Diplomová práca - Satelitná komunikácia a sluľby umoľňujúce mobilitu v TCP/IP sie»ach

[Poznámka k pouľitým konvenciám v hypertexte: Podčiarknuté odkazy sú odkazmi mimo tento html dokument. Len zvýraznené odkazy odkazujú iba v rámci tohoto dokumentu.]

Počiatky bezdrôtovej komunikácie

Prvé vierohodné záznamy, ktoré nesú znak starobylej komunikácie, boli popísané dejepiscom Polybiusom. Idea komunikácie bola postavená na systéme kódovacích kníh a kódovacích tabúl, ktoré popísaným a navrhnutým symbolom pripisovali jednotlivé významy resp. alafabetické znaky. Polibiom popísaná idea je datovaná pribliľne 350 rokov pred Kristom. Jednotlivé správy alebo znaky mali svoj symbol, vyjadrený napríklad kombináciou a počtom a umiestnením horiacich ohňov na vyąąie poloľenom viditeµnom mieste.

®urnalista a bádateµ H.M. Stanley v roku 1876 objavil na brehu rieky Kongo (dnes Zaire) kmeň osadníkov, ktorý komunikoval pomocou "hovoriacich bubnov". Bubny boli vyrobené z kmeňa stromu, ktorý bol vydlabaný. Poµa toho, ako bolo na bubon udierané, vydávané zvuky zneli podobne miestnemu jazyku. Osadníci takto komunikovali, pretoľe nimi osídlené oblasti boli oddelené hustým lesom, ktorý znemoľňoval ich priamu viditeµnos».
Ąudský hlas, resp. zvuk umoľňoval komunikáciu len na malé vzdialenosti. Aby sa dosah správ zväčąil, boli pouľívané svetelné a dymové signály. Starovekí Gréci vyuľili na komunikáciu v boji o Thermopylae zrkadlá odráľajúce slnečné lúče. Výhodu priamej viditeµnosti na veµkú vzdialenos» vyuľívalo námorné loďstvo, ktoré komunikovalo pomocou zástav (semafory). Túto formu komunikácie vyuľívali námorné flotily po stáročia.

Optický telegraf

Pouľitie zástav v pozemnej komunikácii je s»aľené pre rázovitos» terénu. Vizuálny princíp vyuľíval tieľ optický telegraf, ale s výhodným umiestnením na vysokopoloľených miestach, veľiach, stoľiaroch alebo budovách. Prvé pokusy s návrhom optických telegrafov začali robi» v roku 1790-1791 bratia Chappeovci, pôvodom Francúzi. Prvá verejná skúąka takéhoto telegrafu bola v marci 1791. Toto zariadenie bolo Chappeovcami opisované ako Kyvadlový systém, tieľ uvádzaný ako Synchronizovaný systém. Nespokojnos» vynálezcov s vyuľitím Kyvadlového telegrafu vyústila do návrhu panelového telegrafu. 5 panelov telegrafu mohlo signalizova» 25 symbolov, čo bolo 3 krát viac, ako vyuľíval ich prvý Kyvadlový systém (10 symbolov). Neskôr Claude Chappe pochopil, ľe panelový telegraf bol zlý ątart, a ľe predĺľené

Chappeov semaforový
telegraf

objekty sú na veµké vzdialenosti lepąie viditeµné, ako posuvné panely.

V roku 1793 bol skonątruovaný Semaforový telegrafný systém. Semaforový telegraf , ktorý Claude Chappe navrhol, bola komunikačná veľa so stoľiarom. Na stoľiari bolo umiestené horizontálne rameno (regulátor), ktoré malo pripevnené na oboch koncoch kratąie krídla (indikátory). Rameno s krídlami zdanlivo napodobňovalo osobu s rozpaľenými rukami, ktorá drľí signálne zástavky v kaľdej ruke. Regulátor aj rameno bolo moľné natáča» v uhle 45º. Kombináciou natočení tak bolo moľné vytvori» 196 symbolov. Prvá komunikačná trasa viedla Francúzskymi mestami Paríľ - Lile. Trasa merala 190km a na prenos vyuľívala 22 semaforových telegrafných staníc, ktoré boli umiestnené na samostatných veľiach alebo vysokých budovách. Prenos signálu cez túto trasu trval 5min. Neskôr vznikli ďaląie komunikačné trasy, najdlhąia 370km Paris - Dion - Lion (r.1804).

Poľiadavky na rýchlos» a objem komunikácie sa postupne zvyąovali a technické rieąenia optickými telegrafmi uľ nepostačovali. Rozvoj fyziky a nové poznatky o elektrickom prúde a jeho magnetických účinkoch otvorili nové moľnosti.

Objavy vo fyzike

Elektromagnetické vlny a ich význam

V roku 1820 si dánsky fyzik a chemik Hans Christian Øersted vąimol, ľe magnetka kompasu v blízkosti elektrického poµa vykazuje istý pohyb a takto objavil súvis medzi elektrinou a magnetizmom.

V tom istom roku 1820 Francúzky fyziky François Arago zistil, ľe elektrický prúd usmerňuje nezmagnetizované kovové piliny do kruhu okolo drôtu. Objavil princíp produkcie magnetizmu pomocou cylindricky stočeného medeného vodiča.

V tom čase (1820) ďaląí Francúz a rovnako fyzik André-Marie Ampere ujasnil Øerstedove pozorovanie a vyslovil prvú teóriu magnetizmu. V nej poukázal na spojitos» medzi magnetizmom a elektrickým prúdom, ako dvoma skupinami javov, ktoré sa predtým povaľovali za principiálne odliąné.

Ak prechádza elektrický prúd vodičom, vzniká v jeho okolí magnetické pole. Je moľné, aby naopak vznikol pomocou magnetického poµa v uzavretom obvode elektrický prúd? Odpoveď na túto otázku prvý priniesol v roku 1831 Michael Farraday s dôleľitým objavom elektromagnetickej indukcie. James Clerk Maxwell

O ďaląí veµký pokrok sa zaslúľil ©kótsky fyzik James Clerk Maxwell. Výsledkom jeho úsilia bola teoretická práca. Publikoval ątúdie " O Dynamickej teórií elektromagnetického poµa" (1865) a "Pojednanie o elektrine a magnetizme " (1873), ktorá sa stala známa ako Maxwellove rovnice. Je to séria ątyroch rovníc, ktoré spolu kompletne popisujú vzájomné pôsobenie elektrických a magnetických polí.

Vďaka Maxwellovej teórii, 8 rokov po jeho smrti vynaąiel v roku 1887 profesor fyziky Heinrich Hertz oscilátor a laboratórne vytvoril elektromagnetické vlny, pričom meral ich dĺľku a rýchlos». Ukázal, ľe povaha ich vibrácií a schopnosti sa láma» a odráľa», sú rovnaké, ako pri svetelných a tepelných vlnách. Ako definitívny záver bez pochybností stanovil, ľe svetlo a teplo sú elektromagnetickou radiáciou. Hertz bol prvým, kto vysielal a prijímal elektromagnetické vlny. Avąak produkované vlny neboli schopné prekona» väčąiu vzdialenos» a problém, vytvori» efektívny vysielač a prijímač, zostával.

História bezdrôtovej komunikácie vo fragmentoch

Napriek tomu, ľe k vynálezu rádia prispeli mnohí vedci, bol to Taliansky elektroinľinier a vynálezca Guglielmo Marconi ^[1], ktorému sa pripisuje tento významný krok. Marconiho úspech spočíval v kombinácií jeho technickej invencie a obchodného dôvtipu. V roku 1895 tento mladý technický nadąenec zdokonalil koherér (prístroj zachytávajúci elektromagnetické vlny) a pripojil ho k jednoduchej anténe, ktorej dolný koniec bol uzemnený. Vtedy predviedol prvú demonątráciu bezdrôtovej telegrafie. V roku 1896 Marconi dokázal vysla» signály na vzdialenos» vyąe 1.6km. Prenos bol uskutočňovaný dlhými vlnami a mal vysoké energetické nároky (>200kw) Uľ v roku 1896 Marconi v Londýne poľiadal o patent pre svoj vynález. V nasledujúcom roku jeho prístroj zvládol prenos rádiových signálov z pobreľia na loď na vzdialenos» 29 kilometrov. V roku 1899 Marconi prevádzkoval komerčnú komunikáciu medzi Anglickom a Francúzskom, v roku 1901 vyslal signály na vzdialenos» 322 kilometrov a v tom istom roku bolo prvé písmeno (S) prenesené cez Atlantický oceán. Uľ v nasledujúcom roku sa rádiové správy pravidelne posielali cez Atlantický oceán a v roku 1905 moľnos» rádiového spojenia s pevninou uľ vyuľívalo mnoho lodí.

¹[pozn.: Niektoré zdroje uvádzajú ako vynálezcu rádia ruského fyzika a elektroinľiniera A.S. Popova, avąak valná väčąina pripisuje tento krok Macronimu. - V roku 1895 Alexander ©tepanovič Popov predviedol prístroj na registráciu atmosferických výbojov, čo bol vlastne prvý rádioprijímač. Postupným zdokonaµovaním dosiahol Popov v roku 1899 spojenie na vzdialenos» 46 kilometrov. Tieto pokusy vąak Ruská vojenská správa utajila. Popov poľiadal o patent aľ v roku 1899.]

Reginald Aubrey Fessenden, Kanadsko-Americký rádiopioner sa od roku 1900 pokúąa o bezdrôtový prenos hlasu. Vyvíja ideu modulova» amplitúdu zvukových vĺn do rádiových vĺn. 1902 navrhuje Fessenden, ľe jeho metóda prenosu spojitých vĺn, by bola vhodná pre rádiotelefóniu. Spája sa s dvoma finančníkmi, ktorý umoľnia realizáciu jeho myąlienok. Po skonątruovaní 50 000Hz alternátora s ktorým uľ bolo moľné realizova» rádiotelefóniu, Fessenden okamľite stavia vysielaciu stanicu Brant Rock. 24.Decembra 1906 bezdrôtový operátor vo vzdialenom Norfolku prekvapene počúva reč a hudbu vysielanú z Brand Rocku do jeho prijímača.

V septembri 1915 sa uskutočnil bezdrôtový diaµkový telefónny hovor New Yorku - San Francisco na vzdialenos» 4022km. Hovor bol realizovaný z lodnej rádiostanice v Arlingtone do lodnej rádiostanice na Mare Island. O pár hodín neskôr bol µudský hlas vyslaný éterom z Washingtonu do Honolulu, na vzdialenos» 7884km (4900 míµ). Tento výkon sa dosiahol za pomoci viacerých spoločností (AT & T, Western Electric Company, ..) a amerických námorných síl. Príjem bol uskutočňovaný anténou ąpeciálne postavenou pre tento účel inľiniermi telefónnych spoločností a za súhlasu námorných orgánov boli umiestnené na námornej stanici Perl Harbour - Hawai. Príjem na takúto vzdialenos» mohol by» dosiahnutý aj vďaka elektrónkam, ktoré boli vyuľité pri rádiovom prenose. O ich vynájdenie sa v roku 1906 zaslúľil Lee De Forest.

Guglielmo Marconi má v bezdrôtovej histórií svoje významné miesto. Marconi zistil, ľe rádiové vlny sa ąíria odrazom z atmosféry a ľe prenosové podmienky sú niekedy priaznivejąie v noci ako cez deň. Marconi urobil toto pozorovanie na lodi Philadelphia v roku 1902, keď prijal správu zo vzdialenosti 700 míµ cez deň a 2000míl v noci. Vtedy eąte nevedel, ľe tento jav nastáva odrazom z vyąąej vrstvy atmosféry tzv. ionosféry. S predpokladom ionosféry a rovnakou teóriou ąírenia vĺn odrazom priąli v tom istom roku (1902) a nezávisle od seba britský fyzik Oliver Heaviside a americký inľinier A.E Kennely. (Definitívny dôkaz týchto teórií bol dosiahnutý aľ v roku 1925.)

Rovnako sa Marconi zaslúľil o vývoj krátkovlnného vysielania. Uľ v roku 1916 počas prvej svetovej vojny predvídal moľnú výhodu vyuľitia krátkych vĺn, pri ktorých by sa mohli vyuľíva» reflektory (telesá odráľajúce signál) okolo antén. Tieto by signál sústreďovali, zvyąovali jeho silu a minimalizovali príjem nepriateµom. Za niekoµko rokov po ďaląích experimentoch a testoch prenosu krátkych vĺn (s vlnovou dĺľkou 15m), začal Marconi vyvíja» krátkovlnnú bezdrôtovú komunikáciu, s pouľitím systému smerových antén, pre koncentrovanie signálu v ľelanom smere. Neskôr pokračoval v ątúdiu eąte kratąích vĺn (okolo 0.5m). Na tejto veµmi krátkej vlnovej dĺľke vykazovali antény s menąou veµkos»ou parabolických reflektorov značne zvýąený výkon vysielania, v ľelanom smere.

V roku 1921 zamestnanci Deatroitskej polície rádio oddelenia začínajú experimentova» s frekvenčným pásmom blízko 2MHz pre dopravnú mobilnú sluľbu (komunikácia typu Push to talk). V r.1928 toto policajné oddelenie zavádza jednocestnú komunikáciu s ich centrálnym rádiovým vozidlom. Systém dopravného mobilného rádia je vyuľívaný pre policajnú prácu a neskôr je zavedený v celej krajine. Kanály na týchto nízko-frekvenčných pásmach sa časom stali prehustené. Tieto mobilné systémy neboli prepojené s beľnou (drôtovou) telefónnou linkou.

John Logie Baird v roku 1924 predvádza obrysy objektov predané televíziou, v r.1925 prenáąa rozpoznateµnú µudskú tvár a v r.1926 demonątruje pohybujúce sa objekty. V r.1929 začína britská spoločnos» BBC s pravidelným pokusným televíznym vysielaním s vyuľitím Bairdovho ątúdia.

V r.1933 získal Edwin Howard Armstrong patent na systém frekvenčnej modulácie (FM). FM priniesla lepąiu alternatívu vysielania, ako dovtedy zauľívaný systém vysielania s amplitúdovou moduláciou a umoľnil vysokokvalitný prenos hlasu, alebo hudby s odolnejąím signálom proti ruąeniu.

Nástup mobilných telefónnych sietí

V r.1946 Saint Lois, AT&T a Southwestern Bell uvádza prvú komerčnú radio-mobilnú sluľbu pre privátnych zákazníkov. Mobilné vysielače vyuľívajú novovydanú licenciu pre vozidlá, udelenú Soutwestern Bell Federálnou Komunikačnou Komisiou. Sluľba je prevádzkovaná v pásme 150MHz a vyuľíva ąes» komunikačných kanálov s odstupom 60kHz. Vzájomné ruąenie kanálov a častý presluch s pozemným telefónmi linkami, čoskoro prinútil spoločnos» Soutwestern Bell vyuľíva» iba tri kanály.

V roku 1958 začína prevádzku prvá nemecká analógová mobilná sie» A-Netz, operujúca na frekvencii 160MHz. Iniciova» hovor v tejto sieti bolo moľné len z mobilného telefónu. Pre ustanovenie spojenia medzi volajúcim a volaným bol nutný zásah operátora, čo robilo sluľbu nákladnou. Napr. mesačný základný poplatok bol cca. 66 - 270 DM, čo bolo pre kvalifikovaného robotníka s mesačnou mzdou okolo 600 DM sotva dostupné. V roku 1971 dosiahla pokrytie 80% krajiny (západné Nemecko a západný Berlín) s počtom okolo 11 000 abonentov. Pre týchto 11000 uľívateµov siete bolo v sluľbe nepretrľite 600 sprostredkovateµských síl. A - sie» zostala zachovaná aľ do r. 1977 a preąla do novej, tzv. B- siete.

Na konci 60tych rokov bola vyvíjaná sie» B-Netz, ktorá bola rovnako analógová a vyuľívala frekvencie 160MHz. B-Netz začala svoju prevádzku v roku 1972. Bola priamo smerovaná, teda na jej spojenie nebol nutný operátor, avąak bolo nutné pozna» polohu volaného a kód oblasti, v ktorej sa nachádzal (napr. Stuttgart 0711-05). Iniciova» hovor bolo moľné aj z pevnej siete. Sie» nepodporovala handover, čo znamená, ľe spojenie bolo preruąení po prechode z dosahu jedného vysielača (s polomerom 30km) na iný. Najvyąąí počet účastníkov (270 000) dosiahla sie» v roku 1986. Analógový systém B-Netz bol dostupný aj v Luxembursku, Nórsku a Anglicku, s moľnos»ou medzinárodného roamingu.

Mobilné siete AMPS: V r.1983 bol uvedený celulárny rádiový systém AMPS (Advanced Mobile Phone System). Táto mobilná sie» bola pôvodne vyvíjaná spoločnos»ami AT&T a Motorola, Inc. Komunikácia AMPS bola zaloľená na 666 pároch hlasových kanálov v 800MHz časti spektra. Systém vyuľíval frekvenčnú moduláciu. Sie» bola od svojho uvedenia úspeąná, koncom prvých rokov prevádzky mala celkovo 200 000 účastníkov po celých spojených ątátoch. O 5 rokov neskôr to bolo viac ako 2 000 000.

Mobilné siete NMT: Aj keď AMPS bol prvým vyvíjaným bunkovým systémom. Prvý postavený bunkový systém začala prevádzkova» v roku 1997 spoločnos» NTT v Japonsku. Ďalej ho nasledoval NMT (Nordic Mobile Telephone). V roku 1981 bol spustený vo ©védsku, Nórsku o rok neskôr v Dánsku a Fínsku a postupne aj v ďaląích európskych krajinách (v ČSFR aľ v roku 1991 - Eurotel). Táto analógová sie» pracovala v 450MHz frekvenčnom pásme a umoľňovala prechody medzi bunkami. Neskôr, v roku 1996 bolo zavedené 900MHz pásmo.

Beząnúrový ątandard DECT: V roku 1991 bola vydaná ąpecifikácia DECT (Digital European Cordless Telephone), dnes uľ Digital Enhanced Cordless Telecommunications. Dect je digitálny beząnúrový telefónny ątandard s princípom podobajúcim sa bunkovým systémom, to znamená, ľe pokrytie môľe by» rozdelené na tzv. piko-bunky, medzi ktorými je moľné predáva» hovor. Stanice ątandardu DECT pracujú vo frekvenčnom rozsahu 1880 - 1900MHz a umoľňujú prenos hlasu aj dát. Ich dosah je 100 aľ 500 metrov a vyuľívajú 120 duplexných kanálov s rýchlos»ou prenosu 1,2 Mb/s. ©tandard obsahuje radu bezpečnostných poistiek, vrátane kódovania hovoru a autentifikácie presného riadenia. V Európe DECT odsúva na vedµająiu koµaj starąie ątandardy CT-0(1980), CT-1 (1984) a CT-2(1989).

Mobilné siete GSM: Vývoj GSM, ktorý sa uvádza ako 2.generácia mobilných sietí, sa začal v roku 1982, kedy Coference of European Posts and Telegraphs (CEPT) vytvorila výskumnú skupinu Groupe Spécial Mobile (prvotný názov pre GSM). Skupina dostala za úlohu realizova» ątúdiu a následný vývoj trans-európskeho verejného celulárneho systému v kmitočtovom pásme 900 MHz. Kritériá pre poľadovaný systém boli: dobrá subjektívna kvalita prenáąanej reči, nízka cenová hladina koncových staníc a servisných sluľieb, podpora medzinárodného roamingu, schopnos» realizácie miniatúrnych príručných koncových staníc, podpora pre roząírené sluľby (SMS, regionálne správy atď.), vrátane sluľieb plánovaných v budúcnosti (napr. Mobilný terminál počítačovej siete). Vývoj napredoval ďalej, a tak v roku 1986 bola zaloľená skupina pre vývoj GSM. V roku 1987 sa stanovili základné návrhy pre samotnú sie». V roku 1989 bol systém GSM predstavený na konferencii ETSI (European Telecommunications Standart Institute) a ten prijal GSM veµmi pozitívne. Tak isto sa začalo pracova» na klone GSM s názvom PSC 1900 pre Americké krajiny. Tak v roku v 1991 začala prevádzku prvá testovacia sie» GSM s názvom Telecom 91. Odborníci sie» veµmi kritizovali, no 11 000 hovorov prebehlo v poriadku bez akýchkoµvek problémov pri testovaní siete v ®eneve. Postupom času vznikla ako prvá sie» GSM v roku 1992 Nemecká D2. Výsledok tohoto vývoja je systém bezpečnejąí ako jednoducho odpočúvateµné NMT, umoľňuje automatickú lokalizáciu, predávanie (handover) je uľ samozrejmos»ou a poskytuje prenosovú rýchlos» dát 9.6kb/s. Momentálne vyuľíva sie» viac ako 170 krajín.

Roząírenia GSM: Pre nedostatočne rýchly dátový prenos GSM sietí vznikli nové ątandardy ako "nadstavby" týchto sietí z generácie 2 na 2.5G. Jednou z takýchto technológií je HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), definovaný ETSI (European Telecommunications Standard Institute) a vyvinutý zo starąieho ątandardu CSD (Circuit Switched Data). HSCSD ponúka max. rýchlosti 38.4Kbps pri 900MHz a 57,6kb/s pri 1800MHz. Ďaląou alternatívou je GPRS (General Packet Radio Service), pre ktoré behom rokov 1999 - 2000 sie»oví operátori stanovujú skúąobné a komerčné kontrakty a začleňujú GPRS infraątruktúru do GSM sietí. V lete 2000 sú uľ prístupné prvé GPRS sluľby s rýchlos»ou prenosu 28kbps. Napríklad T-Mobil má k dispozícii GPRS skúąobne na EXPO2000 v Hanovery (leto 2000). Začiatkom roka 2001 začínajú by» základné GPRS terminály početne zastúpené na telekomunikačných trhoch. V priebehu roka 2001 spúą»ajú mobilní operátori komerčné GPRS sluľby a začína sa prudký nárast jeho pouľívateµov. V druhom polroku 2001 sa uľ uľívatelia pripájajú rýchlos»ami 56kbps (max je 171.2kbps s vyuľitím vąetkých 8 časových dielov ).

©tandard pre 3G - IMT-2000/UMTS: Výskum a vývoj mobilného systému, ktorý by uľívateµom malých mobilných telefónnych prístrojov umoľnil globálny roaming na základe existencie jednej univerzálnej mobilnej siete s unifikovanými sluľbami a s pouľitým frekvenčným spektrom rovnakým na celom svete, začal uľ v roku 1986 na úrovni ITU. Tento vyvíjaný systém dostal názov FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System), ktorý sa vąak postupne zmenil na IMT - 2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000).
V roku 1990 ETSI ustanovuje výskumnú skupinu SMG5 (Special Mobile Group 5), zodpovednú za celú ątandardizáciu UMTS - v Európe je výskum, vývoj a ątandardizácia mobilného komunikačného systému tretej generácie, známy ako UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).
V roku 1993 V Japonsku vzniká ątudijný výbor IMT-2000 - ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) na zabezpečenie koordinácie výskumných a vývojových aktivít.
V rokoch 1995 - 1998 prebieha výskumný program ACTS (Advanced Communication Technologies and Service) a jeho projekt FRAMES (Future Radio Wideband Multiple Access System). Zaoberá sa výskumom mnohých rádiových techník, vhodných pre mobilné systémy tretej generácie. Jeho výsledkom, ktorý postúpil ETSI boli dve techniky vaicnásobného prístupu: FMA1 a FMA2.
V roku 1997 V USA začína stúpa» záujem o IMT-2000.
V roku 1998 ETSI prijala kompromis medzi FMA1 a FMA2 a WCDMA (Wideband CDMA) navrhnutého Japonským ARIB a ustanovila WCDMA so zloľkami FDD a TDD (Frequency/Time Division Duplex) ako základnú viacnásobnú prístupovú techniku pre UMTS. V Októbri 2000 WRC-2000 (World Radio Conference) rozhodla o doplnkovom spektre k základnému spektru IMT-2000. Rovnako v tomto roku sa uskutočňuje nákup UMTS licencií mobilnými operátormi.

IEEE 802, bezdrôtové MAN, LAN, PAN

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) bola vytvorená v Spojených ątátoch v roku 1963 zlúčením AIEE (American Institute of Electrical Engineers) a IRE (Institute of Radio Engineers). IEEE je jedna z najväčąích technických asociácií na svete, zdruľujúca viac ako 375 000 individuálnych členov, ktorých tvoria elektrotechnickí inľinieri, počítačoví vedci, telekomunikační pracovníci a ďaląí. Jej hlavným poslaním je podporova» proces tvorby, vývoja, integrácie zdieµania a aplikovania znalostí o elektrotechnických a informačných technológiách. Najdôleľitejąou úlohou IEEE je ustanovova» ątandardy pre počítačové formáty a zariadenia.

IEEE 802.11 alebo tieľ Wi-Fi (podµa Wi-Fi Aliancie) označuje mnoľinu bezdrôtových LAN ątandardov pracovnej skupiny číslo 11 v IEEE 802 (802 je komisia určená pre vývoj ątandardov LAN a MAN sietí). Prvým ątandardom z rodiny 802.11 bol protokol 802.11 tieľ pre odlíąenie niekedy označovaný ako 802.11legacy. Tento bol vydaný v roku 1997 a ąpecifikuje prenos signálov v ISM pásme 2.4 - 2.5GHz. S rýchlos»ou prenosu 1 alebo 2Mb/s^[2]. 802.11legacy umoľňuje aj lokálny prenos infračerveným frekvenčným spektrom, rovnako s rýchlos»ami 1 alebo 2Mb/s.

V septembri 1999 IEEE schválila dve zlepąenia originálneho 802.11 ątandardu. Boli to ątandardy 802.11b a 802.11a. 802.11b vyuľíval rovnaké bezlicenčné rádiové frekvencie ako 802.11legacy (2.4GHz), zvyąoval vąak "hrubú" prenosovú rýchlos» na 11Mb/s^[2], ktorá sa zniľuje s kvalitou signálu na 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s a 1 Mbit/s. Dosah je orientačne okolo 100m. 802.11b bol prvý väčąí komerčný úspech bezdrôtových sietí aj kvôli tomu, ľe poskytoval podobnú maximálnu rýchlos» prenosu dát ako 10Base-T Ehernet, schodnú pre korporátne vyuľitie.

IEEE vydala ątandard 802.11a pre nelicencované frekvenčné pásmo (5Ghz), na ktorom 802.11a ponúka maximálnu rýchlos» prenosu dát 54Mb/s^[2]. Tak, ako 802.11b, aj 802.11a poskytuje niľąie prenosové rýchlosti pre signál s niľąou kvalitou (48Mbps, 36Mbps, 24Mbps, 18Mbps, 12Mbps, 9Mbps, 6Mbps). Keďľe 802.11a pracuje na vyąąích frekvenciách ako ątandard 802.11b, jeho dosah je niľąí v porovnaní s 802.11b. Rozdielne rádiové frekvencie robia tieto ątandardy vzájomne nekompatibilné. Postupným vývojom na trhu bezdrôtových zariadení výrobcovia uvoµňujú sie»ové adaptéry a prístupové body (AP), ktoré podporujú dual band operovanie, čím sa myslí komunikácia na oboch: 2,4Ghz a 5Ghz frekvenčných pásmach alebo tzv. tri-mode zariadenia, teda s podporou 802.11a, 802.11b a 802.11g - dovoµujúce klientským zariadeniam sa pripája» ktoroukoµvek bezdrôtovou formou.

802.11g je ďaląou hlavnou vlnou bezdrôtových technológií. ©tandard bol schválený v júni 2003. 802.11g pracuje v rovnakom pásme 2,4Ghz ako 802.11b. Poskytuje max. rýchlos» 54Mb/s^[2], ktorá postupne klesá s kvalitou signálu podobne ako u 802.11a, avąak ak je to nutné, aľ na 1Mb/s. Jeho výhodou je plná spätná kompatibilita so ątandardom 802.11b, čo ho robí jeho logickým následníkom.

Pracovná skupina IEEE číslo 16 - BWA (Broadband Wireless Access) zahájila svoju činnos» v roku 1999 a vyvíja ątandardy pre metropolitné siete (MAN). Prvá norma 802.16 je z roku 2001. Tento ątandard je známy ako WiMAX (World Interoperability for Microwave Access), podµa WiMAX fóra, ktoré zabezpečuje testovanie a certifikáciu vzájomnej kompatility a interoperability zariadení. Pracuje na frekvenciách 10-66Ghz, na ktorých musí by» splnená podmienka priamej viditeµnosti. Kapacita siete na fyzickej vrstve môľe dosahova» aľ 268Mb/s.

V januári 2003 schvaµuje IEEE normu 802.16a, ktorá pracuje v pásme 2-11Ghz a zahŕňa frekvencie licencované, aj bezlicenčné. Rádiové kanály majú ąírku pásma od 1,5 do 20Mhz. Pouľité kmitočty v porovnaní s vyąąími umoľňujú pokrytie pre viac uľívateµov s rýchlos»ami aľ 63Mb/s, ktorú zdieµajú vąetci uľívatelia pripojení ku základňovej stanici. 802.16a je moderná norma pre ąirokopásmové metropolitné siete a má svoje kvality hlavne v oblasti pokrytia, schopnosti rastu pri zvyąujúcom sa počte uľívateµov ako aj v oblasti podpory kvality sluľieb (QoS, Quality of Service).

Alternatívami k americkým ątandardom vydaných IEEE sú európske ątandardy Hiperlan/1 a Hiperlan/2, ktoré schválila ETSI (European Telecommunications Standards Institute). ETSI je podobne ako IEEE nezávislá, nezisková organizácia, ktorej úlohou je tvorba telekomunikačných ątandardov. ETSI bola zaloľená v roku 1988 a sídli na juhu Francúzska v Sophia-Antipolis.

©tandard Hiperlan/1 bol plánovaný uľ v roku 1991 a schválený bol v roku 1996. Poskytuje komunikáciu v pásme 5Ghz s maximálnou prenosovou do 20Mbps.

©pecifikácia Hiperlan/2 bola dokončená vo februári 2000. Vyuľíva 5GHz pásmo a poskytuje s maximálny prenos 54Mbps.

Bluetooth je priemyselná ąpecifikácia pre osobné siete (PAN, Personal Area Network), najskôr vyvíjaná firmou Ericsson, neskôr formulovaná skupinou Bluetooth SIG (Special Interest Group), ktorá bola pôvodne zaloľená v máji 1999 spoločnos»ami Sony Ericsson, IBM, Intel, Nokia a Toshiba. Dnes má SIG mnoľstvo ďaląích členov, z ktorých výraznými propagátormi tohoto ątandardu sú 3Com, Agere, Microsoft, Motorola ale aj iní. ¦pecifikácia bola vytvorená v roku 1998 (rev. 0.7), v decembri 1999 bol vytvorený kompletný ątandard 1.0. O rok neskôr v decembri 2000 bol ątandard doplnený radou zmien a boli odstránené nepresnosti, vznikol Bluetooth v1.1 a stal sa stabilnou ąpecifikáciou. Bluetooth 1.1 dosahuje maximálnu rýchlos» prenosu 1Mbps^[2], pričom reálna priepustnos» dát sa pohybuje maximálne okolo 720 Kbps. Komunikácia prebieha v bezlicenčnom pásme 2,4 Ghz s krátkym dosahom (10m). Výhodou tohoto ątandardu sú malé veµkosti komunikujúcich zariadení, ich nízka cena, robustné spojenie, malý príkon a jeho uľívateµská nenáročnos» (podporuje automatickú konfiguráciu).

²[pozn.: Udávaná rýchlos» je maximálna "hrubá" prenosová rýchlos», t.j. rýchlos» na fyzickej vrstve. Reálne dosahované rýchlosti prenosu dát sú niľąie.]

Bezdrátové technologie představují nejrůznějąí systémy, zařízení a prostředky, které eliminují kabelové vedení, a současně zachovávají stejné sluľby. V praxi tudíľ nemusí být zařízení fyzicky připojena kabelem, ale vyuľívají se nejrůznějąí bezdrátové přenosové cesty zaloľené na elektromagnetickém vlnění. Vlastnosti takovéto technologie pak závisí na pouľité frekvenci vlnění. Díky svému ąíření prostorem tyto vlny nevyľadují ľádnou "pokládku" přenosových cest jako "drátová" přenosová média, coľ je jejich obrovskou předností. Díky tomu mohou podporovat i mobilitu uľivatelů. Navíc mohou vyuľívat i vąesměrový charakter vysílání, kdy jsou data z jednoho zdroje přenáąena k více příjemcům současně. Vąesměrový charakter vysílání je ale výhodný jen při jednosměrném přenosu, zatímco při potřebě opačného směru je zapotřebí určitá forma koordinace zájemců o vysílání v přísluąném směru. Při nízkých frekvencích vlny lépe překonávají terénní překáľky, ale se vzdáleností od vysílajícího zdroje rychle klesá jejich intenzita. Vlny vyąąích frekvencí se ąíří přímočařeji, proto se lépe směrují a cílí, ale při větąích vzdálenostech se projevuje zakřivení povrchu země. S rostoucí frekvencí se navíc zvětąuje citlivost na atmosférické podmínky, mlhu, smog apod., ale obecně se zvyąuje přenosová rychlost, které lze dosáhnout.
Systematická klasifikace bezdrátových přístupových technologií je obecně dosti obtíľná.

Bezdrátové přenosové cesty můľeme rozdělit podle frekvence elektromagnetického vlnění na:

Podle stupně pohyblivosti přijímače a vysílače dále dělíme přenosy na:

Bezdrátové vysílání je dále moľné rozdělit podle ąířky frekvenčního pásma na:

Daląí moľné dělení způsobů přenosu se týká toho, jak je řeąen přechod přes různé "přestupní uzly" v případě, kdy mezi příjemcem a odesilatelem neexistuje přímé spojení. Klasické bezdrátové přenosy, pouľívané pro potřeby přenosu dat, odpovídají svým způsobem fungování přenosům na principu Circuit switching (přepojování okruhů) - coľ znamená, ľe celá přenosová cesta se chová jako "souvislý kus drátu" s určitou přenosovou kapacitou, skrz kterou je moľné přenáąet data charakteru bitového či bytového proudu (tzv. stream, protoľe přepojováním okruhů vzniká pomyslná roura, a to, co se do ní z jedné strany vkládá, zase z druhé strany vystupuje). Existují vąak i takové bezdrátové přenosy, které jsou uzpůsobeny přenosu vhodně velkých digitálních bloků, které budou opatřeny potřebnými identifikačními údaji (zejména adresou odesilatele a příjemce). Pak není nutné v jednotlivých přestupních uzlech vytvářet "souvislé" přenosové cesty na principu přepojování okruhů, ale je moľné individuálně přepojovat (předávat dál) jednotlivé datové bloky. Jelikoľ se těmto blokům nejčastěji říká pakety (packets), je přísluąná technika označována jako Packet switching (přepojování paketů). Při jejich pouľití je moľné vyuľít sdílených přenosových tras (například i satelitních), a naopak odpadají problémy s přidělováním frekvencí, které jsou nepříjemné hlavně u mobilních bezdrátových komunikací.

Mezi bezdrátové technologie řadíme i technologie satelitní, které vyuľívají k ąíření signálu buď stacionární satelity, nebo soustavu satelitů pohybujících se vůči povrchu Země. Nejefektivnějąí jsou přenosy směrem k uľivateli, které mohou mít vąesměrový charakter (tj. směřovat k více příjemcům současně). Jakmile má být realizován i přenos opačným směrem, musí být pouľita nějaká forma řízení přístupu k přenosovým kanálům, které satelity vytváří. Dobře zavedenou satelitní technologií, určenou primárně pro přenos dat, je technologie VSAT. Novějąím řeąením jsou asymetrická řeąení, jako např. řeąení DirecPC společnosti Hughes, které vyuľívá satelitní spojení pro přenos dat směrem k uľivateli, zatímco pro opačný směr jsou vyuľívány pozemní přenosové trasy, zejména telefonní sí». Toto řeąení vąak jiľ připadá v úvahu spíąe pro "větąí" uľivatele.

Satelitní komunikace - GEO, MEO a LEO satelitní systémy

Jelikoľ by bylo velice nákladné, (a na některých místech dokonce velice obtíľné, aľ nemoľné [moře, póly, pouątě]) globálně pokrýt Zemi kabely nebo základnovými stanicemi, hledala se jiná cesta. Zrodila se idea satelitní komunikace, která spočívala ve vyuľití jiľ umístěných satelitů. Komunikační systém by za pomoci druľic umoľňoval pokrytí celého povrchu Země, aniľ by náklady na montáľ tohoto systému nějak radikálně přesáhly náklady na samotnou technologii.

V principu nejjednoduąąí jsou satelity umístěné na geostacionární dráze (cca 36 000 km nad povrchem Země) - ty označujeme jako GEO (geostationary earth orbit). Výhoda tohoto systému spočívá v tom, ľe satelit oběhne Zemi za stejnou dobu, za jakou se Země otočí - tzn. v podstatě "visí" nad jedním místem planety. Tím odpadají sloľité soustavy vzájemně se křiľujících satelitních drah a přepínacích středisek, které synchronizují přechody satelitů z pásem do pásem. Výhodou i nevýhodou je poměrně veliká plocha Země, kterou tento satelit pokrývá. Je sice potřeba méně satelitů k pokrytí planety, ale na druhou stranu mobilní stanice musí být mnohem vyąąí. Na GEO jsou umístěny například druľice pro přenos televizního signálu. Jedním ze satelitních systémů umístěných na GEO je i VSAT (Very Small Aperture Terminals). Toto řeąení se zatím pouľívá ponejvíce pro datové přenosy (typicky internetové satelitní linky).

Drobný problém představují takzvané van Allenovy pásy - jedná se o shluky částic, které mají relativně vysoký náboj a poąkozují nejenom elektronická zařízení, ale rozruąují i samotnou strukturu materiálu - ľivotnost druľic v těchto dvou van Allenových pásech (vnějąí a vnitřní) by byla minimální a jejich uľitná hodnota zanedbatelná.

Podle umístnění tedy rozeznáváme dvě základní negeostacionární dráhy:

Střední oběľná dráha leľí mezi oběma van Allenovými pásy, nízká oběľná dráha je pak zcela pod nimi. Při takovýchto oběľných drahách je moľné velikost území pokrytého jednou převáděcí buňkou omezit na řádově stovky kilometrů. Výsledkem je pak miniaturizace mobilních stanic, prodlouľení výdrľe pro provoz na baterie, vyąąí nutný počet satelitů, vyąąí náklady, ovąem také větąí kapacita sítě a vyąąí kvalita i rychlost.

Nejvýznamnějąím komerčním systémem pro civilní telekomunikační vyuľití určené pro MEO - střední oběľnou dráhu - patří Inmarsat.
Druľice Inmarsat jsou dnes pouľívány pro komunikaci s letadly i loděmi. Realizace Inmarsatu se datuje jiľ někdy od roku 1984 - tehdy to ovąem byly těľkopádné systémy, které byly mobilní jen za předpokladu vyąąí nosnosti dopravního prostředku. Za tu dobu se ovąem na střední oběľnou dráhu, kde Inmarsat sídlí, dostalo několik generací druľic Inmarsat, takľe poľadavky na rozměry i napájení značně poklesly. Provozovatelem Inmarsatu je holandské konsorcium Station 12.
Příkladem systému určeného pro nízkou oběľnou dráhu LEO je Iridium.

Bezdrátové telekomunikační systémy - GSM, EDGE, UMTS, TETRA....

Historie bezdrátových telekomunikačních systémů je popsána v jiné kapitole, proto jsou zde zmíněny jen v kostce důleľité pojmy.

GSM -- Global System for Mobile Communication. Nejroząířenějąí digitální buňkový komunikační bezdrátový standard na principu FDMA/TDMA. Kapacita systému je 8 nebo 16 uľivatelů na kanál,kaľdý z účastníků má pro sebe vyhrazen timeslot o délce přibliľně 0,577 ms (15/26ms), rozestup nosných vln 200 kHz, pásmo pro příjem 890 -- 915 MHz, pásmo pro vysílání 935 -- 960 MHz. V září 1987 13 operátorů a poskytovatelů z tzv. poradní skupiny GSM podepisují listinu GSM (Groupe Spéciale Mobile). Původní francouzský název je později změněn na Global System for Mobile Communication, který zůstal dodnes a označuje mobilní buňkový systém pracující v pásmech 450, 900, 1800 a 1900 MHz. GSM představuje tzv. 2. generaci orientující se předevąím na hlasové sluľby.

Generace 2,5 je chápána jako most mezi sítěmi druhé generace, které se orientují převáľně na hlasové sluľby, a sítěmi třetí generace, které se naopak orientují předevąím na sluľby datové. Nejde tedy o ľádné nové systémy, ale o modifikované stávající techniky a technická zdokonalení, která se implementují do stávajících sítí. Uľivatelům je tak nabídnut vysokorychlostní přenos dat. Generace 2,5 zahrnuje tyto technologie, systémy a sluľby:

Daląí systémy a sítě patří jiľ do třetí generace, ve které je kladen důraz na vysokorychlostní přenos dat, a jsou proto vyvíjeny s ohledem na toto vyuľití. V Evropě se tyto sítě nazývají UMTS (Universal Mobile Telephone Standard). Daląí generace mobilní sítě s globálním dosahem. Počítá se s moľností plynulého přechodu stávajících GSM sítí a CDMA sítí k UMTS. Přenosová rychlost pro data zatím dosahuje 2 Mbps, pouľívá se TDMA a W-CDMA technologie, v USA jde o systém CDMA 2000. Přenos je opět digitální, ale je navrľen pro mnohem větąí kapacitu.

Daląí systém mobilní radiokomunikace se nazývá TETRA - TErrestrial Trunked RAdio, který je cíleně zaměřený na záchranné systémy (policie, hasiči,....)

Bezdrátové LAN - WiFi, IEEE 802.11

Bezdrátové sítě jsou hitem v mobilní komunikaci hlasové i datové. Provedením mohou být nejen rádiové, ale také optické či infračervené. Rádiové vysílání je ovąem náchylné na ruąení, a to vąemi prostředky, které mohou na přísluąných kmitočtech pracovat. Optické bezdrátové sítě či sítě zaloľené na infračerveném záření zase nesnesou překáľky mezi vysílačem a anténou přijímače. Dosah související s kvalitou přenosu pak omezuje jejich velikost i počet systémů, které se v rámci daného prostoru mohou nacházet, aby nedocházelo k neľádoucímu ruąení. Jedním z nejobtíľnějąích problémů při rádiovém vysílání je zajiątění bezpečnosti bezdrátové komunikace a směrování mezi různými sítěmi, ale to je záleľitostí vyąąích vrstev. Bezdrátové lokální sítě (Wireless Local Area Network, WLAN) specifikují normy IEEE 802, které definují nejniľąí dvě vrstvy. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) se specifikací bezdrátových LAN zabývá teprve od roku 1990. Jedná se o následující podvýbory:

Dnes existuje několik typů 802.11 WLAN. Vąechny sdílejí stejný protokol přístupu k médiu (Media Access Protocol, MAC) a liąí se pouze řeąením fyzické vrstvy. Jako protokol MAC se vyuľívá metoda Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA). Princip přístupu je podobný jako u Ethernetu s CSMA/CD, kdy stanice musí naslouchat, zda je přenosové médium volné. Protoľe pro bezdrátové vysílače neexistuje ľádná moľnost detekovat kolize vzniklé ve vzduchu "kříľícími" se vlnami, vyuľívá se pro jejich detekci systém potvrzování. Kromě samotného přenosu dat je protokol MAC zodpovědný také za mechanizmus počátečního spojení (association) a opětovného spojení (reassociation) koncové stanice s přístupovým bodem, podobně jako za management napájení z baterie a volitelně za autentizaci.

Bezdrátová lokální sí» (buňka) můľe pracovat ve dvou konfiguracích (Basic Service Set, BSS). V nezávislé konfiguraci (ad hoc) mezi sebou stanice komunikují přímo a není třeba instalovat ľádnou podpůrnou infrastrukturu. Taková konfigurace je mimořádně vhodná pro náhodná uspořádání (trvající podle potřeby hodiny, ale i měsíce), avąak nehodí se pro rozsáhlá řeąení.

Konfigurace infrastruktury, s distribučním systémem, předpokládá existenci přístupového bodu (Access Point, AP), který funguje jako základnová rádiová stanice a současně datový most. Přístupový bod je centrem kaľdé WLAN a je nepohyblivý. Tato konfigurace předpokládá propojení s distribučním systémem, tedy klasickou LAN (nejčastěji Ethernet). Kaľdá koncová stanice (klient) si najde "svůj" přístupový bod (na základě pravidelně vysílaného signálu od AP) a komunikuje pouze s ním. Klienti WLAN pouľívají sí»ový adaptér, který obsahuje vysílač, přijímač, anténu a hardware (802.11 PC karta, PCI, ISA NIC apod.).

První bezdrátové lokální sítě IEEE 802.11 (1997) mohou být fyzicky řeąeny jedním ze tří způsobů:

Volné kmitočtové pásmo 2,4 GHz vyuľívají zařízení jako bezdrátové telefony, mikrovlnné trouby i Bluetooth (průmyslová specifikace bezdrátové osobní sítě), takľe můľe docházet ke vzájemnému ruąení.

Největąím problémem původní normy pro WLAN (802.11) byla nízká přenosová rychlost. "Rychlé roząíření" (High Rate, HR) základní normy IEEE 802.11b (1999), přezdívané také Wi-Fi (Wireless Fidelity), poskytuje vyąąí rychlosti v pásmu 2,4 GHz, a to aľ 11 Mbit/s. Pro jejich dosaľení vyuľívá nový způsob kódování, tzv. doplňkové kódové klíčování (Complementary Code Keying, CCK) v rámci DSSS na fyzické vrstvě.

Norma specifikuje, ľe podle momentální ruąivosti prostředí se dynamicky mění rychlost na niľąí nebo naopak na vyąąí: 11 Mbit/s, 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s aľ 1 Mbit/s. Maximální rychlost na fyzické vrstvě je sice 11 Mbit/s, ale uľitná rychlost je niľąí, protoľe 30-40 procent teoretické kapacity tvoří reľie. Testovaná uľivatelská rychlost se udává kolem 6 Mbit/s.

Dosah sítě je kolem 100 m, ale výkonnějąí vysílač můľe tuto vzdálenost přesáhnout. 802.11b není dobře uzpůsobena k přenosu hlasu, proto se rychle pracovalo na "nápravě".

Produkty pro 802.11b jsou jiľ ve velkém výběru k dispozici a také testovány WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) na vzájemnou spolupráci.

Bezdrátové lokální sítě (WLAN) podle 802.11b (WiFi) se rychle ujímají vlády nad místní komunikací, a» firemní nebo domácí. Aby vąak skutečně mohly zvítězit na plné čáře, několik "drobností" jim chybí. Předevąím jde o přenosovou rychlost, která se pohybuje u 802.11b v řádu jednotek Mb/s. Kromě tohoto problému u nich mohou nastat potíľe s ruąením s jinými zařízeními v otevřeném pásmu 2,4 GHz. V neposlední řadě 802.11b nezajią»uje kvalitu sluľeb (QoS) a dostatečnou bezpečnost komunikace. Z těchto důvodů se IEEE zabývá řadou doplňků k IEEE 802.11 (802.11d, e, f, h, i, j) a daląích variant WLAN, jako 802.11a a 802.11g.

Bluetooth - Radiová technologie o nízkém vysílacím výkonu (1mW) vyvinutá za cílem nahrazení pevného propojení elektronických zařízení (PC, tiskárny, mobilní telefony, PDA atd.). Bluetooth pracuje v pásmu ISM (Industrial, Scientific, Medical) 2,4 GHz. Datová rychlost 720 Kbit/s do vzdálenosti 10 metrů, je pouľita technika "frekvenčního skákání", s klesající vzdáleností mezi přijímačem a vysílačem je sniľován vysílací výkon, regulace napájení v závislosti na zatíľení provozu. Netřeba přímé viditelnosti mezi vysílačem a přijímačem.

©írenie informácií elektromagnetickým signálom

Elektromagnetický signál slúľi ako prostriedok na prenos informácie. Je moľné naň nazera» z dvoch hµadísk. Prvým je vyjadrenie elektromagnetického signálu funkciou času a druhým hµadiskom je ponímanie signálu ako funkciu frekvencie.

Elektromagnetický signál ako funkcia času

Elektromagnetický signál zobrazený ako funkcia času môľe by» buď analógový alebo digitálny. Analógový signál je taký, ktorého intenzita sa plynulo mení v čase. Inak povedané, jeho priebeh je hladký bez zlomov a nespojitostí. Digitálny signál je ten, ktorého intenzita sa udrľuje na konątantnej úrovni po dobu určitej časovej periódy, potom sa skokovo mení na ďaląiu konątantnú úroveň. Dokonalejąia definícia by bola, ľe prechod z jednej konątantnej úrovne na druhú nieje okamľitý, ale sa uskutočňuje v krátkom časovom intervale, tzv. prechodovej perióde. Napriek tomu sa vyuľívaný digitálny signál takmer blíľi k ideálnemu modelu s konątantnou úrovňou napätia a skokovými prechodmi.

Obrázok 1 znázorňuje príklad oboch typov signálu. Analógový signál by mohol reprezentova» rozhovor a digitálny signál reprezentuje sled binárnych jednotiek a núl. Najjednoduchąím typom signálu je periodický signál (harmonický signál). V periodickom signále sa v čase opakuje tá istá vzorka signálu.

Obr. 2 ukazuje príklad analógového periodického signálu - sínusovú vlnu (sínusoidu) a digitálny periodický signál - obdĺľnikovú vlnu. Matematicky je signál s(t) definovaný ako periodický, iba ak platí:

kde konątanta T je perióda signálu. V inom prípade, ak sa vzorka signálu v čase neopakuje, je signál aperiodický. Sínusoida je základom analógového signálu. Zvyčajne je sínusoida vyjadrená troma parametrami:

©pička amplitúdy (peak amplitude) je maximálna hodnota, resp. sila signálu v čase. Typicky je táto hodnota meraná vo voltoch (V). Frekvencia je rýchlos» [v cykloch za sekundu alebo Hertzoch (Hz)], akou sa vzorka signálu opakuje. Ekvivalentným parametrom k frekvencii je perióda signálu ( T ), čo je časový interval, po ktorom sa vzorka signálu opakuje; T = 1 / f . Fáza je miera relatívnej časovej pozície v rámci jednej periódy (ilustrované na obr. 3d).

Obr. 3 ukazuje účinok zmeny kaľdého z týchto parametrov. V časti (a) obrázok zobrazuje amplitúdu sínusového signálu s frekvenciou 1Hz, teda periódou T = 1 sekunda. Čas» (b) má tú istú frekvenciu a fázu, ale ąpička amplitúdy je 0.5. V časti (c) je f = 2, čo je ekvivalentom ku T = ½. A nakoniec čas» (d) ukazuje účinok fázového posunu o π/4 radiánu, čo je 45 stupňov (2 π = 360º = 1perióda).

Na obr. 3 je vodorovnou osou čas. V takomto prípade graf zobrazuje, ako sa mení hodnota signálu v jednom bode v priestore ako funkciu času. Ak vytvoríme graf, v ktorom vodorovná os modeluje priestor, tento bude zobrazova», ako sa mení hodnota funkcie v jednom okamľiku ako funkcia vzdialenosti. Inak povedané, v danom okamľiku sa intenzita signálu mení ako funkcia vzdialenosti miesta od zdroja signálu.

Po objasnení modelu grafu, v ktorom vodorovná os reprezentuje priestor, je moľné zadefinova» ďaląí parameter - vlnovú dĺľku. Vlnová dĺľka ( λ ) signálu je vzdialenos» pokrytá jedným cyklom signálu alebo inak povedané vzdialenos» medzi 2ma bodmi 2och nasledujúcich cyklov, ktoré sa nachádzajú v rovnakej fáze. Príloha 1 zobrazuje signál s frekvenciou 300MHz, kde λ=1meter. Existuje jednoduchý vz»ah medzi vlnovou dĺľkou a periódou. Ak predpokladáme, ľe sa signál ąíri rýchlos»ou v, potom vlnová dĺľka súvisí s periódou nasledovne: λ = vT a obdobne λf = v. Ak hovoríme o rýchlosti ąírenia elektromagnetického signálu, uvaľujeme vlastne o rýchlosti ąírenia svetla, keďľe svetlo je tieľ elektromagnetickým vlnením. Teda v = c, kde c @ 3x10⁸ m/s (rýchlos» svetla vo vákuu).

Elektromagnetický signál ako funkcia frekvencie

Elektromagnetický signál môľe by» vytvorený zo zloľiek o viacerých frekvenciách.

zobrazený na obr. 4c je poskladaný zo zloľiek o frekvenciách f a 3f obr. 4 a) a b). Na obrázku je moľné vąimnú» si dva zaujímavé fakty:

Matematická disciplína známa ako Fourierova analýza umoľňuje rekonątrukciu resp. skladanie signálu. Takýto signál bude vytvorený zo zloľiek signálu o rôznych frekvenciách, v ktorých kaľdá zloľka bude sínusoida. Spojením dostatočného mnoľstva periodických analógových signálov - sínusoíd do jedného celku (kaľdý s vhodnou amplitúdou, frekvenciou a fázou) môľe by» skonątruovaný akýkoµvek elektromagnetický signál.

Spektrum signálu je rozsah frekvencií, ktoré obsahuje. Pre signál z obr. 4c je spektrum rozloľené od f do 3f. Absolútna ąírka pásma signálu je ąírka spektra. V prípade obr. 4c je absolútna ąírka pásma 3f - f = 2f. Mnohé signály majú neohraničenú ąírku pásma, ale najväčąie mnoľstvo energie majú sústredené v relatívne úzkom páse frekvencií. Toto pásmo sa uvádza ako efektívna ąírka pásma alebo iba ąírka pásma (bandwidth).

Vz»ah medzi ąírkou pásma a rýchlos»ou prenosu dát

Na vyjadrenie vz»ahu medzi rýchlos»ou prenosu a ąírkou pásma môľu by» pouľité obrázky 4c a 5a. Budeme predpoklada», ľe pouľívame systém digitálneho prenosu dát v spektre od 1MHz do 5MHz, teda so ąírkou pásma 4MHz. Systém bude prenáąa» sekvenciu striedavých 0 a 1 ako obdĺľnikovú vlnu z obrázku 5c. Aká rýchlos» prenosu dát môľe by» dosiahnutá? Pozrieme sa na nasledujúce prípady:

Zistenie:
Prípad 2 v porovnaní s prípadom 1, má väčąiu ąírku pásma a dosahuje vyąąiu prenosovú rýchlos». Ak ďalej porovnáme prípad 2 s prípadom 3, zistíme, ľe rovnakú rýchlos» prenosu moľno dosiahnu» na rôznej ąírke pásma.

Z týchto porovnaní je moľné urobi» nasledujúci záver: ©írka pásma môľe podporova» rôzne rýchlosti prenosu dát, závislé na schopnosti prijímača z daného signálu rozpozna» rozdiely medzi 0 a 1, a to aj za prítomnosti ąumu a iných poąkodení signálu. Vyąąie frekvencie podporujú väčąiu ąírku pásma, na ktorej moľno dosahova» väčąie prenosové rýchlosti.

Prenos dát

Pre výklad prenosu dát je nutné zadefinova» niektoré základné pojmy z prenosu dát ako dáta, signál, prenos, digitálne a analógové dáta, digitálny a analógový signál.

Základné pojmy z prenosu dát

Dáta môľu by» stručne definované ako entity, ktoré prenáąajú význam informácie. Signál je elektrická alebo elektromagnetická reprezentácia dát. Pod reprezentáciou moľno rozumie» zobrazenie, resp. zakódovanie dát do signálových prvkov. Prenos je sprostredkovanie dát ąírením a spracovaním signálu. Termíny analógový a digitálny zhruba koreąpondujú s výrazmi súvislý ( kontinuálny ) a preruąovaný ( nespojitý ). Tieto dva termíny sú často pouľívané v kontexte s predoąlými troma pojmami (dáta, signál, prenos).

Koncept analógových a digitálnych dát je celkom jednoduchý. Analógové dáta v nejakom intervale na seba priberajú súvislé (spojité) hodnoty. Takéto dáta sú zväčąa poriadené senzormi merajúcimi hodnoty ako tlak alebo teplota. Príkladom môľe by» zvuk a video, čo sú súvislé variujúce vzorky intenzity. Digitálne dáta nesú v sebe nespojité hodnoty napr. text alebo čísla.

V komunikačných systémoch sú dáta ąírené z jedného bodu do iného bodu resp. iných bodov pomocou elektromagnetických signálov. Analógový signál je spojitá kolísajúca elektromagnetická vlna, ktorá môľe by» ąírená rôznymi médiami v závislosti na frekvencii. Patria tu: medené médiá ako krútená dvojlinka a koaxiálny kábel; káble z optických vlákien; atmosféra alebo kozmický priestor. Digitálny signál je postupnos» napä»ových pulzov, ktoré je moľné prenáąa» médiom.

Spracovanie digitálneho signálu je vo vąeobecnosti lacnejąie, ako spracovanie analógového signálu. Ďaląou výhodou digitálneho signálu je jeho väčąia odolnos» voči interferencii ąumu. Nevýhodou v porovnaní s analógovým signálom je rýchlejąie oslabovanie digitálneho signálu. Na obr. 6a je zobrazená zdrojom generovaná postupnos» dvojúrovňových napä»ových pulzov. Obr. 6b zobrazuje tento signál po tom, ako bol prenesený médiom na nejakú vzdialenos». Signál sa po prenose oslabil a "zaokrúhlil". Takéto oslabenie môľe pomerne rýchlo vies» k strate informácie obsiahnutej v ąírenom signále.

Digitálne dáta môľu by» tieľ reprezentované analógovým signálom pouľitím modemu (modulátor - demodulátor). Modem prevádza série binárnych napä»ových pulzov na analógový signál modulovaný do určitého spektra. Tento signál môľe by» potom prenáąaný vhodným médiom. Najbeľnejąie modemy modulujú digitálne dáta do hlasového spektra a umoľňujú tak prenáąa» digitálne dáta beľnou telefónnou linkou. Na druhom konci linky modem signál demoduluje na digitálne dáta.

Funkčne podobné prevádzke modemu, môľu by» analógové dáta zakódované do digitálneho signálu. Zariadenie, ktoré kóduje hlasové dáta na digitálny signál, sa volá Codec (kóder - dekóder). V podstate Codec vzorkuje signál hlasových dát a pretvára ich na bitový tok. Na opačnom konci sú digitálne dáta codecom dekódované na pôvodné analógové dáta. Nakoniec môľu by» digitálne dáta priamo reprezentované v binárnej forme dvojúrovňovými napä»ovými signálmi.

Kaľdá zo ątyroch kombinácií má určité výhody, prečo je vhodná na konkrétny typ komunikačných úloh. Dôvody sú nasledovné:

Analógové aj digitálne dáta môľu by» prenáąané vhodným prenosovým médiom, pričom komunikačný systém zabezpečuje funkciu spracovania dát. Analógový prenos je spôsob prenosu analógovým signálom bez ohµadu na jeho obsah, teda signál môľe reprezentova» analógové aj digitálne dáta. Analógový prenos môľe by» bez ďaląích zariadení ąírený na väčąie vzdialenosti ako digitálny prenos, keďľe analógový signál nieje natoµko oslabovaný útlmom ako signál digitálny. Pre dosiahnutie väčąích vzdialeností prenosu sa pouľívajú zosilňovače. Tieto zosilňujú aj ąumovú zloľku signálu, a preto sa mnoľstvom pouľitých zosilňovačov adekvátne zvyąuje skreslenie signálu. Pri analógových hlasových dátach môľe by» malé skreslenie tolerované a dáta budú zrozumiteµné. Avąak pre digitálne dáta, ktoré preąli modemom a sú prenáąané analógovo, môľe takéto skreslenie zanáąa» chyby.

Digitálny prenos je na rozdiel od analógového závislý na obsahu signálu. Aj keď je digitálny signál prenáąaný na veµké vzdialenosti vo väčąej miere oslabovaný útlmom, je moľné útlm prekona» pomocou opakovačov (repeaters). Repeater prijíma signál, obnovuje vzorky núl i jednotiek a preposiela nový signál. S vhodne umiestneným opakovačmi je moľné prenáąa» dáta na veµké vzdialenosti bez kumulovania chýb, ktoré by ohrozovali integritu prenáąaných dát.

Opakovače je moľné pouľi» aj pre analógový prenos, ktorý nesie digitálne dáta. Tieto sú rovnako obnovované a preposielané ďalej novým čistým analógovým signálom.

Vplyvy ruąenia signálu a kapacita kanálu

Výkon komunikačných systémov je ovplyvňovaný niektorými limitujúcimi faktormi, ktoré nepriaznivo pôsobia na prenos signálu. Signál môľe by» skreslený alebo poąkodený rôznymi príčinami. Jednou z príčin je útlm (attenuation). Útlm je pokles intenzity signálu, ktorá klesá so vzdialenos»ou cez ktorú bol signál prenesený médiom. Pri pevných médiách sa útlm vyjadruje konątantou, ktorá determinuje úbytok decibelov signálu na jednotku vzdialenosti, pričom decibel je logaritmitcká miera charakterizujúca pomer prijímanej a vysielanej energie. V éterových médiách je stanovenie útlmu komplexnejąou funkciou vzdialenosti a zloľenia atmosféry. Navyąe útlm je väčąí na vyąąích frekvenciách. Tento faktor je známy ako útlmové skreslenie.

©um

©um (noice) je neľiadúci signál, ktorý modifikuje pôvodný vysielaný signál a ktorý je zanáąaný niekde medzi vysielaním a jeho príjmom. ©um môľe by» rozdelený do ątyroch kategórií:

Termálny ąum (thermal noise) je prítomný vo vąetkých elektronických zariadeniach a prenosových médiách. Je spôsobený dôsledkom tepelnej agitácie elektrónov a je teda funkciou teploty. Termálny ąum je lineárne rozloľený naprieč celým frekvenčným spektrom a preto sa často uvádza ako biely ąum. Pretoľe termálny ąum nemôľe by» odstránený, stanovuje hornú hranicu výkonnosti komunikačného systému. Kvôli slabej intenzite prijímaného signálu je zvláą» podstatný v satelitnej komunikácii.

Intermodulačný ąum môľe by» výsledkom zdieµania prenosového média a nelinearít v zariadeniach, ktoré sú súčas»ou prenosového systému. Ak signály rôznych frekvencií zdieµajú to isté prenosové médium, je moľné, ľe intermodulačný ąum vytvorí ruąivé signály na frekvenciách, ktoré sú sumou alebo rozdielom dvoch originálnych frekvencií, prípadne násobkami týchto frekvencií. Napríklad mieąanie signálov na frekvenciách f1 a f2 by mohlo produkova» energiu na frekvencii f1 + f2 . Tento odvodený signál by mohol ruąi» prenos vyuľívajúci frekvenciu f1 + f2. Intermodulačný ąum sa tvorí v nelineárnych zariadeniach ako prijímač, vysielač a iné, ktoré zasahujú do prenosu. Nelinearita v týchto zariadeniach môľe by» spôsobená nesprávnou funkčnos»ou súčiastok, pouľitím neúmernej sily signálu alebo iba pouľitým typom zosilňovača.

Presluch (crosstalk) je neľiadúca väzba medzi tokmi signálov. Mohol ju zaľi» kaľdý, kto pri pouľívaní telefónu počul inú konverzáciu. Takáto elektronická väzba sa môľe vyskytnú» medzi dvoma vodičmi v krútených dvojlinkách, zriedka v koaxiálnych káblových spojoch, ktoré prenáąajú násobný signál. Presluch môľe tieľ nasta» ak sú neľiadúce signály zachytené mikrovlnými anténami. K takejto situácii môľe dôjs» aj pri pouľití vysoko-smerových antén, pretoľe mikrovlná energia sa počas prenosu roząiruje. Presluch stojí na rovnakom alebo menąom stupni závaľnosti ako termálny ąum, avąak v miestach s vyąąou penetráciou bezdrôtovej komunikácie, ktorá vyuľíva nelicencované ISM pásma (Industrial, Scientific a Medical radio bands), presluch dominuje.

Na vąetky doteraz spomínané kategórie ąumu je moľné navrhnú» prenosový systém, ktorý sa s nimi dokáľe vysporiada». Je moľné ich v rozumnej miere predpoklada» a majú relatívne konątantnú úroveň. Tieto charakteristiky neplatia pre impulzný ąum. Impulzný ąum je preruąovaný, zloľený z nepravidelných pulzov a ąumových ąpičiek s krátkou dobou trvania a relatívne vysokou amplitúdou. Je generovaný z rôznych príčin vrátane externých elektromagnetických porúch, ako napríklad blesk a defekty v komunikačnom systéme. Impulzným ąumom sú väčąmi ohrozené digitálne dáta oproti analógovým. Vysoký a krátky impulz ąumu o dĺľke trvania 0.01 sekundy by pri rýchlosti prenosu 56kbps zničil 560bitov prenáąaných dát. Pri prenose hlasu by ten istý impulz ąumu vytvoril efekt krátkeho puknutia bez straty zrozumiteµnosti.

Miera ąumu je vyjadrovaná pomerom sily vysielaného signálu a sily signálu ąumu (Signal to Noise Ratio) SNR alebo S/N. Typicky je SNR meraný prijímačom, ktorý sa nachádza v danom komunikačnom bode a je vyrobený na spracovanie a odstraňovanie nechceného ąumu. Pre uµahčenie je tento pomer často uvádzaný v decibeloch. Pre bezrozmerné veličiny býva veličina uvádzaná ako SNR alebo S/N a veličina v decibeloch je uvádzaná ako SNR_db a S/N_db. Vyjadrenie SNR_db je nasledovné:

SNRdb vyjadruje hodnotu v decibeloch, ktorou určený signál prekračuje úroveň ąumu. Výąka SNR znamená výąku kvality signálu a určuje počet opakovačov nutných k prenosu na väčąie vzdialenosti. Pomer signálu k ąumu je dôleľitý v prenose digitálnych dát, pretoľe nastavuje hornú hranicu dosiahnuteµnej rýchlosti dát.

kapacita kanálu

Maximálna rýchlos», ktorou môľu by» dáta prenesené cez danú komunikačnú cestu alebo kanál za daných podmienok sa uvádza ako kapacita kanálu (channell capacity).

Kapacitu kanálu ovplyvňuje ąírka pásma (bandwidth) prenáąaného signálu, ktorá je obmedzená vysielačom a vlastnos»ami prijímaného signálu. Je vyjadrená v cykloch za sekundu - Hertzoch (Hz). Spravidla platí pre cenu komunikačného zariadenia, ľe čím väčąia je ąírka pásma, tým je vyąąia je aj cena. Navyąe vąetky reálne pouľiteµné prenosové kanály majú limitovanú ąírku pásma. Obmedzenia vyplývajú z fyzických vlastností prenosového média alebo zo zámerných obmedzení vysielacích pásiem na zabránenie ruąenia z rôznych zdrojov.

Ďaląím faktorom ovplyvňujúcim kapacitu kanálu je chybovos». Chybovos» (error rate) je miera, v ktorej sa chyby vyskytujú. Chybou sa myslí príjem 1, ak bola vyslaná 0 a naopak. Chybovos» je priamo ovplyvňovaná ąumom, ktorý je hlavným obmedzením na dosiahnutie vysokej efektivity dátového prenosu.

Nakoniec eąte pred výpočtom kapacity kanálu je nutné pripomenú», ľe táto veličina je vyjadrená v bitoch za sekundu (bps), teda ako rýchlos» prenosu dát (data rate).

Pre výpočet kapacity kanálu budeme najskôr predpoklada», ľe kanál je bez ąumu. V takomto prostredí je obmedzením rýchlosti dát iba ąírka pásma signálu. Nyquistova veta určuje maximálnu rýchlos» prenosu dát C [bps] viacúrovňovým signálom bez ąumu so ąírkou pásma B [Hz].

Vplyv ąumu na kapacitu kanálu

Na obr. 9 je príklad účinku ąumu na digitálny signál. Zobrazený ąum pozostáva zo ąumového "pozadia" a z občasných ąumových ąpičiek. Digitálne dáta sú obnovované vzorkovaním z tvaru krivky prijímaných vĺn jedenkrát za bitovú jednotku - tzv. sampling time. Celý proces účinku ąumu ilustruje obrázok, ktorý je dostatočne intuitívny aj bez vysvetµujúceho textu. Ako môľeme vidie», ąum je občas schopný zmeni» 1 na 0 a 0 na 1.

Pri výpočte kapacity kanálu s existenciou ąumu je nutné akceptova» uľ opísaný pomer signálu ku ąumu SNR. Vetu, ktorá berie do úvahy tento aspekt definoval matematik Claude Shannonn. Shannonov výsledok je maximálna kapacita kanálu v bitoch za sekundu určená rovnicou:

Shanonova rovnica reprezentuje teoretické maximum, ktoré môľe by» dosiahnuté. Ale v praxi sa dosahuje oveµa niľąia rýchlos» prenosu dát. Jedným z dôvodov je ten, ľe rovnica predpokladá termálny ąum. S ďaląími zhorąeniami signálu, ako sú impulzný ąum, útlmové skreslenie alebo skreslenie oneskorením, rovnica nepočíta. Shannonová veta taktieľ nič nehovorí o tom, akým spôsobom kódovania je moľné vypočítanú rýchlos» dosiahnu».

Ďalej je nutné si uvedomi» dva nasledovné fakty. Môľe sa javi», ľe zväčąením sily signálu zvýąime SNR, potlačíme vplyv ąumu na signál a zároveň zvýąime rýchlos» prenosu. Avąak so zvyąujúcou silou signálu sa zvyąuje efekt nelinearít v zariadeniach komunikačného systému, ktorý vedie k zvýąeniu intermodulačného ąumu.

Ďaląím faktom je, ľe pri zväčąovaní ąírky pásma rastie biely ąum obsiahnutý v signále. Teda keď, B sa zvyąuje SNR sa zniľuje

Prenosové médium

V dátových prenosových systémoch je prenosové médium fyzická cesta medzi vysielačom a prijímačom. Prenosové médium môľe by» klasifikované ako médium vodičového typu a éterového typu . V oboch prípadoch prebieha komunikácia vo forme elektromagnetických vĺn. S vodičovým typom sa elektromagnetické vlny ąíria pozdĺľ pevného média. Príkladmi sú medená krútená dvojlinka, medený koaxiálny kábel, optické vlákno. V médiu éterového typu sa elektromagnetické vlny nevedú pevnou komunikačnou cestou. Takýto typ média býva označovaný ako bezdrôtové médium (wireless). Príkladmi sú atmosféra a kozmický priestor.

Pre vymedzenie charakteru prenosu v bezdrôtovom médiu je významnejąia ąírka pásma signálu vysielaného anténou ako vlastnosti média. Pri vysielaní signálu anténa energiu vyľaruje a pri príjme anténa absorbuje energiu z okolitého média. Kµúčovou vlastnos»ou prenáąaného signálu je smerovos» vysielania. Signál na niľąích frekvenciách je vąesmerový. To znamená, ľe sa pri vysielaní anténou ąíri do vąetkých smerov. Signály vyąąích frekvencií je moľné sústreďova» do smerového lúča. Obr. 10 zobrazuje elektromagnetické spektrum a znázorňuje frekvencie a vlnové dĺľky, na ktorých operujú rôzne pevné aj éterové médiá.

Pojmom rádiové vysielanie nemyslíme vąeobecne frekvenčný rozsah od 3kHz do 300GHz, ale pásmo pokrývajúce VHF a čas» UHF pásma (30MHz - 1GHz). Frekvenčný rozsah rádiového vysielania neumoľňuje presnejąie smerovanie signálu. Signály s nízkou frekvenciou nemôľu by» na rozdiel od vyąąích mikrovlných frekvencií smerované do uľąích lúčov. Antény preto nie sú parabolické ani precízne smerované. Vyuľitie je televízne a rozhlasové vysielanie. Toto pásmo moľno pouľi» aj na niektoré dátové aplikácie, ktoré nevyľadujú veµké prenosové kapacity.

Na prenos sa vyuľívajú frekvencie 2 aľ 40GHz. Väčąinou sú pouľívané parabolické antény s priemerom okolo 3m. Anténa musí by» umiestnená dostatočne vysoko nad prekáľkami, ktoré by bránili priamej viditeµnosti s prijímajúcou anténou. Ich pouľitie je v diaµkových telekomunikačných sluľbách, v oblasti hlasu a TV, ako alternatíva ku koaxiálnym a optickým káblom. Diaµkové mikrovlné spoje vyľadujú menąie mnoľstvo potrebných zosilňovačov ako rovnako dlhý prenos po pevných médiách, avąak anténa musí by» na dohµad. Mikrovlny sú ąírené na veµké vzdialenosti pomocou medziµahlých stoľiarových vysielačov. Diaµkové telefónne spoje vyuľívajú pásma 4 aľ 6 GHz, ktoré sú značne pre»aľené a je snaha o expanziu do pásma 11 GHz.

Ďaląou aplikáciou sú 2bodové dátové spoje medzi budovami na krátke vzdialenosti, často sa vyuľívajú na obchádzku miestnych telefónnych sluľieb. Pre tieto účely sa vyuľíva pásmo 22GHz. Súčasne populárne WLAN siete vyuľívajú spodnú čas» mikrovlného pásma od 2,4 do 2,4385 GHz - nelicencované v ČR a SR (okrem ďaląích).

Komunikačný satelit je v skutočnosti mikrovlný vysielač/prijímač. Frekvenčný rozsah satelitnej komunikácie je od 1GHz aľ 10GHz. Vyuľitie signálu mimo tohoto pásma komplikuje jeho značné ruąenie a útlm. Pod frekvenciou 1GHz je to ąum z prírodných zdrojov vrátane galaktického, solárneho a atmosferického ąumu, ako aj človekom vytvorené interferencie z rôznych elektronických zariadení. Nad hranicou 10GHz je signál váľne oslabený atmosferickou absorpciou a daľďovými zráľkami.

Satelit pre svoju nepretrľitú prevádzku delí komunikačné pásmo na dve časti. Prvú vyuľíva na prenos smerom od pozemnej stanice k satelitu - uplink a druhú opačne, na prenos zo satelitu smerom na Zem - downlink.

Väčąina satelitov, ktoré dnes prevádzkujú point-to-point sluľby operujú vo frekvenčných pásmach 5,925 GHz aľ 6,425 GHz pre uplink a 3,7 aľ 4,2GHz pre downlink. Táto kombinácia je uvádzaná ako 4/6GHz pásmo. Pretoľe je pásmo 4/6 značne nasýtené, bolo vyvinuté 12/14 pásmo (uplink 14-14,5GHz a downlink 11.7-14.2GHz) a plánované je pásmo 19/29 (uplink 27.5-31,0GHz a downlink 17,7-21.2GHz). Tieto pásma sú mimo ideálneho frekvenčného rozsahu satelitnej komunikácie (1-10GHz), a preto sa musia vysporiada» so silným útlmom signálu. Výhodou komunikácie na týchto vysokých frekvenciách je, ľe pre implementáciu kanálu sa pouľíva väčąia ąírka pásma.

Satelitné vysielanie je "vrodene" vąesmerové. Vąesmerovos», a to, ľe jeden satelit dokáľe pokry» signálom veµké oblasti, predurčujú jeho najefektívnejąie pouľitie na distribúciu dát z jedného alebo niekoµkých bodov ku mnohým uľívateµom. Podstatnou aplikáciou je teda distribúcia televíznych kanálov. Ďalej je satelitný prenos vyuľívaný point-to-point telekomunikačnými linkami medzi telefónnymi ústredňami a tvorí hlavné medzinárodné linky pre mnoľstvo diaµkových spojení. V neposlednej rade prevádzkovatelia satelitov môľu celkovú kapacitu satelitného prenosu deli» do kanálov, a tie potom prenajíma» ako privátne siete pre biznis klientelu.

Prenos infračerveným svetlom je moľný len na krátke vzdialenosti, a je nutná priama viditeµnos» na vysielač alebo na objekt ktorý toto svetlo odráľa (napr. stena izby). Výhodou je neexistencia alokovania frekvencií a ani nutnos» licencií. Ďaląou výhodou je bezpečnos», keďľe infračervené svetlo neprechádza stenami.

[pozn.: Informácie o pridelení a vyuľívaní frekvencií pre jednotlivé ątáty sú obsiahnuté v informačnom systéme frekvencií - EFIS, ktorý prevádzkuje Európsky rádiotelekomunikačný úrad - ERO.]

Multiplexovanie

Vo svete počítačových sietí, rovnako ako vo svete telekomunikácií, sa často vyskytujú prípady, ľe kapacita prenosového média prekračuje poľadovanú kapacitu pre prenos jedného signálu. Prevádzka tohoto prenosu je neefektívna. Navyąe niekedy je potrebné vyuľi» jednu a tú istú prenosovú cestu pre viac prenosov súčasne. Rieąením je tzv. multiplexovanie.

Multiplexovanie (multiplexing) je technika, ktorá umoľňuje lepąie vyuľitie prenosového média tým, ľe rozdeµuje prenosový kanál na niekoµko logických podkanálov. Tie sa potom javia ako samostatné nezávislé kanály.

Na obr. 11 je zjednoduąene zobrazená funkcia multiplexovania. Spoj prenáąa n kanálov, ktoré vstupujú do multiplexora. Multiplexor jednotlivé kanály zlučuje do jedného vysoko-kapacitného spoja. Demultiplexor na druhej strane linky oddeµuje dáta do n prísluąných kanálov. Príkladom z praxe môľe by» prepojenie dvoch telefónnych ústrední. Ku kaľdej ústredni sú miestni účastníci pripojení samostatnou linkou, avąak ústredne medzi sebou sú prepojené len jednou vysokokapacitnou linkou. Pri vysokom počte účastníkov by bolo technicky obtiaľne a neekonomické vies» medzi ústredňami veµké mnoľstvo samostatných liniek. V kontexte bezdrôtového prenosu by bolo nevyuľívanie multiplexovania plytvaním frekvenčného spektra. Ak hovoríme o ekonomickom prenose, treba poznamena», ľe cena za prenos dát je tým niľąia, čím rastie jej rýchlos». Navyąe cena vysielača / prijímača prepočítaná na cenu za kb/s tieľ klesá s rastom rýchlosti prenosu dát.

Vyuľíva fakt, ľe pouľiteµná ąírka pásma média prekračuje poľadovanú ąírku pásma daným signálom. Zvyąuje efektívnos» prenosu tým, ľe delí jedno "ąirąie" frekvenčné pásmo na niekoµko "uľąích", ktoré môľu by» pouľívané samostatne a nezávisle od seba. Mnoľstvo signálov môľe by» prenesených súčasne, ak je kaľdý signál modulovaný do rozdielnych nosných frekvencií a tie sú dostatočne oddelené tak, ľe neprekročia ąírku pásma.

Signál zaberajúci určitú ąírku pásma sústredenú okolo nosnej frekvencie sa uvádza ako kanál. Jednotlivé kanály musia by» oddelené ochrannými pásmami (guard bands), aby nedochádzalo k ich vzájomnému ruąeniu. Obr. 12a zobrazuje prípad, ąiestich zdrojov napojených do multiplexora, ktorý moduluje kaľdý signál do rozdielnych frekvencií f1 aľ f6. Ochranné pásma sú znázornené oranľovými pásmi, ktoré oddeµujú jednotlivé kanály. Frekvenčné multiplexovanie je čisto analógovou technikou, vyuľívanou v analógových aj digitálnych prenosových systémoch.

Príkladom môľe by» telefónny hovor, na ktorý je potrebná ąírka pásma 4KHz (rozsah postačujúci na prenos hlasu 300 aľ 3400Hz + ochranné pásmo). Medzi ústredňami sa pomocou FDM zoskupujú signály v spoločnom médiu do zdruľeného signálu vľdy 12kanálov po 4KHz do pásma 60-108KHz [starąí ątandard ITU-T v.35].

V oblasti bezdrôtovej telekomunikácii sa táto technika multiplexovania vyuľíva v takmer "mŕtvej" 1.generácii mobilných telefónov NMT. Iné príklady vyuľitia FDM sú v televíznom a rozhlasovom vysielaní. Nevýhodou FDM je značná réľia spôsobená ochrannými pásmami, ktorá je dôsledkom relatívne veµkej neefektívnosti vyuľitia frekvenčného pásma. K ďaląiemu plytvaniu pásma dochádza, ak niektorý zo zdrojov neposiela ľiadne dáta. Vtedy zostáva čas» pásma nevyuľitá a nemôľe ju spotrebova» iný zo vstupných zdrojov.

Je vyuľívanie dostupnej kapacity prenosových vedení s faktom, ľe dosiahnuteµná rýchlos» prenosu bitov média prekračuje poľadovanú rýchlos» prenosu digitálneho signálu. Vstupné signály sú technikou TDM delené v čase a prekladané do jednej prenosovej cesty. Prekladanie môľe by» na úrovni bitov, blokov bytov alebo väčąích častí. Jeden cyklus prenosu časových dielov (time slots) sa nazýva rámec (frame). Obrázok 12b zobrazuje funkciu TDM, ktorá kapacitu jednej linky delí na ąes» častí. Ak by mala táto linka kapacitu 57.6kb/s, bola by schopná vybavi» ąes» 9.6kb/s samostatných zdrojov. Kanálom sa podobne ako vo FDM označuje poradie časových dielov, ktoré prislúchajú jednému zdroju. Podµa toho, či sú časové diely fixné a dopredu známe alebo prideµované dynamicky, sa TDM delí na synchrónne TDM a asynchrónne.

Synchrónne TDM je zobrazené na obr. 13. Dáta z troch zdrojov sú najskôr ukladané do vyrovnávacej pamäte a potom sekvenčne snímané do formy digitálneho dátového toku. Aby bol prenos dostatočne rýchly a schopný prenies» dáta zo vąetkých zdrojov bez oneskorení, musí ma» ústredná linka prinajmenąom kapacitu rovnú súčtu kapacity vstupných zdrojov. Prenos je typicky synchrónny. Dáta sú usporiadané do rámcov a obsahujú jeden alebo viac časových dielov z kaľdého zdroja. Slovo viac naznačuje, ľe je moľné zdroje vybavova» rôznou rýchlos»ou dát, ak im vydelíme viac časových dielov za jeden cyklus. Na obrázku 13 má vstup č.3 pridelené dva časové diely, teda jeho prenosová kapacita je dvojnásobná oproti vstupom 1 a 2 (kaľdý s jedným časovým dielom s dvomi bitmi).

Prekladaný digitálny dátový tok nemusí by» prenáąaný len digitálnym signálom. Môľe by» modulovaný do analógového signálu, ktorý na opačnej strane linky demoduluje modem a spätne rozloľí dáta do výstupných liniek (obr. 13), pričom prenos zostáva stále synchrónny.

Výhodou synchrónneho prenosu je, ľe dokáľe garantova» prenosovú rýchlos» pre jednotlivé vstupné zdroje a to vąetko pri takmer nulovej réľii. Avąak táto výhoda je výhodou len pokiaµ vieme vstupné zdroje rovnomerne za»aľi». Ak nie, dochádza k plytvaniu kapacity prenosového média, lebo synchrónny prenos "posiela" dáta aj vtedy, keď nie sú ľiadne vstupné dáta zdrojom zaslané.

Tento fakt odstraňuje asynchrónne TDM, ktoré rovnako vyuľíva techniku prekladania bitov, kým prenosové kapacity sú prideµované dynamicky. Toto je moľné len vtedy, ak sú posielané dáta opatrené hlavičkou s nutnými identifikačnými údajmi. Týmto vzniká istá dodatočná réľia, pretoľe aj hlavičky zaberajú určitú kapacitu linky. O tom, či je táto dodatočná réľia vyváľená účelnejąím vyuľitím celého spoja alebo je prílią veµká, rozhoduje povaha prenosu jednotlivých dielčích kanálov, ktoré zdieµajú spoločnú prenosovú cestu.

Nakoniec treba spomenú», ľe obe metódy TDM aj FDM môľu by» kombinované. Prenosový systém môľe vstupný signál frekvenčne deli» do niekoµkých kanálov a kaľdý z nich môľe by» ďalej rozdelený do časových dielov a skladaný do rámcov pomocou TDM.

MAC - Media Access Control (Riadenie prístupu k médiu)

Táto vrstva obstaráva dve hlavné funkcie. Vyberá fyzické kanály, zostavuje a ukončuje spojenie na týchto kanáloch a ďalej doplňuje informačné bity z vyąąích vrstiev o riadiacej a zabezpečovacej informácii na veµkos» jedného časového intervalu. Nachádza sa v spodnej časti DataLink Layer.

Vo väčąine počítačových sietí pouľívame zdieµané prenosové médium - tzn. ľe zariadenie pripojené do siete musí "súperi»" o prenosové médium (či uľ sa jedná o kábel alebo vzduch v prípade bezdrôtových prenosov) s ostatnými zariadeniami pripojenými do siete. Aby nevznikali kolízie a ruąenia na spoločnom médiu, je nutné prístup nejakým spôsobom koordinova».

Statické prideµovanie

V ktorom je kapacita prenosového spoja pevne rozdelená do častí pridelených jednotlivým účastníkom. Rozdelenie môľe by» buď frekvenčné alebo časové.

Frekvenčný multiplex (FDMA) rozdelí celkovú frekvenčnú ąírku kanála do niekoµkých pásiem pridelených jednotlivým staniciam. Tento spôsob je skôr typický pre prenos rôznych typov informácie (hlas, údaje).

Časový multiplex (TDMA) prideµuje prenosový kanál na istý čas jednej stanici. Jeden úsek musí by» venovaný synchronizačnej správe, nutnej k jednoznačnej identifikácii prísluąných úsekov pre jednotlivé stanice. Časový multiplex sa vyuľíva napr. aj v komunikácii pomocou satelitov. Obidve metódy nedokáľu plne vyuľi» prenosovú kapacitu spoja a vedú k oneskoreniu paketov zúľením ąírky pásma jednotlivého kanála pri FDMA alebo nutnos»ou čaka» na prísluąný časový úsek pre TDMA.

TDMA je zaloľený na jednej riadiacej stanici, ktorá má zodpovednos» za riadenie komunikácie vąetkých uzlov k nej patriacich. Čas je rozdelený do časových úsekov (time slots), ktoré sú obecne rovnako dlhé. Kaľdej stanici je priradený určitý počet slotov, v ktorých je jej dovolené prenáąa» dáta.

TDMA sa pouľíva v oblasti mobilnej telefónie, keďľe v tejto oblasti majú aplikácie predvídateµné (a väčąinou nemenné) poľiadavky na pridelenú ąírku pásma. Naopak v oblasti dátových IP sietí sa prílią nehodia, vzhµadom k pevnej veµkosti paketu a nepruľnosti (prenosy v IP sie»ach sú väčąinou nesymetrické).

Centrálne prideµovanie

Ak existuje v sieti jedna centrálna stanica, táto môľe byt' poverená úlohou prideµova» kapacitu prenosových kanálov tým podriadeným staniciam, ktoré ju skutočne potrebujú. Výhodou je celkové lepąie vyuľitie prenosovej cesty, čas» kapacity je vąak potrebné venova» na prenos poľiadaviek.

Prideµovanie na ľiados» (request) - kaľdá stanica má pre seba vyhradenú malú čas» prenosovej kapacity kanála, v ktorej môľe kedykoµvek ľiada» centrálnu stanicu o pridelenie voµného prenosového kanála. Po potvrdení potom uskutoční prenos údajov, uvoµnenie kanála oznámi opä» centrálnej stanici.

Prideµovanie na výzvu (pooling)- plne riadi centrálna stanica, ktorá sa periodicky spytuje vąetkých podriadených staníc, či nemajú údaje na vyslanie. Ak áno, dopytovaná stanica ich hneď odoąle. Ak nemá údaje pripravené na vysielanie, odpovie iba potvrdzovacím paketom alebo neodpovie vôbec. Jediným obmedzením tejto technológie je, ľe počet komunikačných uzlov nesmie by» prílią vysoký.

Náhodné prideµovanie, resp. náhodný prístup - metódy, ktoré vyuľívajú náhodný prístup, nepotrebujú činnos» ľiadnej centrálnej stanice. Okamih svojho prístupu na kanál určujú vąetky stanice samostatne na základe vlastného odhadu. Nedokáľu síce vylúči» situácie, keď je vysielanie jednej stanice znehodnotené súčasným vysielaním inej stanice, ale snaľia sa počet týchto kolízií minimalizova» a udrľa» čo najväčąiu priepustnos» údajov aj pri veµkom za»aľení kanálov.

Aloha
Vyvinuté v roku 1970 Havajskou univerzitou pre potreby tamojąieho rozhlasu. Keď účastník komunikácie potrebuje vysiela», ihneď vysiela. Pracuje sa s potvrdzovaním, pokým do stanovenej doby nepríde potvrdenie od adresáta, predpokladá sa, ľe sa vyskytla kolízia a prenos sa opakuje. Táto stratégia vedie k neuspokojivým výsledkom v prípade silnejąej prevádzky. Jej zdokonalené verzie sa pouľívajú v dneąných počítačových sie»ach (druľicové siete). Existujú dve verzie: Pure ALOHA a Slotted ALOHA. Prvá pouľíva Continuous Time, druhá Slotted Time. V oboch prípadoch vysielajúci uzol zistí, či bol rámec vyslaný poriadku aľ po jeho prijatí (keďľe sie» je typu broadcast, aj vysielajúci uzol dostane rámec, ktorý on vyslal).

CSMA/CA - princíp detekovania nosnej s predchádzaním kolízii (CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) je princíp vyuľívaný väčąinou v bezdrôtových sie»ach v ISM pásme.

CSMA/CA je odvodený od systému CSMA/CD (Collision Detection - detekcia kolizií), ktorý je základom Ethernetu. Hlavným rozdielom je predchádzanie kolíziám, keďľe na rozdiel od klasického prenosu po kábli, rádiové zariadenie nie je schopné v rovnakom okamihu vysiela» i prijíma» (i v prípade technickej realizovateµnosti, vysielaný signál by svojou intenzitou prekryl prijímaný signál). Preto sa protokol snaľí kolíziám predchádza».

K mechanizmu predchádzania kolízií sa pridáva eąte kladné potvrdzovanie. To znamená, ľe stanica najskôr počúva, a ak je médium voµné, počká eąte určený čas a aľ potom začne vysiela» (listen before talk). Prijímacia stanica skontroluje kontrolný CRC súčet prijatého paketu a odoąle potvrdenie ACK. Prijatie potvrdenia znamená pre odosielajúcu stanicu, ľe nedoąlo ku kolízii. Ak potvrdenie nepríde, stanica opakuje vysielanie.

Vlastné "načúvanie" prebieha pomocou dvoch ąpeciálnych rámcov - RTS a CTS. Stanica, ktorá chce vysiela», vyąle najskôr riadiaci rámec RTS obsahujúci okrem zdroja a cieµa i trvanie nasledujúceho prenosu. Cieµová stanica odpovie riadiacim rámcom CTS, obsahujúcim dobu trvania nasledujúceho prenosu. Stanica počujúca rámce RTS a/alebo CTS si nastaví indikátor virtuálneho načúvania NAV na dobu trvania prenosu oznámenou v rámci. Počas tejto doby bude stanica bra» médium ako pouľívané a obsadené. Tím sa riziko kolízií minimalizuje na dobu vyslania RTS rámca, pretoľe potom uľ ostatné stanice počujú rámec CTS, od ktorého môľu odvodi» obsadenos» prenosového média.

Tento mechanizmus je avąak efektívny iba pre dlhąie rámce, a tak ątandard rovnako umoľňuje prenos bez pouľitia mechanizmu RTS/CTS.

Distribuované prideµovanie

Sú metódy, ktoré pouľívajú distribuované prideµovanie, zaručujú bezkonfliktné prideµovanie zdieµaného kanála jednotlivým staniciam tak, ľe je moľné zaruči» aj maximálnu dobu oneskorenia paketu. Pritom nie je potrebná existencia centrálnej stanice, ktorej výpadok by spôsobil zrútenie celej siete. Algoritmus prideµovania kanála sa vykonáva na vąetkých zúčastnených staniciach súčasne.

História satelitnej komunikácie

O prvý verejne publikovaný koncept komunikačných satelitov sa zaslúľil v októbri roku 1945 vedec a spisovateµ vedecko-fantastickej literatúry Arthur C. Clarke. Tento publikoval v odbornom magazíne Wireless World článok "Extra-Terrestrial Relays" (Mimozemské spojenia). V tomto článku vyuľil svoje vedecké vzdelanie a popísal komunikačný satelitný systém, podobný tomu dneąnému. V tejto dobe boli jeho myąlienky len fantáziou. Clarke bol prvým človekom, ktorý navrhol umiestnenie satelitov na rovníkovej dráhe, 36 tisíc kilometrov vzdialenej od Zemského povrchu. Tieto by slúľili k vytvoreniu globálnej komunikačnej siete. Clarkov článok vyąiel uľ 12 rokov pred vypustením prvej umelej druľice Zeme - Sputnik.

Prvý systém vyuľívajúci umelú druľicu (satelit) na prenos signálov bol ECHO 1 (obr.) a pracoval na princípe odrazu signálu. ECHO 1 vypustila NASA v roku 1960. Bol to balón, ktorý mal povrch z hliníkovej fólie a táto odráľala rádiové signály vysielané zo zemského povrchu.

Testy s Echom boli úspeąné, a preto bol spoločnos»ami Bell Labs, AT&T, NASA, British Post Office a French National PPT zaloľený projekt Telstar, za účelom vytvori» satelit, ktorý by dokázal prenáąa» komunikačné kanály. 11. júla 1962 sa uskutočnil prvý prenos komunikačného signálu prostredníctvom druľice Telstar. Prenos bol experimentom televízneho vysielania medzi Amerikou a Európou a rovnako bol v tento deň uskutočnený aj prvý diaµkový telefónny hovor cez satelit.

Úspech Telstar 1 inąpiroval vedcov a uľ o rok neskôr sa objavil prvý geostacinárny satelit Syncom 2 (Pri Syncom 1 [obr.] zlyhalo spojenie tesne pred tým ako sa dostal na cieµovú obeľnú dráhu. Oba boli vypustené v roku 1963. Syncom 2 s 5 mesačným odstupom od Syncom 1 [14.Feb,1963]). V roku 1965 odątartoval prvý komerčný satelit Early Bird, ktorý spojil USA s Európou a bol schopný prenies» 240 duplexných telefónnych kanálov alebo 1 TV kanál.

V priebehu roka 1976 boli vypustené tri satelity MARISAT 1-3. Slúľili pre námornú komunikáciu medzi loďami a pobreľím, ktorá bola predtým zabezpečovaná z 90% manuálne operovanou telegrafiou. Marisat prevádzkoval prenos hlasu a faxové sluľby.

V roku 1979 bola zaloľená medzinárodná spoločnos» Inmarsat, ktorá mala za úlohu zabezpeči» spojenie pre námorné lode po celom svete. Spoločnos» postupne sprevádzkovala niekoµko komunikačných satelitov a poskytuje svoje sluľby dodnes. Prvý satelitný systém pre mobilnú telefónnu komunikáciu bol INMARSAT-A. Pretoľe Inmarsat bol GEO satelit (GEO satelit je satelit umiestnený v značenej vzdialenosti od Zeme - pribliľne 36 000km), komunikačný prenos vyľadoval značné mnoľstvo energie, veµké antény a komunikácia bola charakteristická veµkým oneskorením. V roku 1988 bol vypustený prvý satelitný systém INMARSAT-C s hlasovou aj dátovou komunikáciou (600 bitov za sekundu). Jeho aplikácie sú v pozemnej doprave (cestný transport, ľeleznice), námorníctve (jachty, rybárske lode, komerčná preprava), v letectve (vrtuµníky, vojenské a súkromné letectvo) a dokonca aj emailovej sluľbe. Prvým digitálnym satelitným komunikačným systémom je Inmarsat - M, vypustený v roku 1993, ktorý umoľňuje rovnako, ako jeho predchodca, prenos hlasu, dát, faxové sluľby - vąetko s max. rýchlos»ou 2400b/s.

V roku 1997 bola zaloľená spoločnos» Iridium, ako konzorcium veµkých firiem (Motorola, Sprint, Kyocera a ďaląie) v oblasti mobilných telekomunikácií. Iridium je prvá spoločnos», ktorá chcela priblíľi» satelitné telefonovanie koncovým zákazníkom. Zámerom spoločnosti Iridium bolo vytvorenie medzinárodnej bezdrôtovej komunikačnej siete mobilných telefónov a pagerov. Pomocou 66 LEO satelitov (LEO satelity sú satelity s relatívne krátkymi vzdialenos»ami od Zeme - 500 aľ 1500km) a bezdrôtovej pozemnej komunikačnej siete je moľné komunikova» z hociktorého miesta na Zemi. Satelitný systém Iridium začal operova» uľ v roku 1998.

História Českej a Slovenskej satelitnej komunikácie sa začala písa» v roku 1974, kedy zahájilo svoju činnos» prvé stredisko druľicových spojov v Československu - Sedlec. Toto stredisko bolo určené k zais»ovaniu TV prenosov a medzinárodného telefónneho spojenia a uviedla ho do prevádzky vtedająia Správa rádiokomunikácií Praha, dneąné České radiokomunikace. V počiatočnom období bolo navrhnuté a vybavené pre prevádzku v systéme Intersputnik. Prevádzka bola vedená cez satelity Molnija. Dnes stredisko s parabolickými anténami o priemere 18m poskytuje sluľby satelitného spojenia aj naďalej a to hlavne s Intelsatom a Eutelsatom.

Satelitné systémy a ich rozdelenie

Základom satelitných systémov je druľica (satelit), nachádzajúca sa v stabilnej orbite Zeme. Satelitný systém je vlastne anténový systém, ktorý sa pohybuje, resp. krúľi nad Zemou a komunikuje s jednou alebo viacerými pozemnými stanicami. Pri komunikačných satelitných systémoch komunikuje satelit minimálne s dvoma alebo viacerými pozemnými stanicami. Pozemná stanica je rovnako anténový systém umiestnený na (alebo takmer na) Zemi. Prenos dát z pozemnej stanice smerom ku druľici je definovaný ako uplink (vzostupné spojenie) a prenos dát z druľice smerom k pozemnej stanici je definovaný ako downlink (zostupné spojenie). Elektronika, ktorá v satelite konvertuje signál z uplink na downlink sa nazýva transpondér. Ak transpondér prijímaný signál iba presúva na uplink frekvenciu, ide o transparentný transpondér, ak vykonáva aj dodatočnú regeneráciu signálu, ide o regeneratívny transpondér.

Klasifikácia satelitných systémov:

Fixné satelitné sluľby
FSS je spojenie medzi pevne umiestnenými pozemskými stanicami. Prenáąané informácie teda nie sú určené pre príjem ąirokou verejnos»ou, ale sú prijímané profesionálnou pozemnou stanicou a ďalej sú distribuované prostredníctvom pozemnej siete. FSS je svojím spôsobom roząírením káblových spojov s podstatne väčąími spojovými moľnos»ami.

Vysielacie satelitné sluľby
BSS je sluľba, ktorá zabezpečuje vysielanie rozhlasu a televízie. Dáta sú distribuované len jednosmerne z vysielacích ątúdií do uľívateµských prijímačov. Táto sluľba realizuje ploąné pokrytie Zemského povrchu signálom s takou výkonovou hustotou, aby bol moľný príjem ąirokou verejnos»ou. Od satelitov pouľívaných v FSS sa líąia vyąąím vysielacím výkonom. Sluľby BSS sú navrhované pre verejný príjem pevných terminálov s veµkými anténami. Ak má ale satelit dostatok energie na vysielanie signálu, ktorý by umoľňoval individuálny príjem malými anténami, tak sa táto sluľba nazýva priama vysielacia sluľba (DBS). S DBS môľu prijíma» signál aj mobilné terminály, ako lode, vlaky, autobusy a ďaląie.

Mobilné satelitné sluľby
Sluľby MSS umoľňujú vytvorenie spojenia medzi pohyblivými stanicami na povrchu Zeme, resp. v hlavnej časti zemskej atmosféry. MSS sa delia na dve kategórie:

Rádiodeterminačné a rádionavigačné sluľby
Rádiodeterminancia je vąeobecnejąia ako navigácia. Rádiodeterminačný systém (RDSS) pozná polohu identifikovaného prijímača/vysielača a môľe ju na poľiadanie poskytnú». Systém je teda obojsmerný a rovnako, ako poskytuje informáciu o polohe samotnej mobilnej stanici, môľe ju poskytnú» aj iným subjektom. Na druhej strane v rádionavigačnom systéme (RNSS) môľe svoju polohu zisti» len mobilná stanica. Rádionavigačný systém je teda len jednosmerný. Jeho výhodou je bezpečnos» "utajenia" pozície.

Medzidruľicové satelitné sluľby
ISS zabezpečuje komunikáciu medzi druľicami (GEO - GEO, GEO - LEO,..). Tu sa vyuľíva laserová komunikácia s vysoko pokrokovými technológiami.

Porovnanie satelitnej a pozemnej bezdrôtovej komunikácie

Existuje niekoµko rozdielov medzi satelitnou komunikáciou a pozemnou bezdrôtovou komunikáciou, ktorá je ovplyvnená návrhom a prevedením. Porovnaním týchto dvoch typov komunikácií môľeme urobi» nasledujúce závery.

Obeľné dráhy

Satelit obieha okolo Zeme, ktorá má podstatne väčąiu hmotnos», po dráhe nazývanej obeľnou dráhou alebo orbitou (obr. 14). Na tvar obeľnej dráhy, resp. na odchýlky od jej ideálneho tvaru majú vplyv prírodné sily. Z týchto vplyvov, ktoré sa označujú ako perturbačné efekty, má najväčąí podiel na odchýlkach gravitačné pole Zeme (ale aj Mesiaca, Slnka a iných planét), nehomogenita magnetického poµa Zeme, atmosféra, ktorá spôsobuje brzdenie druľice v atmosfére, ale aj taký jav, akým je slnečný vietor.

Základné pojmy v satelitnej komunikácii

Dôleľitým pojmom v satelitnej komunikácii je satelitná stopa (footprint, obr. 16, obr. 18) diktujúca oblas» pokrytia signálom. Ďaląím pojmom je elevačný uhol (elevation - pozdvihnutie, obr. 16 - e) , čo je uhol medzi orbitou satelitu a tangentou (dotyčnica so zemským povrchom v bode umiestnenia antény). Maximálne satelitné pokrytie je moľné dosiahnu» na elevačnom uhle 0°. Tento uhol by síce roząíril satelitné pokrytie k optickému horizontu do vąetkých smerov, avąak existujú aspoň 3 dôvody, prečo má by» minimálny elevačný uhol väčąí ako 0°:

Minimálny elevačný uhol je závislý od frekvencie, na ktorej sa komunikuje a je rozdielny pre uplink (podµa FCC 5°) a downlink (5° - 20°).
Ďaląím základným pojmom je inklinácia, čo je uhol medzi orbitou a rovníkom - obr. 15.

Satelity na cirkulárnej orbite - výpočet:

Pre výpočet polomeru umiestnenia satelitu na obeľnej dráhe je moľné pouľi» dva nasledovné vzorce:

Výpočet gravitačnej sily: F_g = m . g ( R / r )²
Výpočet odstredivej sily: G_c = m . r . w²

Ak chceme vypočíta» vzdialenos» GEO satelitu od Zeme (H), môľeme doplni» nasledujúce hodnoty:

R: 6 370 000m; g: 9,81 m/s²; f = ( 1 / T ), kde T = 24h = 86 400s
potom r = 42 221 km; H = r - R = 35 851 km.³

H sa blíľi k skutočnej hodnote vzdialenosti GEO satelitu od Zeme, ktorá je 35 786 km.

³[H nevychádza presne aj preto, ľe výpočet nezohµadňuje reálne parametre. Skutočná perióda obletu Zeme GEO satelitom je 23 hod 56 min 4.1 sek (prechodný rok). Navyąe Zem nemá presný tvar gule, jej priemerný rovníkový rádius je 6378km a priemerný polárny rádius je 6356 km.]

Satelitné systémy - GEO, MEO, LEO, HEO

GEO satelity

Sú satelity na obeľnej dráhe 35 786km nad zemským povrchom, rotujúce na úrovni rovníka (inklinácia 0°) s rovnakou uhlovou rýchlos»ou ako Zem. GEO satelity sa teda nachádzajú stále nad tým istým bodom v rovníku a pohybujú sa zároveň so Zemou. Zo vzdialenosti, v ktorej sa GEO satelity nachádzajú, leľí celý zemský "disk" na úrovni rovníka pod uhlom 17,4°. Obr. 17 zobrazuje geostacionárnu orbitu v pomere vzdialeností a veµkosti Zeme. GEO satelity majú niekoµko výhod:

Ďaląím rysom geostacionárnych satelitov je, ľe pridelenou frekvenciou pokrývajú veµmi veµké územia, čím sa znemoľňuje ich opätovné pouľitie. Pri point-to-mulitpoint aplikáciách, ako je TV vysielanie s potrebou rozsiahleho pokrytia rovnakou kolekciou TV programov, to nemoľno povaľova» za nedostatok, avąak pri point-to-point komunikácii je to plytvaním frekvenčného spektra. Čiastočným rieąením môľe by» vyuľitie vysoko-smerových antén pre kontrolu stopy, teda vysielanie uľąích lúčov signálu. Niektoré z menovaných problémov rieąi pouľitie LEO a MEO satelitov.

pozn. [Vynesenie satelitu na GEO obeľnú dráhu: Mnoľstvo GEO satelitov je vynáąaných na obeľnú dráhu z oblastí, ktoré neleľia nad rovníkom, a preto musí by» rovníková rovina dosiahnutá počas vypúą»acej sekvencie. V Prvej etape je satelit vynesený z atmosféry a je mu daná značná rýchlos». Toto realizuje "obetný" prostriedok - prvý raketový článok (boost stage), ktorý sa po vyhorení odpája od satelitu a zvyąných článkov. Odpojený článok padá k Zemi, pričom je zničený pri prelete atmosférou. Ďaląiu etapu realizuje druhý článok, ktorý vynáąa satelit na nízko-zemskú orbitu vo výąke 150 aľ 300 km. Po odhodení druhého článku zostáva satelit určitú dobu v nízko-zemskej orbite. Vo vhodnom čase je ďaląím článkom (peering stage) satelit katapultovaný do eliptického "presunového" orbitu tak, aby dosiahol geostacionárnu výąku. Ak sa satelit po eliptickej dráhe dostane na potrebnú vzdialenos» od Zeme, odpaµuje motor, ktorý je uľ zvyčajne zabudovaný do tela satelitu a smeruje satelit na cirkulárnu orbitu v rovine rovníka. Ak je satelit na GEO orbite, anténa a solárne panely môľu by» vysunuté (rozloľené) a satelit sa stavia do finálnej fyzickej konfigurácie.
Behom prevádzky musí satelit korigova» svoju výąku a správny smer, k čomu mu dopomáha interný gyroskop a malé pomocné raketové trysky.]

MEO satelity

Sú satelity vo výąkach asi 6000 - 20 000 km nad zemským povrchom s nasledujúcimi charakteristikami:

MEO satelity vyľadujú omnoho menej predávaní (handover⁴), ako LEO satelity. Doba ąírenia signálu na Zem, ako aj energia potrebná pre vysielanie, sú síce väčąie ako pri LEO, avąak stále podstatne menąie ako pri GEO satelitoch. Príklad MEO satelitného systému je ICO. Intermediate Circular Orbit bol zaloľený v roku 1995 a vypustený do roku 2001. ICO satelitná konątelácia pozostáva z 10+2 satelitov, pre prevádzku na 12 rokov. Satelity sú vo výąke 10 390 kilometrov a krúľia v dvoch obeľných dráhach s inklináciou 45° od rovníka. Na kaľdej obeľnej dráhe operuje 5 satelitov, plus jeden náhradník. ICO bol navrhnutý na prenos digitálneho hlasu, dát, pre faxové a odkazové sluľby a je vyuľívaný (námornou) dopravou, ątátnou správou, »aľobnými a ďaląími spoločnos»ami.

⁴[Handover: Termín handover sa pouľíva v terminológií mobilnej komunikácie. Pri prevádzke mobilnej bezdrôtovej komunikácie môľe nasta» prípad, ľe mobilný účastník sa počas komunikácie presunie z oblasti, ktorú pokrýva jeden vysielač, do dosahu iného vysielača. Môľe ís» o satelity, základňové stanice v bunkových sie»ach, kombinované siete, ktoré vyuľívajú pre mobilnú komunikáciu pozemné vysielače a satelity, ako aj iné systémy umoľňujúce mobilitu. Aby komunikácia mohla pokračova», systém poskytujúci mobilnú komunikáciu musí vykona» zmenu a preda» komunikáciu na nový vysielač bez straty aktívneho spojenia. Takéto predanie sa nazýva handover.
V technickej literatúre je moľné nájs» termín handover, rovnako aj termín handoff. Handoff sa nachádza v dokumentoch U.S. celulárnych ątandardov a handover v dokumentoch ITU. Oba znamenajú to isté. (MPEG Videoukáľka - 4,56Mb, handover LEO satelitného systému spoločnosti Skybridge)]

LEO satelity

Sú satelity na obeľných dráhach vo výąke 500 do 1500km s kruhovým alebo mierne elipsovitým tvarom. Majú nasledovné charakteristiky:

pozn. [Vplyv atmosferického »ahu na satelit: V nízkych orbitách sú satelity ovplyvňované atmosferickým »ahom (atmospheric drag), čo je trenie spôsobené kolíziou s atómmi iónov v atmosfére Zeme. Satelity týmto trením strácajú výąku a následne orbitu. Vo výąkach okolo 180 km je efekt trenia taký veµký, ľe nadmerné teplo spôsobí spálenie satelitu. Efekt atmosferického »ahu je závaľný do výąky aspoň 1000 km a nieje zanedbateµný aľ do výąky 3000km. Atmosferický »ah redukuje ľivotnos» satelitu na orbite, tvar jeho orbity a počiatočnú výąku. Typicky malý satelit vo veµmi nízko-zemskom orbite (povedzme okolo 400 km) môľe vydrľa» na orbite iba niekoµko mesiacov a satelit tej istej veµkosti na kruhovom orbite 800 km môľe zotrva» niekoµko desa»ročí, teda omnoho viac ako je jeho očakávaná operačná doba 10-15 rokov]

Praktické nasadenie tohoto systému vyľaduje pouľitie viacnásobných orbít s viacerými satelitmi na kaľdej orbite. Počet satelitov pre rovnakú oblas» pokrytia je väčąí ako pri MEO. LEO systémy sú často navrhované pre satelitnú mobilnú komunikáciu pre jej niektoré výhody. Prijímaný signál je silnejąí ako z GEO a MEO satelitov (pri rovnakej sile vysielania), čo je dôleľité, pretoľe mobilné terminály a osobné terminály potrebujú silnejąie signály pre svoju činnos». Menąie oneskorenie a moľnos» znovu-pouľitia frekvenčného pásma dôsledkom menąích oblastí pokrytia, dovoµuje na pridelenej ąírke pásma spoji» viac účastníkov (nie v jednej stope). Na druhej strane prevádzkovanie rozsiahleho pokrytia 24 hodín denne je potrebné väčąie mnoľstvo satelitov. Na prevádzku LEO satelitov bolo vytvorených mnoľstvo návrhov, ktoré moľno rozdeli» do dvoch kategórií.

Malé LEO: Sú určené pracova» na komunikačných frekvenciách pod 1GHz s nie viac, ako 5MHz ąírkou pásma a podporou rýchlosti prenosu dát do 10kbps. Tieto systémy sú zamerané na pagery, stopovanie a nízko rýchlostnú výmenu správ. Príkladom takéhoto satelitného systému je Orbcomm, ktorý bol prvý malý LEO v prevádzke. Jeho prvé dva satelity boli vypustené v roku 1995. Je navrhnutý pre dvojcestný paging, email a je optimalizovaný pre prenos malého zhluku dát. Vyuľíva sa na riadenie kamiónovej dopravy, ľelezničných vozňov, »aľkej techniky a iných vzdialených mobilných prostriedkov. Systém vyuľíva frekvencie 137-138 MHz a 400 MHz pre downlink na mobilné zariadenia alebo pevné dátové komunikačné zariadenia a frekvencie 148-150 MHz pre vysielanie ku satelitu. Tieto frekvencie, pouľívané LEO satelitnými systémami, boli alokované organizáciou FCC (Federal Communications Commission) pre malé LEO mobilné satelitné sluľby v roku 1993. Satelitné systémy s nízkou orbitou môľu by» tieľ vyuľité na prenos dát z monitorovacích meračov nádrľí, potrubí alebo ropných a plynových zásobných rezervoárov. Orbicom má viac ako 35 satelitov na nízkej obeľnej dráhe Zeme (825 km) s podporou rýchlosti prenosu 2,4kb upload a 4.8 download.

Veµké LEO: Pracujú na frekvenciách nad 1GHz a podporujú rýchlosti aľ do niekoµko málo Mb/s. Tieto systémy inklinujú k rovnakej ponuke sluľieb, ako systémy malého LEO, s pridaním hlasu a lokalizačných sluľieb. Príkladmi takého satelitného systému sú Globalstar a Teledesic.
Globalstar je uľ od roku 1991 súčas»ou konkurenčného prostredia v oblasti satelitnej komunikácie ako, konzorcium významných spoločnosti (napr. France Telecom, Alcatel, Loral a ďaląie). Prevádzku Globalstar realizuje 48 satelitov vo výąke 1413km, ktoré pokrývajú iba niektoré časti Zeme ( od 70° severnej do 70° juľnej zemepisnej ąírky). Ich úlohou je zabezpečenie hlasovej komunikácie.
Ďaląia sie» Teledesic, pouľíva konąteláciu 288 LEO satelitov, ktoré sú vzájomne prepojené a slúľia na poskytovanie prístupu k zvukovým, dátovým alebo video - komunikačným sluľbám. Pomocou týchto satelitov zabezpečuje systém prepínané digitálne spojenia (cez ústredňu) medzi pouľívateµmi rôznych sietí. Teledesic má vąetkých 288 satelitov rozdelených do 12 rovín, kaľdá s 24 satelitmi. Druľice obiehajú okolo Zeme vo výąke 700 km. Kaľdý satelit v konątelácii je uzlom prepínacej siete a je prepojený pomocou medzisatelitných komunikačných liniek s ôsmimi susednými druľicami. Kaľdý jeden satelit je prepojený so 4 satelitmi v rovnakej rovine (2 vpredu a 2 vzadu) a so ątyrmi v oboch susedných rovinách na oboch stranách (vpredu aj vzadu). Toto vzájomné prepojenie formuje viaccestnú sie» a poskytuje robustnú sie»ovú konfiguráciu, ktorá je odolná voči poruchám a miestnym pre»aľeniam. Teledesic pracuje v Ka pásme na frekvenciách 28,6 - 29,1 GHz pre uplink a 18,8 - 19,3 GHz pre downlink.

HEO satelity

Satelitné systémy s vysoko eliptickou orbitou boli spočiatku vyuľívané Rusmi na prevádzku komunikácie so severnými regiónmi, ktoré nepokrývali ich GEO satelitné systémy. HEO systémy majú typicky orbitu s najbliľąím bodom k zemskému povrchu (apogeum) okolo 500km a najvzdialenejąím bodom od Zeme (perigeum) pribliľne 50 000km. Pre prevádzkovanie komunikačných sluľieb v severných zemepisných ąírkach je inklinácia orbity 63.4°. Perióda obletu Zeme je od 8 do 24 hod. V dobre navrhnutom HEO systéme sú satelity umiestnené tak, aby ich apogeum bolo nad oblas»ou záujmu pokrytia. Doba prenosu a strata signálu vo voµnom priestore sú porovnateµné s GEO satelitmi. Kvôli relatívne rýchlemu pohybu musia by» satelity schopné sa vyrovna» s veµkými Dopplerovými posunmi.
Príkladom HEO je napr. ruský satelitný systém Molnija, ktorý bol navrhnutý na pokrytie Sibíru. Tento vyuľíval 3 satelity s 12 hodinovou orbitou, oddelenou okolo Zeme po 120°. Apogeum Molnoy je 39 354km a perigeum 1 000km. Ďaląím príkladom je rovnako ruský systém Tundra, ktorý zamestnáva 2 satelity s 24 hodinovou obeľnou dráhou, oddelenou po 180°.

SSO satelity - Pre zaujímavos» aspoň spomeňme, ľe existuje eąte jeden typ obeľnej dráhy satelitov, a to slnečne-synchrónna orbita (Sun-Synchronous Orbit). SS Orbita je ąpeciálny prípad koordinovaného polárneho LEO orbitu. V takomto orbite sa satelit pohybuje synchronizovane so Slnkom, čo znamená, ľe sa kaľdý deň nachádza nad rovnakou čas»ou Zeme, v tom istom lokálnom čase. Satelit krúľiaci v SS orbite môľe by» výhodne umiestnený tak, aby na jeho solárne kolektory dopadalo slnečné svetlo nepretrľite, a je teda značne nezávislý na zásobách energie z batérií. Vyuľitie týchto satelitov je zväčąa pri rôznych meraniach alebo snímaniach Zemského povrchu v hydrológii, geológii, kartografii, lesníctve a ďaląích, avąak SSO satelitné systémy majú aj humanitné uplatnenie (Cospas-Sarsat network system) pre detekciu a lokalizáciu nehôd (lodné, letecké katastrofy alebo individuálne). Pre prípadné volanie o pomoc moľno vyuľi» "svetlice" - tzv. pozičné záchranné rádio indikátory s manuálnou alebo vodnou aktiváciou.

Konfigurácie, predávanie a smerovanie v satelitných systémoch

Pre satelitné siete sú beľné dva typy konfigurácie pre komunikáciu. Prvou je point-to-point spojenie medzi dvoma vzdialenými anténami a druhou je vysielanie point-to-multipoint, pre komunikáciu medzi jedným pozemným vysielačom a niekoµkými pozemnými prijímačmi.

Ak sa komunikujúce strany nenachádzajú v satelitnej stope (resp. lúčoch) jedného satelitu, komunikácia bude smerovaná medzisatelitnými linkami (ISL, Inter-Satellite Link, obr.) alebo v bránach po Zemi. Smerovanie pozemnými bránami vyuľíva napr. satelitný systém Globalstar a ISL systém Iriduim. Výhodou ISL je značná redukcia počtu brán, skrátenie doby spojenia a prenosu paketov na minimum. V mobilnej satelitnej komunikácii je na spojenie dvoch mobilných účastníkov nutný len jeden uplink a jeden downlink. Problémy sú v zloľitejąom zameraní antén medzi satelitmi. Systém sa stáva zloľitejąím pre pohyb satelitov a vyľaduje si väčąiu spotrebu energie, teda skracuje dobu ľivotnosti.

Ak satelitný systém prevádzkuje mobilnú komunikáciu (čo je aj prípad oboch vyąąie spomenutých Globalstar a Iridium) a účastník mobilnej satelitnej komunikácie prechádza medzi stopami, je systém nútený urobi» predanie - handover. Ak účastník prechádza medzi lúčmi toho istého satelitu, ide o vnútrosatelitné predanie. Pri prechode účastníka zo stopy jedného satelitu na stopu iného satelitu, ide o medzisatelitné predanie. V tomto je satelitný systém podobný pozemným bunkovým sie»am. Odliąnos» satelitných sietí je pri vyuľití stredných a nízko orbitálnych satelitov (MEO a LEO, pohybujú sa rýchlejąie ako Zem) spolu so smerovaním pozemnými bránami. Vtedy je nutné vykona» predanie, aj keď mobilný účastník zostáva v stope, ale brána príčinou pohybu satelitu stopu opúą»a.

©pecifický prípad nastáva, ak sú satelity vyuľívané len ako doplnkové, resp. pomocné vykrývače pre pozemné bunkové siete. Vtedy je nutné urobi» predanie, ak mobilná stanica prechádza zo satelitnej stopy do oblasti pokrytia bunkovou sie»ou alebo naopak. Ak sa mobilná stanica nachádza v prieniku týchto dvoch oblastí, je výhodnejąie ju prepoji» na pozemný systém, kvôli lacnejąej prevádzke a skráteniu oneskorenia.

Satelitný signál a frekvenčné pásma

Kvalita prijímaného signálu

Satelitné vysielanie, ktoré sa uskutočňuje na mikrovlných frekvenciách, je realizované pomocou vysoko-smerových antén. Signál teda nieje vysielaný izotropne, ale je cielený na ąpecifický bod Zeme, závislý na poľadovanom pokrytí oblasti. V strede tejto oblasti bude prijímaný najvyąąí signál a jeho intenzita klesá s pohybom zo stredového bodu do vąetkých smerov. Tento efekt je zobrazený do satelitnej stopy - obr. 18.
Zoslabovanie signálu na väčąom elevačnom uhle je dôsledkom zvyąovania vzdialenosti, ktorú musí signál prekona». Stratu signálu vplyvom prekonania vzdialenosti vo voµnom priestore (free space loss) moľno vyjadri» nasledovne:

Kde L_dB (Loss) je strata signálu v decibeloch,
l je vlnová dĺľka nosnej frekvencie,
d vzdialenos» (d a l musia by» v rovnakých jednotkách).

Ako zo vzorca vidno, vplyv na silu signálu má okrem vzdialenosti aj frekvencia. Obrázok 19 zobrazuje minimálnu stratu signálu vo voµnom priestore, ako funkciu vzdialenosti orbity. Ďaląími faktormi, ktoré vplývajú na kvalitu prijímaného signálu, je okrem satelitom vysielanej energie aj ziskovos» antény (schopnos» zachytáva» elektromagnetické vlny). Vąetky doteraz menované vplyvy tvoria minimálne teoretické kritérium na určenie intenzity signálu a berú do úvahy len priamu viditeµnú vzdialenos» s priamo ąíreným signálom bez atmosféry a poveternostných vplyvov. Ako uľ predchádzajúca veta naznačuje, tienenie prenosovej cesty prekáľkami, viaccestné ąírenie signálu a atmosferické oslabovanie majú ďaląí nepriaznivý vplyv na signál.

Základnými príčinami oslabovania signálu atmosférou sú kyslík (ktorý je samozrejme vąadeprítomný) a voda. Oslabenie spôsobené dôsledkom vody, ktorá je prítomná vo vlhkom vzduchu, je viac výrazné s hmlou a daľďom. Pri týchto elementoch hrá opä» rolu elevačný uhol a frekvencia, ktoré určujú vzdialenos», akou cez atmosféru signál prechádza a danos» frekvencie by» atmosférou (hmlou, daľďom) oslabená. Vo vąeobecnosti platí, ľe čím je frekvencia vyąąia, tým je efekt oslabenia atmosférou väčąí. Obr. 20 ukazuje typický rozsah oslabenia, ako funkciu elevačného uhla pre frekvencie v pásme C. Moľnými rieąeniami týchto problémov je buď skrátenie odstupov spojov alebo diverzita satelitov. Diverzita je pouľitie viacerých viditeµných satelitov naraz, čo umoľňuje pouľíva» menąí vysielací výkon.

Frekvenčné pásma

V tabuµke 1 sú vymenované frekvenčné pásma dostupné pre satelitnú komunikáciu aj s ich hlavnými aplikáciami. Je moľné si vąimnú», ľe na vyąąích frekvenciách je dostupná väčąia ąírka pásma. Avąak v podstate vyąąia frekvencia väčąmi "trpí" poąkodeniami prenosu. Mobilná satelitná sluľba (MSS) má pridelené frekvencie v S a L pásmach. Tieto sú v porovnaní z vyąąími pásmami vhodné najmä pre lepąie prenikanie fyzickými predmetmi s nekovovou ątruktúrou. Toto je výhodné hlavne pre mobilné sluľby. L a S pásma sú rovnako výhodné pre pozemné oblastné aplikácie, preto existuje silné súperenie medzi rôznymi mikrovlnými sluľbami pre tieto pásma.

Ďaląie delenie frekvencií pre satelitné sluľby je vydelenie pásiem pre uplink a downlink. Uplink pásmo má vľdy vyąąiu frekvenciu ako downlink. Vyąąie frekvencie majú väčąí rozptyl a rovnako "trpia" väčąou stratou vo voµnom priestore, ako frekvencie niľąie. Vďaka energetickej dostatočnosti je pozemná stanica schopná kompenzova» túto vlastnos» vyąąích frekvencií vyąąou vysielacou silou.

tab. 1 Frekvenčné pásma

©tandardy pre satelitné sluľby

Vydávanie medzinárodných ątandardov pre telekomunikačný sektor má v kompetencii medzinárodná telekomunikačná únia ITU, v rámci ktorej sa vydávajú aj ątandardy pre satelitnú komunikáciu. Tieto (nie vąetky) spadajú pod ITU-R, čo je rádiokomunikačný sektor v rámci organizačnej ątruktúry únie. Mnoľstvo vydávaných ątandardov práve pre satelitné sluľby majú pod ITU-R na staros» ątudijné skupiny:

Avąak nie sú to len tieto skupiny, oblas» satelitnej komunikácie zasahuje aj do zameraní iných skupín. (napr. SG - 3 ąírenie rádiových vĺn). Nieje moľné vymenova» vąetky ątandardy vydané ITU uveďme aspoň preto niekoµko príkladov:

ITU - R rozdeµuje normy do sérií nielen podµa ątudijných skupín, ale aj podµa témy, ktoré pokrývajú a v súlade s nimi sú alfabeticky označené.

ITU nieje jediný orgán vydávajúci ątandardy. Európske ątandardy vydávajú napr. EBU (European Broadcasting Union) alebo ETSI / SES (The European Telecommunications Standards Institute / Satellite Earth Stations and systems).

Potreba komunikácie, ktorá bola motorom vytvorenia počítačových sietí, ich vzájomných prepojení a evolúcie dneąného Internetu sa neustále zvyąuje. Nutnos» by» pripojený, komunikova» a zdieµa» informácie v podstate nepretrľite, podnietila vývoj nových mobilných bezdrôtových technológií. Tieto sú nútené "spolunaľíva»" s pôvodnými, zabehnutými technológiami so statickým pripojením, ktoré majú obrovskú technologickú a uľívateµskú základňu. Počiatočné uľ zaľité návrhy pôvodných "drôtových" sietí nepočítali s niektorými neskôr zrodenými poľiadavkami, ako sú napríklad mobilita alebo bezpečnos».

Mobilné technológie, ktoré zabezpečujú prenos dát, majú svoje vlastné charakteristiky. Tie sú v porovnaní s pevným pripojením v určitých prípadoch natoµko odliąné, ľe nasadenie určitých technológií zo statických sietí v mobilnom, bezdrôtovom prostredí by nebolo moľné, prípadne by enormne zníľilo výkon mobilnej komunikácie. Návrh technológií mobilného typu si preto často vyľiadal kompromisné rieąenia medzi pôvodnými a novými poľiadavkami na komunikáciu, s ohµadom na moľnosti a obmedzenia mobilných zariadení.

Stručný úvod do problematiky mobility v TCP/IP

Suita protokolov TCP/IP

Počítačová komunikácia je zaloľená na vzájomne sa podporujúcich mnoľinách pravidiel - protokoloch, ktoré zabezpečujú jej prevádzku. Počítačová sie» je teda kolekcia počítačov, komunikujúcich s podporou jedného alebo niekoµkých komunikačných protokolov. Internet, ako ąiroko rozµahlá počítačová sie» s globálnym rozpätím, vyuľíva pre komunikáciu pripojených počítačov/zariadení (inernetových uzlov) suitu protokolov TCP/IP. TCP/IP s jeho hlavnými protokolmi Transmission Control Protocol a Internet Protocol sa skladá zo ątyroch vrstiev:

Aplikačná vrstva obsluhuje časti jednotlivých aplikácií. Je mnoho beľných TCP/IP aplikácií, ktoré vo svojej implementácii vyuľívajú: Telnet (vzdialený login), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Management Protocol) a ďaląie. Úlohou transportnej vrstvy je zabezpečova» prenáąanie dát medzi dvoma internetovými uzlami. Táto prijíma dáta z aplikačnej vrstvy nad ňou, pokiaµ je to potrebné, delí ich na menąie jednotky, ktoré prechádzajú sie»ovou vrstvou a má ich doruči» na druhý koniec. V TCP/IP suite ("rodine") protokolov sú dva odliąné transportné protokoly: TCP a UDP (User Datagram Protocol). TCP poskytuje spoµahlivý tok dát medzi uzlami, kým UDP posiela dátové pakety nazývané datagramy z jedného uzla do druhého, bez garancie, ľe datagramy dosiahnu druhý koniec.

Sie»ová vrstva, niekedy tieľ nazývaná IP vrstva, obsluhuje prenos paketov po sieti. Táto vrstva obsahuje IP, ICMP (Internet Control Message Protocol) a IGMP (Internet Group Management Protocol), kde IP tvorí jadro protokolu, podporované ICMP a IGMP ako pomocnými protokolmi.

Linková vrstva slúľi k odváľaniu "surových" dát a poskytuje sluľby oprostenia prenosu chýb ku sie»ovej vrstve. Dôleľitý protokol linkovej vrstvy v suite protokolov je ARP (Adress Resolution Protocol). Kaľdý uzol má adresu vyuľívanú linkovou vrstvou, nazývanú adresa linkovej vrstvy (alebo MAC pre Ethernet spoj). ARP vzájomne spája adresu linkovej vrstvy a adresu vyuľívanú sie»ovou vrstvou, nazývanú IP adresou.

Problém mobility v IP sie»ach

V dobe, keď bolo IP smerovanie pôvodne navrhované, mobilita uzlov nebola povaľovaná za predmetnú otázku v návrhu. Metódy smerovania boli postavené pre statické siete (fixné koncové systémy a fixné bezdrôtové systémy), kde uzly neboli presúvané z jednej podsiete do inej. V IP ątandarde sa predpokladalo, ľe unikátna IP adresa bude identifikova» bod pripojenia uzlu k Internetu.

Ak sa mobilný počítač v takto smerovanej sieti presunie z jednej podsiete do druhej a zachová si svoju IP adresu, tá uľ nebude odráľa» jeho nový bod pripojenia. Následkom toho existujúci smerovací protokol nebude schopný smerova» pakety k zmenenému uzlu správne. V takejto situácii musí by» mobilný uzol prekonfigurovaný s odliąnou IP adresou, reprezentujúcou jeho novú lokáciu pripojenia. Tento proces, nielen ľe je »aľkopádny pre operátora mobilného uzla, ale tieľ predstavuje problém informovania potencionálnych koreąpondentov o zmene adresy. Okrem toho, zmena IP adresy bude príčinou straty uľ ustanoveného spojenia (napr. telnet sedenie alebo ftp).

Mobilná IP

Mobilná IP je roząírením k IPv4 a umoľňuje počítaču presúva» svoje pripojenie v sieti, zatiaµ čo si stále udrľuje svoju IP adresu. Bola vytvorená pracovnou skupinou pre IP smerovanie bezdrôtových / mobilných hostiteµov v IETF (Internet Engineering Task Force), sformovaná v roku 1992 a schválená IESG (Internet Engineering Steering Group) v júni 1996. Publikovaná bola ako navrhovaný ątandard v novembri 1996.

Mobilná IP je rieąením sie»ovej vrstvy pre podporu mobility v Internete, ktorá je ąkálovateµná, robustná, bezpečná a ktorá dovoµuje udrľa» vąetku beľiacu komunikáciu počas zmeny pripojenia. Taktieľ poskytuje mechanizmus pre smerovanie IP paketov k mobilným uzlom, ktoré môľu by» prenesené na iné linky s vyuľitím stálej IP adresy.

Základná terminológia

Mobilná IP je ąpecifikovaná v niekoµkých RFC dokumentoch. Základný definujúci dokument je RFC 2002. Následne pouľitá terminológia koreąponduje s RFC 2002.

Mobilný uzol (Mobil Node - MN): Hostiteµ alebo smerovač, ktorý mení svoj bod pripojenia z jednej siete alebo podsiete do druhej. Mobilný uzol môľe meni» svoju umiestnenie bez zmeny IP adresy. Môľe pokračova» v komunikácii s inými internetovými uzlami v akejkoµvek lokácii.

Domáca adresa (Home address): IP adresa, ktorá je pridelená v časovej perióde ku mobilnému uzlu. Zostáva nezmenená bez ohµadu na to, kde je uzol pripojený ku internetu.

Domáci agent (Home Agent, HA): Smerovač v domácej sieti mobilného uzla, ktorý tuneluje datagramy pre doručenie do mobilného uzla, keď je mobilný uzol mimo domácej siete. Udrľiava aktuálnu informáciu o polohe mobilného uzla.

Domáca sie» (Home Network, HN): Sie» (eventuálne aj virtuálna), ktorá má zhodný sie»ový prefix s domácou adresou mobilného uzla.

Cudzí agent (Foreign Agent, FA) : Smerovač v navątívenej sieti mobilným uzlom, ktorý poskytuje smerovacie sluľby mobilnému uzlu, pokiaµ ten bol zaregistrovaný. Cudzí agent detuneluje a doručuje datagramy k mobilnému uzlu, ktoré boli tunelované domácim agentom mobilného uzla. Pre datagramy odosielané registrovaným mobilným uzlom, môľe cudzí agent slúľi» ako ątandardný smerovač. Pre registrované mobilné uzly môľe cudzí agent slúľi» ako implicitný smerovač, smerujúci odosielané pakety.

Cudzia sie» (Foreign Network, FN): Akákoµvek iná ako domáca sie» mobilného uzla.

Aktuálna adresa (Care-of Address, COA): Adresa aktuálneho konca tunelu pre mobilný uzol, ktorá je vyuľívaná na zasielanie datagramov k mobilnému uzlu v dobe, keď je mimo domácej siete. COA je vlastne aktuálne umiestnenie MN z pohµadu IP.

Koreąpondenčný uzol (Correspondent Node, CN): Partner s ktorým mobilný uzol komunikuje. Môľe by» mobilný alebo fixný.

Činnos» mobilnej IP

Ako bolo spomenuté, smerovače vyuľívajú IP adresu v IP datagramoch na činnos» smerovania. Predovąetkým sie»ová čas» IP adresy (network portion) je vyuľívaná smerovačmi k presunu datagramov zo zdrojového počítača do siete, ku ktorej je pripojený cieµový počítač. Posledný smerovač na ceste, ktorý je pripojený do rovnakej siete ako cieµový počítač, vyuľíva hostiteµskú čas» IP adresy (host portion) k doručeniu datagramu do cieµového uzla. Adresa je okrem toho známa aj pre vyąąie vrstvy protokolovej architektúry. Keď je TCP spojenie zavedené, TCP entity na oboch stranách poznajú IP adresu koreąpondenta. Ak je TCP segment predaný dolu k IP vrstve, pre doručenie TCP poskytne IP adresu a IP vrstva vytvorí IP datagram s IP adresou v IP hlavičke a odosiela datagram preč na smerovanie a doručenie.

Tento klasický model doručovania roząiruje Mobilná IP pre moľnos» zmeny IP adresy počas viacerých aktívnych TCP spojení, bez straty týchto spojení. Obr. 21 ukazuje, ako sa Mobilná IP vyrovnáva s problémom dynamických IP. Mobilný uzol je pridelený k jednej sieti (domáca sie»), ktorej IP adresa (domáca adresa) je statická. Ak mobilný uzol presunie svoj bod pripojenia na inú sie», tá je z jeho pohµadu povaľovaná za cudziu sie». Akonáhle mobilný uzol zis»uje, ľe bol presunutý do (inej) cudzej sieti, skontaktuje sa so sie»ovým uzlom (typicky smerovač) v cudzej sieti - cudzím agentom. Tento umoľní komunikáciu medzi mobilným uzlom a sie»ovým uzlom (domáci agent). Mobilný uzol sa registruje u domáceho agenta a posiela mu svoju novú aktuálnu adresu (COA), na ktorú bude preposielaná vąetka jeho ďaląia komunikácia.

Po tomto akte prebieha komunikácia medzi mobilným uzlom a jeho koreąpondentmi nasledovne (obr. 21):

Je moľné, ľe jeden sie»ový uzol môľe plni» v sieti úlohu domáceho a aj cudzieho agenta.
Pre podporu vyąąie popísaných funkcií, vyuľíva Mobilná IP tieto 3 základné procedúry:

Zis»ovanie

Mobilný uzol musí urči», či je pripojený do domácej alebo cudzej siete. V prvom prípade môľu by» IP datagramy prijímané bez preposielania. Pretoľe prestup (handover) z jednej siete do druhej sa vyskytuje na fyzickej vrstve, presun z domácej siete do cudzej môľe nasta» kedykoµvek, a to bez notifikácie sie»ovej vrstvy. Preto je zis»ovanie nepretrľitý proces. Pre účel zis»ovania môľe smerovač alebo iný sie»ový uzol, ktorý môľe kona» ako agent, periodicky vydáva» inzertnú ICMP⁵ správu s inzertným roząírením.

Inzertná čas» správy, posielaná smerovačom, obsahuje IP adresu smerovača. Inzertné roząírenie zahŕňa pridanú informáciu o úlohe smerovača ako agenta. Mobilný uzol počúva agentské inzertné správy (agent advertisement message) a zis»uje, či je v domácej alebo cudzej sieti. Pretoľe cudzí agent by mohol by» aj na domácej sieti mobilného uzla a slúľi» mobilným uzlom na návąteve, príchod agentskej inzertnej správy eąte nič nehovorí o tom, ľe mobilný uzol je v cudzej sieti. Mobilný uzol musí preto porovna» sie»ový prefix IP adresy smerovača so sie»ovou čas»ou jeho vlastnej domácej adresy. Ak tieto nesúhlasia, potom je mobilný uzol v cudzej sieti.

⁵[ICMP, Internet Control Message Protocol: IP ątandard definuje, ľe v súlade so ąpecifikáciou musí by» implementovaný tieľ ICMP (základné RFC: RFC 792, RFC 950, RFC 1256). ICMP poskytuje prostriedky pre prenos správ zo smerovačov i iných uzlov k uzlom a v podstate poskytuje spätnú odozvu o problémoch v komunikačnom prostredí (napr. návrat správy o nedosiahnuteµnom uzle). ICMP správy sú prenáąané v datagramoch, a preto ich doručenie nie je garantované. Príkladom pouľitia ICMP môľe by» smerovač, ktorý je nútený v dôsledku preplnenej vyrovnávacej pamäte vyradi» niektoré z datagramov určených pre doručenie, tento vydáva ICMP správu pre kaľdý vyradený datagram, ľe nebude prijatý určeným koreąpondentom.]

Agenti vydávajú svoje inzertné správy periodicky. Ak vąak mobilný uzol potrebuje agentove správy okamľite, môľe sa domáha» agenta vydaním ICMP naliehavej ľiadosti (ICMP router solicitation message). Akýkoµvek agent prijímajúci túto správu vydá agentské inzerovanie.

Mobilný uzol, sa presúva z jednej siete do druhej, preto existujú mechanizmy umoľňujúce mobilnému uzlu, ale aj cuzdím agentom detekova» tento prechod. Pre tento účel moľno pouľi» jeden z dvoch algoritmov:

Cudzí agent môľe prijíma» datagramy na COA adresu určenú pre mobilný uzol, potom ich predáva cez cudziu sie» mobilnému uzlu. Môľe vąak nasta» prípad, ľe sa mobilný uzol presunie do siete, ktorá nemá ľiadneho cudzieho agenta alebo v ktorej sú vąetci cudzí agenti zaneprázdnení. Moľným rieąením tohoto stavu je, ľe mobilný uzol bude kona» ako jeho cudzí agent pouľitím ko-lokačnej COA. COA je IP adresa obdrľaná mobilným uzlom a je asociovaná so súčasným rozhraním mobilného uzla k sieti. Spôsob, akým mobilný uzol získa ko-lokačnú adresu, je mimo rozsah Mobilnej IP. Jeden moľný spôsob je dynamické získanie dočasnej IP adresy pomocou sluľby DHCP⁶ (Dynamic Host Configuration Protocol). Iná alternatíva je, ľe ko-lokačná adresa môľe by» vlastnená ako dlhodobá adresa pre pouľitie v konkrétnej cudzej sieti.

⁶[DHCP (Dynamic Host Control Protocol) je protokol so suity protokolov TCP/IP, ktorý umoľňuje v sie»ach dynamickú konfiguráciu hostiteµských TCP/IP klientov (napr. počítač, tlačiareň, atď.) DHCP zabezpečuje distribúciu potrebných parametrov pre integráciu klientov do siete, čím zjednoduąuje inątaláciu a údrľbu počítačov v sie»ach. Protokol vyuľíva model klient/server, v rámci ktorého je centralizovaná správa IP adries pouľitých v sieti zverená DHCP serveru. Pre pridelenie a nastavenie TCP/IP konfigurácie, poąle novo spustený host do siete na vąeobecnú adresu MAC úrovne poľiadavku (DHCP request), obsahujúcu meno a MAC adresu hosta. Po tom, ako DHCP server odchytí poľiadavku, prehliadne si svoj definičný súbor. Ak nájde MAC adresu, poąle odpovedajúcu definíciu TCP/IP, prípadne, ak to má povolené, poąle definíciu z voµného rozsahu. Súčas»ou odoslanej definície bude IP adresa, adresa DNS serveru, meno domény, maska podsiete, implicitný smerovač a ďaląie parametre, vrátane doby platnosti, pred ktorej vyprąaním je nutné poľiada» DHCP server o novú konfiguráciu. Protokol DHCP môľe by» pouľitý pre získanie COA v Mobilnej IP.]

Registrácia

Akonáhle mobilný uzol rozpoznal, ľe je v cudzej sieti a má získanú COA, potrebuje upozorni» domáceho agenta o jeho novej lokácii a poľiada» ho o preposielanie vąetkých jemu určených dát na túto COA. Táto činnos» je vlastne registračný proces, ktorý zahŕňa nasledovné ątyri kroky:

Zabezpečenie registrácie

Proces registrácie bol navrhnutý s ohµadom na bezpečnos» a odoláva dvom typom moľných útokov proti zneuľitiu registrácie. Prvý typ útoku by mohol spočíva» v predstieraní cudzieho agenta, ktorý by poslal faloąnú ľiados» o registráciu domácemu agentovi, aby odviedol dáta určené pre mobilný uzol ku sebe. Druhým typom by mohlo by» prehranie starých registračných správ mobilného uzla. Takto by sa záludnému cudziemu agentovi podarilo "odstrihnú»" mobilný uzol zo siete. Technika, ktorá je pouľitá na ochranu proti takýmto útokom, vyuľíva autentifikáciu správy. K účelu autentifikácie správy, obe, registračná ľiados» aj odpoveď obsahujú autentifikačné roząírenie, (obr. 24).

Princíp autentifikačného algoritmu spočíva vo vyuľití tajnej zdieµanej hodnoty (kµúča) a vyuľití jednosmernej hash funkcie na vytvorenie "odtlačku" registračných správ. Táto jednosmerná hash funkcia dokáľe vypočíta» "jedinečný" výber správy (message digest, MD) s fixnou veµkos»ou, ktorý umoľní potvrdi» alebo vyvráti» autenticitu správy. Konkrétne, pre Mobilnú IP sa vyuľíva tajná zdieµaná hodnota v prefix + sufix móde. Povedané inými slovami, pred a za správu sa vloľí tajný kµúč a toto výsledné zre»azenie tajných hodnôt a správy je vstupom pre jednosmernú funkciu. Výsledný MD je poslaný s registračnou ľiados»ou alebo registračnou odpoveďou v "autenfikačnom roząírení" (authentication extension) v poli "autentifikátora" (Authenticator). Kµuč sa s registračnými správami neposiela!

Opačná strana obdobne pripojí k doąlej správe rovnaký tajný kµúč (pred a za správu) a vypočíta MD. Toto výsledné MD je porovnané s tým, ktoré priąlo spolu so správou v "autentifikačnom roząírení". Takéto opatrenia umoľňujú mobilnému uzlu a agentom rozhodnú», či správa bola poslaná od skutočne oprávneného uzla a či je zaručená aj integrita správy. Proces vąak, nezabezpečuje správy pre prípad útoku prehraním uľ raz zaslanej správy. Preto sa eąte pred pouľitím hash funkcie vkladá do poµa správ "identifikácia" aktuálny čas - časové razítko. Toto potom tvorí "súčas»" výsledného MD. Pre takéto rieąenie je nutné, aby mobilný uzol aj agent mali spoločne synchronizovanú hodnotu času. ©tandardná (default) hash funkcia pre mobilnú IP je MD5, ktorá má 128 bytový výstup. Vyuľitie tajného kµúča s jednosmernou hash funkciou sa nazýva (Keyed-hash code).

Nakoniec eąte k zabezpečeniu registrácie dodajme, ľe Mobilná IP definuje 3 typy autentifikačného roząírenia:

Mobilný uzol - domáci agent: Roząírenie, ktoré poskytuje autentifikáciu registračných správ medzi mobilným uzlom a domácim agentom
Mobilný uzol - cudzí agent: Roząírenie môľe by» pouľité, ak existuje asociácia medzi mobilným uzlom a cudzím agentom. Cudzí agent pridáva toto roząírenie ku správe, ktorú prijal od domáceho agenta a posiela ju k mobilnému agentovi. Naopak, sníma (vyzlieka) toto roząírenie zo správy, ktorá bola zaslaná mobilným uzlom a je určená domácemu agentovi.
Cudzí agent - domáci agent: Roząírenie, môľe by» pouľité, ak existuje bezpečnostná asociácia medzi cudzím agentom a domácim uzlom.

Tunelovanie

Na presmerovanie IP datagramov na COA sa zapúzdruje (encapsulation) celý IP datagram do vonkająieho datagramu (obr. 25). Mobilná IP dovoµuje pouľi» 3 voµby zapúzdrenia:

IP-v-IP zapúzdrenie : je najjednoduchąí spôsob zapúzdrenia, definovaný v RFC 2003, (obr. 26). S týmto spôsobom zapúzdrenia sa stáva celý IP datagram akýmsi "dátovým nákladom" (payload) v novom IP datagrame. Vnútorná hlavička zostáva nezmenená s výnimkou zníľenia TTL (Time To Live) o jednotku. Identifikátor protokolu a poľadovaný typ sluľby sa pri presmerovaní datagramu nemenia, preto polia "ver." (Version) a "TOS" (Type of service) sú kópiou z vnútornej hlavičky. Vo vnútornej IP hlavičke, zdrojová IP adresa odkazuje na uzol, ktorý posiela originálny datagram a adresu určenia na domácu adresu príjemcu. Vo vonkająej hlavičke je zdrojová adresa adresou vchodu do tunela (typicky adresa domáca agenta) a cieµová adresa adresou východu z tunela (typicky COA).

Minimálne zapúzdrenie : Spôsob zapúzdrenia, ktorý obsahuje menej polí je definovaný v RFC 2004, (obr. 27). Toto zapúzdrenie zabraňuje duplicite identických polí, a teda tvorí menąiu réľiu na prenos. Môľe by» aplikovaná, len ak vąetci, t.j. domáci agent, cudzí agent a mobilný uzol s tým súhlasia. V minimálnom zapúzdrení je stará hlavička modifikovaná a z nej vytvorená nová hlavička s nutnými poliami bez duplicít, za ktorú je pripojený originálny "dátový náklad" (payload). Pre konątrukciu novej, resp. rekonątrukciu starej hlavičky je nutné meni» pole "celková dĺľka" (Total length), ako aj prepočíta» a zmeni» pole "kontrolný súčet" (IP checksum). Pole "protokol" v obsahuje číslo 55, ktoré je pridelené pre minimálne IP zapúzdrenie.

Vąeobecné smerovacie zapúzdrenie, (GRE): Generic Routing Encapsulation bolo vyvinuté eąte pred Mobilnou IP a jeho hlavná ąpecifikácia je popísaná v RFC 1701 a 1702. Tento spôsob zapúzdrenia uskutočňuje GRE protokol pracujúci na úrovni sie»ovej vrstvy. Tento zais»uje vkladanie GRE hlavičky za novú IP hlavičku a pred pôvodnú hlavičku, resp. tunelované dáta (obr. 28). GRE hlavička obsahuje niekoµko povinných aj voliteµných polí.

Zlepąenia Mobilnej IP

Mobilná IP, smerujúca vąetky prichádzajúce pakety cez domácu sie», môľe spôsobi» zväčąenie oneskorenia a mrhá kapacitou ąírky pásma. Avąak, ak je koreąpondečný uzol (CN) oboznámený, kde sa mobilný uzol nachádza, môľe posiela» pakety priamo na COA mobilného uzla. Toto je moľné dosiahnu» pomocou optimalizácie predávania paketov, ktorá v podstate koreąpondenčnému uzlu poskytuje aktualizácie mobilných väzieb a rieąi problém trojuholníkového smerovania. Aktualizácie mobilných väzieb sú zasielané z domáceho agenta pri poľiadaní alebo môľu by» zaslané po prijatí varovnej správy od cudzieho agenta, ak MH zmenil lokáciu počas komunikácie.

Ďaląou optimalizáciou je zmena cudzieho agenta. Pri zmene FA počas komunikácie môľe nasta» strata paketov. Moľným rieąením je, ľe nový FA informuje starý FA, aby sa zamedzilo strate paketov. Starý FA potom odoąle zostávajúce pakety novému FA. Táto informácia zároveň umoľní starému FA uvoµni» zdroje súvisiace s MN.

Odchádzajúce pakety z MN ku CN nie sú v Mobilnej IP smerované cez domácu sie». Avąak, ak odosielateµova domáca IP adresa obsiahnutá v odchádzajúcich paketoch nesúhlasí so sie»ou, z ktorej prichádzajú odpovede od MN, adresa týchto paketov je povaľovaná za topologicky nesprávnu a tieto pakety môľu by» zamietnuté firewallom. Na obchádzanie tohoto problému moľno pouľi» spätné tunelovanie (reverse tunneling), ktoré je definované ako roząírenie Mobilnej IP v RFC 3024. Pri spätnom tunelovaní sa dáta z MN neodosielajú priamo ku CN, ale sú tunelované do HA a aľ odtiaµ preposielané na CN. Samozrejme, toto rieąenie je ďaląím za»aľením prenosovej kapacity, pre dvojtriangulárne smerovanie. Ďaląím problémom je, ľe reverzný tunel môľe by» zneuľitý na obchádzanie bezpečnostných mechanizmov - tzv. tunelové pirátstvo (tunnel hijacking). Výhodou je spätná kompatibilita ątandardu, teda implementácia spätného tunelovania môľe spolupracova» s implementáciami bez tohoto roząírenia.

Iná optimalizácia je regionálna registrácia (regional registration), ktorá navrhuje registráciu bez nutnosti odosielania paketov ku domácej sieti. V základnej Mobilnej IP, MH posiela ľiados» na registráciu HA vľdy, keď mobilný uzol mení svoju lokáciu, teda COA. Toto spôsobuje pomerne veµké oneskorenie, hlavne ak je mobilný uzol značne vzdialený od HA. Regionálna registrácia sa pokúąa zníľi» počet registrácií vytvorením hierarchickej ątruktúry cudzích agentov. Pokiaµ cudzí agent mobilného uzla je v tejto hierarchii najniľąie, ide o takzvanú bránu cudzích agentov (Gateway Foreign Agent, GFA). Vyuľitím regionálnej registrácie nie je potrebné vysiela» registračnú správu ku HA, pretoľe HA uľ pozná COA ku GFA. Tienistá stránka takéhoto prístupu je otázka spoµahlivosti, pretoľe zlyhanie GFA spôsobí pád celej hierarchie.

Zlepąenie podpory mobility v IPv6 vs IPv4

Ďaląia verzia IP, IPv6 navrhovaná, ako skutočný evolučný krok od IPv4 má uľ priamo integrovanú podporu mobility. Pri návrhu podpory mobility IPv6 (Mobilná IPv6) sa vychádzalo aj zo skúseností z Mobilnej IPv4, s ktorou zdieµa niekoµko funkcií a ponúka ďaląie zlepąenia. Niektoré výhody Mobilnej IPv6 oproti Mobilnej IPv4 sú:

Mobilné ad-hoc siete

Ad-hoc siete majú niektoré svoje charakteristické vlastnosti a problémy, s ktorými sa musia vysporiada». Pre mobilitu uzlov sa počet pripojených uzlov a topológia siete rýchlo a nepredvídateµne mení, čo spôsobuje kolísanie kvality komunikačných ciest a ich straty, do čoho sa pridávajú ďaląie problémy, ako napr. multiuľívateµská interferencia. Sie» je decentralizovaná a neexistujú ľiadne uzly, ktoré by boli "vľdy" dosiahnuteµné (server, domáci agent, ...) a plnili by funkciu podpory prevádzky. Tieto dôvody vytvárajú hlavný problém, ako uskutočni» smerovanie v takýchto sie»ach, na ktoré nie je vhodné aplikova» tradičné smerovacie algoritmy z pevných alebo mobilných sietí s istou pevnou infraątruktúrou. Preto musia by» vąetky sie»ové aktivity, ako prieskum topológie siete a doručovanie, vykonávané samotnými uzlami, ktoré majú v sebe včlenenú funkcionalitu smerovania. Jednou z moľných alternatív smerovania je dynamické zdrojové smerovanie (Dynamic source routing), ktoré delí smerovanie na hµadanie cesty a udrľanie cesty.

Hµadanie cesty sa vykonáva, len ak je cesta nutná pre odoslanie paketov na nejakú adresu a doposiaµ neexistuje. Princíp nájdenia cesty spočíva vo vyslaní paketu (broadcast) s cieµovou adresou a jedinečným ID ku vąetkým dostupným uzlom. Ak niektorý uzol príjme tento paket

Ak bol adresát nájdený, potom odosielateµ príjme paket s popisom cesty. Pre optimalizáciu hµadania cesty je moľné pomocou predoąlých prijatých paketov uklada» zoznam adries do cache pamäte, a tento potom pouľi» na odhaµovanie nových ciest. Prípadne, ak je známy priemer siete, je moľné limitova» počet vysielaní (broadcast).

Udrľova» cestu moľno len pokiaµ sa táto pouľíva, s cieµom uisti» sa, ľe môľe by» pouľívaná aj naďalej. Udrľova» cestu je moľné po odoslaní paketu s vyľiadaním explicitného potvrdenia alebo ak je to moľné, počúva» médium, či ostatné stanice preposielajú paket, prípadne vyčka» na potvrdenie paketu z druhej vrstvy (MAC). Ďalej je moľné, ľe ak niektorá zo staníc narazí na problém, môľe informova» odosielateµa paketu alebo pokúsi» sa nájs» inú cestu.

Stanice vykonávajú hµadanie a udrľiavanie cesty len keď je to nutné, pre obmedzenie vysielania a zníľenia spotreby energie, preto sa nevyuľívajú ľiadne periodické aktualizácie ciest.

Niektoré ďaląie spôsoby smerovania v MANET sú zaloľené na interferencii, čo sú smerovania zaloľené na podkladoch o interferencii signálov. Tieto metódy smerovania počítajú cenu cesty (ohodnotenie, ktoré je smerodajným prvkom pri výbere vhodnej cesty) s ohµadom na počet staníc, ktoré môľu prijíma» vysielanie (Least Interference Routing, LIR), úspeąných prenosov a interferencie prenosu (Max-Min Residual Capacity Routing, MMRCR).

Aplikácie MANET sietí sú v miestach, kde je potreba rýchleho rozmiestnenia nezávislých mobilných staníc a v situáciách, kde sa nemoľno spolieha» na centralizované a organizované spojenie. Sú to napr. záchranné operácie/nehody, pomoc pri katastrofách alebo vojenské operácie.

Podpora mobility v transportnej vrstve

Spoµahlivé transportné protokoly ako TCP, boli navrhnuté pre tradičné siete s drôtovými linkami a pevnými uzlami. TCP výkon na týchto sie»ach je veµmi dobrý a poskytuje spoµahlivý prenos. Drôtové siete majú minimálne straty paketov zapríčinené chybami v prenose a strata paketov je zvyčajne spôsobená (dočasným) pre»aľením. Bezdrôtové siete sú značne rozdielne v parametroch ako ąírka pásma, rýchlos», oneskorenie prenosu a spoµahlivos» kanálov. Jednotlivé kanály v bezdrôtových sie»ach "trpia" zhlukmi chýb v prenose spôsobujúcich stratu paketov. Ďaląie straty môľu nasta» pri presune MN na novú sie» (handover), počas ktorého sa pakety stále prenáąajú na nesprávny bod pripojenia. Tieto chyby redukujú výkon TCP, pretoľe TCP nesprávne interpretuje stratu paketov ako znamenie o zahltení, na ktoré zareaguje TCP algoritmus pomalého ątartu (slow-start algorithm) zbrzdením ďaląieho prenosu a redukciou jeho zahlcovacieho okna. Výsledkom toho je drastické zredukovanie celkového výkonu spojenia. Z týchto dôvodov boli a sú vyvíjané metódy, ktoré rieąia problémy výkonu TCP v bezdrôtových sie»ach a "pribliľujú" TCP mobilným sie»am, napr. ukrývaním straty paketov pred TCP.

TCP algoritmus pomalého ątartu (TCP slow-start algorithm)

Odosielateµ najskôr dynamicky vypočíta zahlcovacie okno (congestion window, CWND) pre prijímač. Prenos potom ątartuje z veµkos»ou CWND, rovnou jednému segmentu. Počas úspeąného prenosu veµkos» okna exponenciálne narastá aľ do určitej prahovej hodnoty. Ak je dosiahnutá prahová hodnotu, potom veµkos» CWND narastá len lineárne. Chyba v prenose (indikovaná chýbajúcim potvrdením - acknowledgement, ACK) vyvolá zníľenie prahovej hodnoty na polovicu aktuálneho okna a CWND začína opä» z veµkos»ou jedného segmentu.

TCP rýchle znovuposielanie/rýchla obnova (Fast retrasmit/Fast recovery, FR/FT)

TCP disponuje mechanizmom, ktorý mu umoľní pri strate paketu, ktorý nenastal kvôli zahlteniu pokračova» aktuálnym oknom a nepouľi» pomalý ątart. Princíp FR/FT je jednoduchý. TCP posiela potvrdenie (ACK) len po prijatí paketu. Ak nastane medzera v prijímaní paketov (stratil/i sa len niektorý/é z paketov a ostatné sú prijímané ďalej), prijímateµ odosiela niekoµko ACK pre ten istý paket (posledný paket pred výpadkom). Potom sú tieto chýbajúce pakety znovu poslané bez spustenia pomalého ątartu.

TCP schémy roząírení pre bezdrôtové prostredie

Nepriamy TCP (Indirect TCP, I-TCP):

Nepriamy TCP protokol vyuľíva rozdelenie spojenia na rieąenie straty paketov, spôsobených vysokou chybovos»ou - BER (bit error rates). I-TCP delí komunikačnú cestu medzi mobilným uzlom a pevným CN na dve časti obr. 30.

Pričom bezdrôtové spojenie MN - AP vyuľíva I-TCP obsahujúci podporu mobility a na pevnom (drôtovom) spoji AP - CN, je pouľité klasické TCP.

Ak sú pakety posielané z koreąpondenčného uzla ku mobilnému uzlu, tieto zachytáva AP a okamľite posiela potvrdenie o prijatí ku CN (aj keď ich MN eąte neprijal). Akonáhle je to moľné, sú pakety určené pre MN, odosielané cez bezdrôtový spoj. Aplikácia I-TCP teda preruąuje end-to-end TCP sémantiku, s účelom vyhnú» sa ątandardným procedúram nesprávne identifikujúcim pre»aľenie. Preto odosielateµ vľdy predpokladá, ľe poslaná informácia bola prijatá, čo môľe by» problém pre niektoré aplikácie. Okrem toho TCP odosielateµ môľe zahlti» AP s dátami, zatiaµ čo AP je neschopný dosiahnu» mobilný uzol. Ak sú oba koreąpondujúce koncové uzly mobilné, potom sa komunikačná cesta delí na tri časti: MN-AP1, AP1-AP2, AP2-CMN, čo samozrejme zvyąuje riziko potvrdených, avąak nedoručených dát a môľe dochádza» k oneskoreniam pre vyrovnávanie pamätí (buffering) v prístupových bodoch.

Pri migrácií MN na nový AP môľe starý AP premiestni» obsah schránky a stav prenosu k novému AP, z toho dôvodu je moľný mobilný skok (hop) s veµmi rýchlym znovuposlaním paketov. Výhodou I-TCP je, ľe nie sú nutné ľiadne zmeny v uzloch komunikujúcich cez TCP (okrem AP) a vąetky aktuálne optimalizácie TCP fungujú bez zmien a celé riadenie je jednoduché, pretoľe I-TCP sa vyuľíva len pre jeden uzol na úseku medzi AP a MN.

TCP Snoop

TCP Snoop, tieľ známe aj ako TCP-aware linková vrstva protokolu, sa podieµa na zlepąení výkonu TCP v bezdrôtových sie»ach. Snoop TCP je implementované v uzle, ktorý leľí niekde na ceste medzi mobilným uzlom a CN, blízko mobilného pouľívateµa (napr. CN) obr. 31. Snoop agent monitoruje kaľdý TCP dátový packet, ktorý prechádza cez spojenie v oboch smeroch a priebeľne ukladá do cache vąetky prichádzajúce TCP pakety z CN, ktoré eąte neboli potvrdené mobilným uzlom. Keď modul zistí, ľe niektorý z paketov bol stratený, prepoąle ho znovu. Ak MN poąle ACK o prijatí paketu, tento je z cache vymazaný. Strata paketu je detekovaná buď príchodom duplicitného ACK alebo prekročením lokálneho časového limitu. Duplicitné pakety sú odfiltrované, aby nepreąli ku CN a nespôsobili zbytočnú degradáciu prenosu. K účelu časovania vyuľíva Snoop modul svoj vlastný znovuposielací časovač (retransmission timmer). Snoop TCP teda "pátra" (snooping) po stratených paketoch a ak nejaký detekuje, vykoná jeho miestne znovuposlanie k mobilnému uzlu. Takto uzol s implementovaným Snoop TCP skrýva stratu paketov pred koreąpondenčným uzlom, pričom sa vyvaruje spusteniu zbytočného spomaµovacieho mechanizmu.

Vynútené rýchle znovuposielanie (Forced Fast Retransmit, FFR)

Je veµmi jednoduchá schéma, ktorá poskytuje hladkú zmenu cudzieho agenta. Zmena cudzieho agenta často krát vedie ku strate paketov, na ktorú TCP reaguje pomalým ątartom, aj keď nenastalo ľiadne zahltenie. FFR umoľní po prihlásení vynúti» si od odosielateµa rýchly znovuposielací mod. Toto je dosiahnuté zámerným odoslaním trojnásobného ACK hneď po registrácii MN. Výhodou tohoto prístupu, je ľe minimálnou potrebnou zmenou na mobilnom IP softvéri mobilného uzla sa dosiahne značne zvýąený výkon.

Mobile TCP (M-TCP)

Pri návrhu M-TCP bola cieµom podpora dynamickej dostupnosti ąírky pásma, časté dlhé periódy odpojenia kvôli handover a funkciám ąetriacim energiu. Spojenie je podobne, ako pri I-TCP rozdelené. M-TCP rozdeµuje spojenie tak, ľe medzi fixným uzlom (odosielateµom) a mobilným uzlom je umiestnený dozorný uzol (supervisory host, SH) (obr. 32 M-TCP). Medzi fixným uzlom a SH je pouľité klasické TCP a na mobilnom spoji medzi SH a MN je pouľitá ąpeciálna verzia TCP. TCP klient na dozornom uzle sa nazýva SH-TCP a klient na mobilnom uzle M-TCP. Princíp M-TCP je nasledovný: Keď SH-TCP príjme dáta od odosielateµa (fixný uzol), predáva ich ku M-TCP klientovi, ktorý vracia ACK. SH -TCP predáva toto ACK ku odosielateµovi.

Pre zabezpečenie, aby odosielateµ neaktivoval zahlcovaciu kontrolu (t.j. ak ACK nepríde, pretoľe MN je dočasne odpojený), SH-TCP nepresmeruje posledný byte ACK, aľ pokiaµ je mobilný uzol odpojený. Toto donúti TCP prepnú» sa do reľimu perzistencie, nastavením veµkosti okna na nulu. Preto TCP nebude "trpie»" z prekročenia preposielavacieho časového limitu a nebude uzavreté ani jeho zahlcovacie okno. Keď sa mobilný uzol znovu pripojí, TCP odosielateµ bude pripravený na prenos dát plnou rýchlos»ou. Ak mobilný uzol nebol odpojený, ale má malú dostupnú ąírku pásma, SH-TCP zmenąí odosielateµove okno predtým, ako bude prenos exponencionálne pribrzdený jeho znovuposielacím časovačom (retransmission timer). Ak bol mobilný uzol odpojený, jeho M-TCP klient zmrazí vąetky jeho časovače, aby nedoąlo k exspirácii času počas doby odpojenia a tým zabráni vyvolaniu kontroly zahltenia. Keď sa mobilný uzol pripojí, M-TCP odmrazí vąetky časovače a pokračuje v normálnej prevádzke, akoby počas odpojenia nestratil ľiadne dáta.

Výhoda takéhoto rieąenia je v podpore odpojovania so zachovaním sémantiky prenosu. Ďaląou výhodou je, ľe dozorný uzol sám negeneruje ľiadne ACK a tie sú predávané z MH. Na druhej strane, keďľe SH dáta neukladá (no caching) a teda ani opakovane neposiela, straty z bezdrôtovej siete sa prenáąajú aj do pevnej siete.

Zmrazenie TCP (Freezee TCP)

Odpojenie MN na dlhąiu dobu môľe nečakane spôsobi» napríklad pre»aľenie v bunke, kde sa MN nachádza alebo môľe MN vylúči» z činnosti prevádzka s vyąąou prioritou. Po uplynutí časového limitu v TCP časovači (retransmission timer) odosielateµa, bude spojenie preruąené.

Mechanizmus nazývaný Zmrazenie TCP umoľňuje mobilnému uzlu informova» odosielateµa o moľnom odpojení, ktoré je často schopná MAC (Medium Access Control) vrstva detekova» v predstihu. Cieµom tohoto prístupu je zvýąi» výkon TCP cez bezdrôtový spoj s minimálnou stratou paketov a vyhnú» sa kontrole zahlteniu v priebehu periódy odpojenia. Táto schéma vyľaduje modifikáciu TCP kódu iba u mobilného uzla, bez akejkoµvek modifikácie urobenej na sprostredkovateµovi (napr. AP alebo odosielateµ).

Počas handover alebo moľného odpojenia, mobilný uzol odoąle niekoµko inzerovaní s nulovou veµkos»ou okna (zero window advertisement, ZWA). Keď odosielateµ príjme ZWA, zmrazí vąetky časovače, zastaví prenos dát a prejde do reľimu perzistencie. Počas perzistentného reľimu bude odosielateµ posiela» "sondy" (probes) nazývané Zero window probes (ZWP), periodicky vyhµadávajúce, či veµkos» okna prijímateµa bola zväčąená. Keď bude po opätovnom pripojení MN zväčąená veµkos» okna prijímateµa, odosielateµ bude posiela» dáta v plnej rýchlosti.

Selektívne opakované vysielanie

Pri výpadku niektorého z paketov prijímateµ posiela ku odosielateµovi opakovane to isté ACK posledného korektne prijatého paketu pred týmto výpadkom. Toto spôsobuje, ľe odosielateµ nemá presnú informáciu, ktorý/é paket/y od opakovaného ACK sa počas prenosu stratil/i a musí vysiela» celú sekvenciu paketov, začínajúcu v mieste straty, čím sa spotrebováva prenosová kapacita ąírky pásma.

Jedným z rieąení je Selektívne opakované vysielanie, definované v RFC 2018, ktoré poskytuje zvýąenie výkonu tým, ľe odosielateµovi umoľní preposiela» len chýbajúce pakety. Schéma predpisuje polia v ACK, obsahujúce bloky čísiel identifikujúcich chýbajúce pakety.

Nevýhodou tohoto rieąenia je nutnos» komplexnejąieho softvéru a viac vyrovnávacích pamätí v prijímači.

Transakčne orientované TCP (T-TCP)

Pre zavedenie spojenia, prenos dát a uvoµnenie spojenia, TCP pouľíva 3-cestné "podanie rúk" (3-way handshake), takľe sú potrebné 3 pakety pre zostavenie spojenia a 3 pakety pre uvoµnenie spojenia. Preto krátke správy zaberajú minimálne 7 paketov, čo spôsobuje pri krátkych a častých výmenách správ veµkú réľiu.

Transakčne orientované TCP (T-TCP), definované v RFC 1644, popisuje verziu TCP, ktorá predchádza veµkej réľii. T-TCP umoľňuje zostavenie spojenia, prenos dát a uvoµnenie spojenia kombinova» tak, ľe sú potrebné len 2 alebo 3 pakety. Nevýhodou takéhoto rieąenia je potrebná zmena TCP a strata transparentnosti mobility.

Podpora mobility v aplikačnej vrstve

Obmedzenia mobilných zariadení v porovnaní s imobilnými boli dôvodom, prečo sa vytvorili a vyvíjajú nové technológie pre zobrazovanie, prenos, správu a spracovanie informácií na mobilných zariadeniach. Technické obmedzenia ako malý displej, jeho rozlíąenie, hĺbka farieb, niľąí výpočtový výkon, menąia pamä», limity uľívateµského vstupu i energie a niľąie prenosové rýchlosti nie sú vhodné pre klasický web, protokoly alebo aplikácie, ktoré neboli pre takéto technické parametre navrhnuté. Na podporu mobility v oblasti Web prístupu boli odvodené od ątandardu HTML značkovacie jazyky, ako WML či XHTML, obsiahnuté v protokole WAP 1.x, resp. WAP 2.0. Ďaląou technológiou je aplikačné prostredie J2ME s podporou vývoja aplikácií pre "malé" zariadenia.

Obe technológie WAP i J2ME sú popísané v nasledovnej časti kapitoly. Zoznam technológií pre aplikačnú podporu mobility vąak týmto nie je ukončený. ©peciálne súborové systémy, databázy či operačné systémy vąak presahujú moľnosti rozsahu práce. Niektoré z týchto technológií sú stále predmetom vývoja alebo existujú ako experimentálne systémy (súborový systém - Coda).

WAP - Wireless application protocol

WAP je aplikačné prostredie a sada komunikačných protokolov pre bezdrôtové zariadenia, navrhnuté tak, aby umoľňovali uľívateµom bezdrôtových telefónov a iných bezdrôtových terminálv mobilný prístup k Internetu, Webu a telefónnym sluľbám. Je to globálny ątandard, ktorý nie je kontrolovaný ľiadnou samostatnou spoločnos»ou.

WAP vyvinulo WAP Fórum zaloľené v lete roku 1997, spoločnos»ami Ericsson, Motorola, Nokia a Phone.com (predtým Unwired Planet). Toto fórum bolo zaloľené za účelom definova» ąiroko-priemyselnú ąpecifikáciu na vývoj aplikácií pre bezdrôtové komunikačné siete. Postupne boli vydávané WAP Fórom, WAP verzie: 1.0, 1.1, 1.2, 1.2.1, 1,3 a 2.0. V súčasnosti je WAP fórum zlúčené do OMA (Open Mobile Alliance).

V máji 1998 WAP fórum publikovalo prvú WAP 1.0 ąpecifikáciu. Od tej doby boli vydané roząírené verzie WAP 1.1 (ohlásená v júni 1999), 1.2 (prijatá v decembri 1999), 1.3 (7. júl 2000). O rok neskôr 1.augusta 2001 bola zverejnená verzia WAP 2.0. Ďaląí popis sa vz»ahuje na uľ zauľívanú verziu 1.2.1 (2000), ktorou disponujú mnohé, aj starąie zariadenia a je nasledovaný opisom roząírení a zlepąení WAP 2.0 v porovnaní so starąími verziami.

WAP premos»uje mobilný svet s Internetom a ponúka schopnos» doručova» účastníkom mobilných sietí sluľby s pridanou hodnotou, ktoré sú nezávislé od ich siete, prenosových ątandardov a terminálov. WAP tieto sluľby ponúka s ohµadom na zariadenia s pomalými procesormi, malou pamä»ou a obmedzeným vstupným rozhraním, pričom disponuje aj bezpečnostnými mechanizmami.

WAP je zaloľený na exitujúcich internetových ątandardoch, ako IP, XML, HTML, HTTP a jeho ąpecifikácia zahŕňa nasledujúce:

Prehµad WAP architektúry

WAP architektúra je navrhnutá zvládnu» dva hlavné limity bezdrôtového Web prístupu: limit mobilného uzla (malá veµkos» obrazovky, limit vstupnej kapacity) a nízku rýchlos» prenosu dát bezdrôtových digitálnych sietí.

WAP Programovací Model je zaloľený na troch elementoch: Klient - Brána - východzí Server. Na prenos obsahu medzi bránou a serverom sa vyuľíva HTTP. Brána vykonáva činnos» proxy-servera pre bezdrôtovú doménu. Jej procesor/y poskytuje/ú sluľby, ktoré odµahčujú limitované schopnosti mobilných Handheld (počítače do ruky) a bezdrôtových terminálov. Brána poskytuje DNS sluľby, vzájomne konvertuje WAP protokolovú sadu a www sadu, kóduje informáciu z Webu do kompaktnejąej formy, ktorá minimalizuje bezdrôtovú komunikáciu a v inom smere dekóduje kompaktnú formu do ątandardnej webovej komunikácie.

Vyuľitím WAPu, môľe mobilný uľívateµ prehliada» Webový obsah na beľnom Web serveri. Web server poskytuje obsah vo forme HTML kódovaných stránok, ktoré sú prenáąané vyuľitím ątandardnej Web protokolovej sady (HTTP/TCP/IP). HTML obsah musí prejs» cez HTML filter, ktorý môľe by» buď začlenený ku WAP proxy alebo v oddelenom fyzickom module. Filter prekladá HTML obsah do WML obsahu. Ak je filter oddelený od proxy, vyuľívajú sa na doručovanie WML do proxy protokoly HTTP/TCP/IP. Proxy konvertuje WML do omnoho kompaktnejąej formy, známej ako binárne WML a doručuje ho cez bezdrôtovú sie» ku mobilnému uľívateµovi vyuľitím WAP protokolovej sady. Ak je Web server schopný sám generova» WML obsah, tento je potom priamo doručený s HTML/TCP/IP do proxy, kde je skonvertovaný na binárny WML a cez WAP doručený uľívateµovi. Celá schéma infraątruktúry je zobrazená na obr. 33.

WML (Wireless Markup Language)

Jazyk WML bol navrhnutý pre popis obsahu a formátu, na prezentovanie dát na zariadeniach s limitovanou ąírkou pásma, limitovanou veµkos»ou obrazovky a limitovanou schopnos»ou uľívateµského vstupu. Bol navrhnutý na prácu s telefónnymi klávesnicami, svetelnými perami a inými vstupnými zariadeniami, beľnými pre mobilnú a bezdrôtovú komunikáciu.

Pre beľné PC, poskytuje Web prehliadač obsah vo forme webových stránok, kódovaných s HTML. Na preklad HTML kódovanej Web stránky do WML s obsahom a formátom vhodným pre bezdrôtové zariadenia, sa musí veµká čas» informácie odstráni» (ąpeciálne grafika a animácia). WML prezentuje prevaľne textovú informáciu, ktorá sa pokúąa o zachytenie podstaty z Web stránky a ktorá je organizovaná pre µahký prístup pre uľívateµa mobilných zariadení.

Vo Web prehliadači, zaloľenom na HTML, uľívateµ naviguje klikaním na linky. Na WML mobilnom zariadení uľívateµ interaguje s kartami, presunom vpred a dozadu cez balíček. WML je značkovací jazyk podobný HTML, v ktorom jednotlivé jazykové elementy sú vymedzené značkami z malých písmen, uzavreté v ąpicatých zátvorkách.

<?xml version="1.0"?>
<!DOCTYPE wml PUBLIC "-//WAPFORUM//DTD WML 1.1//EN"
"http://www.wapforum.org/DTD/wml_1.1.xml">
<wml>

<p>

Hello WAP world.

<p>

</card>

</wml>

WMLScript

WMLScript je skriptovací procedurálny jazyk (cykly, podmienky, ...) s analógiami ku jazyku JavaScript. Bol navrhnutý pre tvorbu skriptov (doplňujúcich WML o niektoré vlastnosti) pre zariadenia s limitovaným výkonom procesora a pamäte. Hlavné schopnosti WMLScriptu zaŕňajú nasledovné:

WAE (Wireless Application Enviroment): WAP je vlastne komplet ątandardov a komunikačných protokolov. Tieto protokoly sú vrstvené podobne, ako je to u mnohých iných protokolov, vyuľívaných v počítačových sie»ach. Táto architektúra umoľňuje externým sluľbám a aplikáciám vyuľi» rysy WAPovej architektúry prostredníctvom preddefinovaných rozhraní.

WAE je najvyąąia vrstva WAPu, ktorá ąpecifikuje aplikačnú rámcovú ątruktúru pre úzko-pásmové bezdrôtové zariadenia, vytvára nezávislé prostredie na sieti i na zariadeniach, vrátane medzinárodnej podpory. Elementmi tohoto prostredia sú napr. WML, WMLScript, WTA.

WTA (Wireless Telephony Application): Je kolekcia ąpecifikácií telefónnych roząírení pre volanie a kontrolných mechanizmov spojených s telefóniou, ktoré poskytujú pokročilé mobilné sie»ové sluľby. Vyuľitím WTA môľu aplikační vývojári vyuľi» mikroprehliadač na vyvolanie hovoru a reakciu na udalosti z telefónnej siete. Teda inak, povedané aplikácie a klienti môľu pristupova» k telefónnym funkciám.

(WML)
wtai://wp/mc;07216086415
(WMLScript)
WTAPublic.makeCall("07216086415");

WSP (Wireless Session Protokol)

WSP poskytuje aplikáciám dve spojovacie sluľby. Prvá je spojovo-orientovaná sluľba, operujúca nad spoµahlivým transportným protokolom WTP a druhá, nespojovaná sluľba nad protokolom WDP s negarantovaným doručením. V základoch je WSP zaloľený na HTTP s nejakými dodatkami a modifikáciou k optimalizácii jeho pouľitia v bezdrôtových spojoch. Je to teda tranzakčne-orientovaný protokol, zaloľený na koncepte poľiadavka/odpoveď. WSP dátové jednotky PDU (Protocol Data Unit) pozostávajú z tela (body), ktoré môľe obsahova» WML, WMLScript alebo obrázky a hlavičku, ktorá obsahuje informácie o dátach v tele a o transakcii.

WSP tieľ definuje tzv. Push operácie servera, ktorými môľe server posla» nevyľiadaný obsah ku klientovi. Toto môľe by» vyuľívané pre vysielanie správ (messages) alebo pre sluľby posielajúce napr. prehµad správ (v titulkoch) alebo ceny akcií, ktoré môľu by» prispôsobené pre kaľdé klientské zariadenie.

WTP (Wireless Transaction Protocol)

WTP riadi transakcie sprostredkovaním poľiadavky a odpovede medzi uľívateµským agentom (napr. WAP prehliadač) a aplikačným serverom pre také aktivity, ako prehliadanie stránok/kariet alebo obchodné transakcie (e-commerce). WTP poskytuje spoµahlivý prenos, s menąou réľiou ako TCP, vyplývajúcou z odµahčeného protokolu, ktorý je vhodný pre implementáciu v "tenkých" klientov (napr. mobilné uzly) a pre prenos cez úzko-pásmové bezdrôtové linky.

WTSL (Wireless Transport Security Layer)

WTSL poskytuje bezpečnostné sluľby medzi mobilným zariadením (klientom) a WAP bránou. WTSL je zaloľený na priemyselnom ątandarde Transport Layer Security (TSL) protokol, ktorý je prepracovaným Secure Sockets Layer (SSL). TSL je ątandardný bezpečnostný protokol, vyuľívaný medzi Web prehliadačom a Web serverami. WTSL je efektívnejąí ako TSL, vyľaduje menej výmen správ. Na prevádzku end-to-end bezpečnosti, sa WTSL vyuľíva medzi klientom a bránou a TSL medzi bránou a cieµovým serverom. WAP systém v bráne robí preklad medzi WTLS a TLS. Preto je brána miestom zraniteµnosti a musí by» zabezpečená vysokou úrovňou bezpečnosti od externých útokov.

WTSL nie je jeden samotný protokol, ale sada niekoµkých protokolov (WTSL Record Protocol, WTSL Handshake Protokol, WTSL Alert Protocol).

Tieto útoky sa WTSL snaľí detekova» a zamieta správy, ktoré sú opakované alebo neúspeąne overené.

WDP (Wireless Datagram Protokol)

WDP protokol vyuľíva prenosové sluľby dátového nosiča mobilných sietí a zais»uje komunikáciu prebiehajúcu medzi nosičom a protokolmi vo vyąąích vrstvách. Sluľby ponúkané WDP, zahŕňajú adresovanie pomocou čísiel portov, optimálne členenie dát na segmenty ich znovu-skladanie a detekciu chýb. Sluľby WDP umoľňujú aplikáciám pracova» transparentne nad rôznymi ątandardami a typmi prenosových sluľieb mobilných sietí ako napr.: GSM (SMS, CSD, HSCSD, GPRS, ...), CDMA - IS 95, TDMA - IS 136, UMTS, TETRA, DECT, PHS a ďaląie.

WCMP (Wireless Control Message Protocol) vykonáva podobnú podpornú funkciu pre WDP, ako ICMP pre IP. WCMP je vyuľívané bezdrôtovými uzlami a WAP bránami na hlásenie chýb. Môľe by» pouľitý taktieľ pre informačné a diagnostické účely.

WAP 2.0

1. augusta 2001 bola WAP fórom zverejnená WAP ąpecifikácia verzie 2.0. WAP 2.0 je uľ súčasne etablovaná verzia protokolu, podporovaná mnohými poskytovateµmi obsahu a implementovaná v novąích bezdrôtových zariadeniach. Nová ąpecifikácia predstavuje niekoµko dôleľitých zmien od predoąlých verzií, ako schopnos» zobrazova» nové farby, podpora multimediálnych správ (MMS), moľnos» s»ahovania veµkých súborov alebo zlepąenie navigácie v menu. Nové kµúčové vlastnosti harmonizujú so ątandardami internetových protokolov, umoľňujú personalizáciou klientov, podporujú prispôsobovanie systému (customizačná podpora) a zavádzajú XHTML (Extensible HyperText Markup Language) ako značkovací jazyk.

WAP 2.0 harmonizovaný s internetovými protokolmi zavádza moľnos» bezpečného end-to-end spojenia, ktoré bolo v predoąlých verziách realizované s WTSL len od klienta po WAP bránu. ©pecifikácia zavádza schopnos» priameho IP smerovania. Terminály implementujúce tieto zmeny môľu zvoli» k pouľitiu ątandardné internetové kryptografické funkcie ako IPSec a TLS priamo, namiesto pouľitia WTLS protokolu. Pre spätnú kompatibilitu je poľadované, aby zariadenia podporovali obe separátne protokolové sady.

Harmonizačný trend pokračuje so zlepąením bezdrôtovej infraątruktúry verejných kµúčov (Wireless Public Key Infrastructure, WPKI), definovanej vo WAP 2.0. Funkcionalita WPKI dovoµuje zariadeniam zavies» tvorbu nových optimalizovaných verejných certifikátov pre servery, zaloľených na existujúcich formátoch ako X.509v3 [RFC 2459].

Personalizácia a customizácia bola postavená podµa W3C (World Wide Web Consortium) ątandardu (CC/PP) Composite Capability/Preference Profiles. S vyuľitím CC/PP je moľné oznámi» informácie o schopnostiach zariadenia a uľívateµských preferenciách Web serverom, resp. bránam/proxy tak, ľe posielaný obsah môľe by» prispôsobený pre ąpecifické mobilné zariadenie.

K tvorbe obsahu pre rôzne bezdrôtové zariadenia WAP 2.0 ąpecifikácia zavádza XHTML ako čas» WML verzie 2 a zároveň udrľuje spätnú kompatibilitu so starąími WML verziami. Tento fakt zjednoduąuje a chráni uľ vloľené investície poskytovateµov Webových sluľieb do prevádzky prehliadateµného obsahu. Migrácia k XHTML tieľ pomáha unifikova» bezdrôtové značkovacie ątandardy - napr. NTT DoCoMo migroval z jeho kompaktnej formy HTML (CHTML) k pouľitiu XMTML vo verzií 3.0 v jeho i-mode sluľbách.

pozn. [Prakticky si moľno vyskúąa» schopnosti mobilných zariadení a potenciál WAPu napríklad prostredníctvom dostupných internetových emulátorov.]

I-mode: Aj keď WAP je značne podporovaný stovkami svetových telekomunikačných lídrov, nie je jediným ľeliezkom v ohni. Japonská telekomunikačná spoločnos» NTT spustila vo februári 1999 mobilnú internetovú sluľbu, i-mode, ktorá ponúka účastníkom:

I-mode je produkt japonského telekomunikačného operátora NTT DoCoMo. I-mode nie je iba technológia samotná, ale jedná sa o súhrn moderných technológií a predovąetkým sluľieb, ktoré táto spoločnos» poskytuje. So sluľbou operátor NTT DoCoMo uľ agresívne expandoval v Hong-Kongu, Číne a Severnej Amerike. V júni 2002 bola i-mode spustená aj v Európe: Nemecku (E-Plus) a Holandsku. V súčasnosti je sluľba dostupná uľ aj v ďaląích európskych ątátoch.

Tak ako WAP vyuľíva WML, i-mode sluľby boli písané v CHTML (compact HTML), ktorý je podmnoľinou HTML. Dnes uľ sluľba vyuľíva rovnako ako WAP značkovací jazyk XMTML.

I-mode je väčąmi zameraný na adaptovanie terminálov k typu obsahu, kým WAP prispôsobuje obsah terminálom, ktoré ho spracovávajú a zobrazujú. Výsledkom tohoto rozdielu je, ľe i-mode je veµmi grafický a prí»aľlivý, kým WAP disponuje veµmi flexibilnou a efektívnu protokolovou sadou.

J2ME - Java 2 Platform, Micro Edition

Od roku 1995, Java dospela na kompletnú objektovo orientovanú platformu, ktorá dovoµovala jednoduchý a rýchly vývoj aplikácií pre veµké mnoľstvo hardvérových a softvérových platformiem. V roku 1999 Sun Microsystem rozdelil Javu do troch rozdielnych edícií: Java 2, Standard Edition (J2SE) bola uvedená pre pouľitie na beľných osobných počítačoch. Java 2, Enterprise Edition (J2EE) je navrhnutá pre servre. Java 2, Micro Edition je malé aplikačné prostredie s nástrojmi a podporou vývoja aplikácií pre malé zariadenia s niľąími výpočtovými výkonmi, limitovaným zdrojom energie a malou pamä»ou. Predchodcami J2ME boli PersonalJava and KJava.

Na podporu ąirokej variety zariadení vyuľíva technológia J2ME svoju modulárnu a ąkálovateµnú architektúru (obr. 34), ktorá zahŕňa okrem základnej vrstvy aj: konfigurácie (configurations) a profily (profiles).

Konfigurácie boli vytvorené kvôli podobnosti niekoµkých typov malých zariadení. JM2E konfigurácie definujú minimálnu platformu pre kategórie alebo skupiny zariadení, s podobnými poľiadavkami na celkovú pamä» a výkon procesora. Konfigurácie definujú Java jazyk, funkcie virtuálneho stroja a minimálnu kniľnicu tried.

V súčasnosti existujú dve hlavné ątandardné konfigurácie CDC a CLDC s nasledovnými charakteristikami:

Základný profil (Foundation Profile) je základnou ąpecifikáciou pre zariadenia, ktoré môľu podporova» J2ME prostredie. Nepodporuje uľívateµské rozhranie, skôr poskytuje sluľby pre ďaląie profily, vrstvené vyąąie a poskytujúce uľívateµské rozhranie. Takýmito príkladmi profilov ktorým základný profil poskytuje sluľby sú: osobný profil a RMI profil.

Osobný profil (Personal Profile) je navrhnutý nad základným profilom pre zariadenia, ktoré potrebujú vysoký stupeň Internetovej konektivity.

MIDP (Mobile Information Device Profile)
MDIP je profil upresňujúci CLDC konfiguráciu pre pouľitie v menąích zariadeniach ako sú mobilné telefóny. Ku hárdverovej ąpecifikácii pridáva poľiadavku na minimálnu veµkos» displeja 96 x 54 a vyľaduje 8kB stálej pamäte pre ukladanie aplikácií. Zariadenia je moľné ovláda» klávesmi alebo dotykom obrazovky. Do kategórie MDIP spadajú skoro vąetky mobilné telefóny s výnimkou komunikátorov s výkonnejąím procesorom a väčąou pamä»ou. Aplikáciám pre túto kategóriu sa hovorí midlet (termín konvenčne podobný ku applet a servlet).

RMI profil
Tento profil taktieľ je postavený nad základným profilom. Podporuje vnútroaplikačné RMI ([Java Remote Method Invocation] - technológia vyvinutá v Sun JavaSoft, ktorá umoľňuje vytvára» distribuované objekty vyuľitím Javy, poskytuje mechanizmy pre podporu distribuovaného computingu) cez TCP/IP spojenie pre aplikácie napísané pre základný profil. Bol navrhnutý pre menąie zariadenia, ktoré podporujú RMI a roząírenie "JINI" (JINI je technológia pre dynamické, pripojiteµné sie»ové zariadenia)

Satelitná komunikácia a sluľby umoľňujúce mobilitu v TCP/IP sie»ach

Obsah

Koniec obsahu

História a prehµad bezdrôtovej komunikácie