, DSLAM) για να λαμβάνει τις συνδέσεις των πελατών.

Πομποδέκτης (Transceiver) - DSL modem

Οι περισσότεροι οικιακοί πελάτες αποκαλούν τον δικό τους DSL πομποδέκτη ένα "DSL modem". Οι τεχνικοί στην τηλεφωνική εταιρεία ή τον ISP τον αποκαλούν ένα ATU-R. Ανεξάρτητα από το πώς είναι γνωστός, είναι το σημείο όπου τα δεδομένα από τον υπολογιστή του χρήστη ή το δίκτυο συνδέονται με την DSL γραμμή. Ο πομποδέκτης μπορεί να συνδεθεί με τον εξοπλισμό ενός χρήστη με πολλούς τρόπους, αν και οι περισσότερες οικιακές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν συνδέσεις USB ή 10 base-T Ethernet (UTP).

Όλο και περισσότερες ADSL γραμμές χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση δικτύων γραφείων με το Διαδίκτυο. Στην περίπτωση αυτή, χρησιμοποιούμε ένα ADSL modem/router (δρομολογητή) αντί για ένα απλό ADSL modem. Συνήθως, υπάρχουν τα εξής είδη ADSL modems:

• Εξωτερικό ADSL modem για σύνδεση με μια κάρτα δικτύου στον υπολογιστή, συνήθως μέσω ενός καλωδίου 10baseT.
• Εξωτερικό ADSL modem για σύνδεση με βύσμα USB στον υπολογιστή.
• Εσωτερικό ADSL modem, που θυμίζει στην εμφάνιση μια κάρτα δικτύου.

Πολυπλέκτης/Αποπολυπλέκτης - DSLAM

Το DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) είναι ο πολυπλέκτης/αποπολυπλέκτης των ψηφιακών συνδρομητικών γραμμών DSL (Digital Subscriber Line). Είναι μια συσκευή που τοποθετείται είτε στο Κέντρο Τηλεπικοινωνιακών Παρόχων, είτε σε καμπίνες στο δρόμο, είτε αντικαθιστούν τους Κατανεμητές καλωδίων, είτε μέσα σε πολυκατοικίες. Το DSLAM στην πλευρά του παρόχου είναι ο εξοπλισμός που επιτρέπει στο DSL να λειτουργεί. Ένα DSLAM λαμβάνει συνδέσεις από πολλούς πελάτες και τις συνενώνει σε μία σύνδεση υψηλής χωρητικότητας προς το Διαδίκτυο. Τα DSLAMs είναι γενικά ευέλικτα και μπορούν να υποστηρίξουν πολλούς τύπους DSL στο ίδιο κεντρικό γραφείο και διαφορετικές ποικιλίες πρωτοκόλλων και διαμόρφωσης (modulation) στον ίδιο τύπο DSL. Επιπλέον, το DSLAM μπορεί να παρέχει επιπλέον λειτουργίες όπως δρομολόγηση (routing) ή εκχώρηση δυναμικών IP διευθύνσεων για τους πελάτες.

Το DSLAM περιέχει ένα μοναδικό modem (port) για κάθε συνδρομητή που συνδέεται σε αυτό. Κάθε κάρτα στο DSLAM τυπικά έχει 24 ports. Μπορούν να εγκατασταθούν πολλαπλές κάρτες για να καλύψουν ολόκληρες περιοχές. Όταν συνδέσουμε και ανάψουμε το modem/router μας, το πρώτο πράγμα που κάνει είναι να συνδεθεί με το port του DSLAM που μας αντιστοιχεί. Αυτή η διαδικασία σύνδεσης μεταξύ των δύο modems ονομάζεται "συγχρονισμός" και συνήθως έχει ειδικό λαμπάκι με την ονομασία ADSL, line ή sync που δείχνει πως έγινε με επιτυχία. Η πραγματική ταχύτητα ADSL για τη σύνδεσή μας είναι η ταχύτητα που θα επιτευχθεί σε αυτόν τον συγχρονισμό.

Το DSLAM παρέχει μια από τις κύριες διαφορές ανάμεσα στο ADSL και τα καλωδιακά (cable) modems. Επειδή οι χρήστες των cable modems μοιράζονται συνήθως έναν βρόγχο δικτύου (network loop) σε μια γειτονιά, η πρόσθεση χρηστών σημαίνει ελάττωση της απόδοσης σε πολλές περιπτώσεις. Το ίδιο ισχύει και για το DSL, καθώς το DSLAM λειτουργεί σαν hub, δηλαδή πολλοί χρήστες μοιράζονται το ίδιο κανάλι (bus), με αποτέλεσμα τον κορεσμό του bandwidth.

Το καλωδιακό modem υπερτερεί σε θέματα ταχύτητας και κόστους, καθώς κλειδώνει σε FastEthernet με σχετικά φθηνότερο πάγιο, ενώ παρέχονται και άλλες υπηρεσίες πάνω απ' αυτό, όπως TV, Telephony κ.ά. Το ADSL παρέχει μια αφοσιωμένη (dedicated) σύνδεση από τον κάθε χρήστη έως το DSLAM, πράγμα που σημαίνει ότι οι χρήστες δεν θα διαπιστώσουν μια ελάττωση της απόδοσης με την προσθήκη νέων χρηστών, μέχρις ότου ο συνολικός αριθμός των χρηστών αρχίσει να παραγεμίζει (κορεσμός) τη σύνδεση υψηλής ταχύτητας προς το Διαδίκτυο. Τότε, μια αναβάθμιση (upgrade) από τον πάροχο υπηρεσιών μπορεί να προσθέσει επιπλέον απόδοση για όλους τους χρήστες που είναι συνδεδεμένοι στο DSLAM.

Μια τυπική τοπολογία δικτύου ADSL φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Όταν παίρνουμε ADSL στο σπίτι μας, ο τηλεπικοινωνιακός πάροχος τοποθετεί μία συσκευή στον πελάτη (Network Interface Device - NID), γνωστή και ως adsl modem/router, η οποία διαχωρίζει τις συχνότητες της φωνής, που κυμαίνονται μεταξύ 0 - 4kHz, από τις υψηλότερες συχνότητες των DSL σημάτων (25kHz - 1,1MHz). Ο διαχωριστής των σημάτων διαφορετικών συχνοτήτων, ένα χαμηλοπερατό φίλτρο, είναι μια παθητική συσκευή, δηλαδή δεν χρειάζεται επιπλέον παροχή ρεύματος και μπορεί να συνεχίζει να λειτουργεί, αν υπάρξει τοπική διακοπή παροχής ρεύματος. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες συνδεσμολογίας ΑDSL, η splitter-based και η splitterless. Και στις δύο περιπτώσεις στο σπίτι μας φθάνει ένα δισύρματο καλώδιο. Ωστόσο, για την splitterbased τεχνολογία απαιτείται η εγκατάσταση ενός διαχωριστή σήματος από την τηλεφωνική εταιρεία στο χώρο του συνδρομητή (είτε μέσα στο σπίτι, είτε έξω από αυτό), ώστε να διαχωριστεί το σήμα της φωνής από το σήμα που μεταφέρει τα δεδομένα. Για τη splitterless τεχνολογία, δεν έχουμε διαχωρισμό των δύο σημάτων. Η τεχνολογία splitterless είναι γνωστή και ως "Universal DSL" ή "G.Lite" ή "DSL Lite".

Splitterless DSL

Με το splitterless DSL, το DSL modem συνδέεται απευθείας με την τηλεφωνική γραμμή, όπως και οι τηλεφωνικές συσκευές. Το modem περιέχει ειδικά chips που διαχωρίζουν τα σήματα, αλλά λειτουργούν σε χαμηλότερη ισχύ, ώστε να μη δημιουργούν παρεμβολές στα σήματα της φωνής. Έτσι, η μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι μικρότερη σε σχέση με το splitter-based DSL. Επιπλέον, οι τηλεφωνικές συσκευές απαιτούν την ύπαρξη ενός φίλτρου (filter) που θα παρεμποδίζει τα σήματα DSL (δεδομένων), τα οποία μπορεί να ακουστούν ως θόρυβος στη γραμμή και να παρεμβληθούν στην κανονική λειτουργία του τηλεφώνου.

Splitter-based DSL

Με το splitter-based DSL, το σήμα DSL (δεδομένων) διαχωρίζεται από τη γραμμή του τηλεφώνου και με διαφορετικό καλώδιο οδεύει προς το modem. Αυτό απαιτεί επιπλέον καλωδίωση που στοιχίζει, όπως στοιχίζει επίσης και ο διαχωριστής σήματος. Το καλώδιο του modem συνδέεται μέσω διεπαφής (NIC-Network Interface Card) η οποία συνήθως είναι μία κάρτα Ethernet ή ένα hub το οποίο θα συνδέεται σε τοπικό δίκτυο.

Αντίστοιχα, αν η τηλεφωνική μας γραμμή είναι ISDN με ενεργοποιημένη σύνδεση ADSL, υπάρχει η συσκευή τερματισμού δικτύου – netmode και επομένως η εγκατάσταση του δικτύου θα γίνει ως εξής: