Εισαγωγή Στις Τηλεπικοινωνίες Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεματικής Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών Διδάσκων: Χρήστος Μιχαλακέλης

Σκοπός του Μαθήματος Εξοικείωση με βασικές έννοιες των τηλεπικοινωνιών: δίκτυα, διαμόρφωση, μετάδοση, λήψη, κανάλι, ενσύρματη και ασύρματη μετάδοση, τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, πρωτόκολλα, οπτικές ίνες, UTP, δορυφορικά συστήματα, ασύρματα δίκτυα, TCP/IP, routers, switches, hubs, WiFi, WiMax, Ethernet, θόρυβος, σήμα, φάσμα, εύρος ζώνης ηλεκτρομαγνητικά κύματα, θεωρία πληροφορίας, κωδικοποίηση, ασφάλεια, ADSL, FTTH, OFDM,PAM, OOK, WDM, PCM, κωδικοποίηση, κτλ

Ενότητα 1 η Εισαγωγικές Έννοιες και Ιστορία των Τηλεπικοινωνιών

Βασικοί Ορισμοί Επικοινωνία: η μετάδοση πληροφορίας από μία πηγή πληροφορίας σε μία άλλη, με χρήση ενός μέσου μετάδοσης. Ο παραπάνω ορισμός της πληροφορίας είναι αρκετά ευρύς και περιλαμβάνει την ανταλλαγή σκέψεων, ιδεών, συναισθημάτων και πληροφοριών. Με τον όρο Τηλεπικοινωνίες εννοούμε την υποβοηθούμενη με τεχνικά μέσα μετάδοση σημάτων σε κάποια απόσταση (από το αρχαίο ελληνικό τηλε).

Επικοινωνίες vs Τηλεπικοινωνίες Επικοινωνίες σε μεγάλες αποστάσεις: Ανεπάρκεια μέσου μετάδοσης Λύση: αλλαγή της μορφής της πληροφορίας προκειμένου να μεταδοθεί Γενικά, αν η πληροφορία προκειμένου να μεταδοθεί: –Δεν αλλάζει μορφή: Επικοινωνία –Αλλάζει μορφή : Τηλεπικοινωνία Στόχος των (τηλ)επικοινωνιών γενικά είναι –η αποστολή ενός μηνύματος από ένα σημείο σε ένα άλλο –η επιβεβαίωση της πλήρους, ορθής και κατανοητής λήψης του από έναν παραλήπτη. –Παρά την απλή αυτή αναφορά, πίσω από τις επικοινωνίες κρύβεται πλήθος από θεωρίες και τεχνικές.

Ιστορική Εξέλιξη – Πρώιμη εποχή Σήματα καπνού: Χρησιμοποιούνταν από τους Κινέζους στρατιώτες στο Σινικό Τείχος για προειδοποίηση για επικείμενη επίθεση. Τα νέα μεταδίδονταν σε μία απόσταση 480Km σε μερικές ώρες. Ο Πολύβιος (Έλληνας αρχαίος ιστορικός) το 150 π.Χ. επινόησε ένα είδος αλφάβητου για την μεταφορά σημάτων χρησιμοποιώντας ζευγάρι από πυρσού - φρυκτωρίες. Ορισμένες φυλές ιθαγενών στην Αφρική και την Αμερική, χρησιμοποιούσαν τον ήχο των τυμπάνων για να μεταφέρουν πληροφορία. Οι αρχαίοι Έλληνες και οι Ρωμαίοι χρησιμοποιούσαν ταχυδρομικά περιστέρια για να μεταφέρουν πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις.

Ηλεκτρισμός - Ο πρώτος τηλέγραφος (1792) Με την εξέλιξη του ηλεκτρισμού και της ηλεκτρονικής εξελίχθηκαν και οι τηλ/νίες. Έγιναν τεχνολογική επιστήμη. Το 1792 ο γάλλος εφευρέτης Claude Chappe παρέδωσε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα το οποίο βασιζότανε σε πύργους με κινητά μέρη στην κορυφή τους. Ο Chappe κατάφερε να καλύψει ολόκληρη την Γαλλία και να μεταφέρει μηνύματα με ένα αλφάβητο 32 και πλέον συμβόλων.

Ο πρώτος ηλεκτρικός τηλέγραφος To 1837 οι Wheatstone και Cooke στην Αγγλία και ο Morse στις Η.Π.Α. επινόησαν τον πρώτο ηλεκτρικό τηλέγραφο. Το 1866 πραγματοποιήθηκε η πρώτη διατλαντική ζεύξη Charles Wheatstone William Fothergill Cooke Samuel Morse

Το πρώτο τηλέφωνο To 1876 οι Bell και Grey ανακάλυψαν το τηλέφωνο. Το 1878 και το 1879 άρχισαν να εγκαθίστανται οι πρώτες τηλεφωνικές συσκευές στο Λονδίνο και το New Haven Alexander Bell Elisha Grey

Τρίοδος Λυχνία H εφεύρεση της τριόδου ενισχύτριας λυχνίας κενού το 1906 κατέστησε δυνατή την υλοποίηση ενισχυτών σήματος και την μετάδοση του τηλεφωνικών σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις. Lee De Forest Μικρές τάσεις μεταξύ πλέγματος (grid) / καθόδου V g αντιστοιχούν σε μεγάλες τάσεις ανόδου / καθόδου V a Το 1915 άρχισαν να λειτουργούν οι πρώτες διηπειρωτικές τηλεφωνικές συνδέσεις

Ηλεκτρομαγνητισμός Χρήση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας τον 20 ο αιώνα: Βασικός μοχλός ανάπτυξης των Τηλεπικοινωνιών. Η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό Κάθε εφαρμογή συνδέεται με τη χρήση ενός ορισμένου τμήματος του φάσματος συχνοτήτων

Κατανομή εφαρμογών στο φάσμα συχνοτήτων

Εφαρμογές τηλεπικοινωνιών Τηλεφωνία Internet Ραδιοφωνία Τηλεόραση

Σήμερα H ψηφιακή μετάδοση των σημάτων και η ψηφιακή μεταγωγή και επεξεργασία: οι αναλογικές τεχνολογίες στις οποίες στηρίχθηκαν η κλασσική τηλεφωνία, το ραδιόφωνο και η τηλεόραση αντικαθίστανται σταδιακά από την ψηφιακή τεχνολογία που αναπτύχθηκε κυρίως από τις επικοινωνίες δεδομένων. Βελτίωση των μέσων μετάδοσης, της υποδομής (οπτικές ίνες, δορυφορικές ζεύξεις, κλπ.), των τεχνικών μετάδοσης (multiplexing, compression, κωδικοποιήσεις, διαμορφώσεις κλπ.). Σήμερα βρισκόμαστε στο αναπτυξιακό στάδιο ενός νέου επιστημονικού κλάδου που καλείται Τηλεπληροφορική (από τους όρους Τηλεπικοινωνίες και Πληροφορική. Έχουμε πλέον ευρύτερες δυνατότητες επικοινωνιών στην εξυπηρέτηση φωνής αλλά και δεδομένων (data).

Ιστορική εξέλιξη τηλεπικοινωνιών

Ραδιοφωνία Διαμόρφωσης Πλάτους AM Η ραδιοφωνία AM εγκαινιάστηκε το 1920 στις Η.Π.Α. στο Pittsburg από τον ραδιοφωνικό σταθμό KDKA To 1918 o Εdwin Armstrong ανακάλυψε τον πρώτο υπερετερώδυνο δέκτη ΑΜ που έδωσε σημαντική ώθηση στην ραδιοφωνία. Ο ίδιος κατασκεύασε πρώτος ένα σύστημα επικοινωνίας FM το Edwin Armstong

To πρώτο σύστημα τηλεόρασης Τo 1929 o V.K. Zworykin κατασκεύασε το πρώτο σύστημα τηλεόρασης στις Η.Π.Α. Οι πρώτες τηλεοπτικές εκπομπές ξεκίνησαν το 1936 από τον σταθμό BBC στην Αγγλία. Ακολούθησε η Αμερική πέντε χρόνια αργότερα. V.K. Zworykin ΒΒC broadcasting house

To ημιαγωγικό τρανζίστορ Το 1947 οι Brattain, Bardeen και Shockley εφεύραν το ημιαγωγικό τρανζίστορ Με την ανακάλυψη αυτή άνοιξε ο δρόμος για τα ολοκληρωμένα κυκλωμάτα.

Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Το 1958 οι Jack Kilby και Robert Noyce έφτιαξαν το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα ανοίγοντας το δρόμο για μικρότερες και φθηνότερες τηλεπικοινωνιακές συσκευές.

Πηγή ημιαγωγικού LASER Το 1962 ο Robert Hall παρουσίασε την πρώτη ημιαγωγική δίοδο LASER. Οι δίοδοι LASER και οι οπτικές ίνες αύξησαν της ταχύτητες των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων

Ο πρώτος τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος To 1962 τέθηκε σε τροχιά ο δορυφόρος Telstar I που χρησιμοποιήθηκε για την αναμετάδοση σήματος TV μεταξύ ΗΠΑ και Ευρώπης. Το 1965 εκτοξεύθηκε ο Early Bird, ο πρώτος εμπορικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος. Telstar I Early Bird

Δίκτυα Όταν άρχισε η πρακτική εφαρμογή του τηλεφώνου ήταν απαραίτητα δυο τηλεφωνικές συσκευές και μια γραμμή για κάθε σύνδεση. Στην περίπτωση που κάποιος ήθελε να επικοινωνεί με δύο διαφορετικά μέρη, έπρεπε να έχει δύο τηλέφωνα και δυο τηλεφωνικές γραμμές και αν ήθελε και με έναν τρίτο χρειαζόταν επιπλέον τηλεφωνική συσκευή και γραμμή σύνδεσης. Δηλαδή κάποιος θα έπρεπε να είχε στο σπίτι του τόσες συσκευές όσες και οι συνδέσεις. Όσο ο αριθμός των χρηστών μεγάλωνε τόσο μεγάλωνε και ο αριθμός των συσκευών και των γραμμών. Η αύξηση ήταν τέτοια ώστε σε λίγο χρονικό διάστημα η κατάσταση αυτή δεν μπορούσε να συνεχιστεί γιατί το πρόβλημα της πληθώρας ήταν άλυτο.

Δίκτυα Αν έχουμε ν σημεία που θέλουν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, τότε απαιτούνται ν(ν-1)/2 συνδέσεις και ο κάθε συνδρομητής πρέπει να έχει ν-1 συσκευές. Για 100 τέτοια σημεία, χρειαζόμαστε 4950 γραμμές και 9900 τηλεφωνικές συσκευές που σημαίνει ότι κάθε συνδρομητής θα πρέπει να διαθέτει 99 συσκευές. Ανάγκη του Δικτύου Δημιουργήθηκαν τα πρώτα τηλεφωνικά κέντρα, κάθε συνδρομητής συνδεόταν ακτινωτά με μια αφιερωμένη γραμμή και μια συσκευή.

Τηλεφωνικά κέντρα Οι τηλεφωνητές - χειριστές των κέντρων, συνέδεαν τη γραμμή του καλούντος συνδρομητή με αυτή του καλούμενου με την βοήθεια βυσμάτων. Ειδικές γεννήτριες ρεύματος ενσωματωμένες στις τηλεφωνικές συσκευές επέτρεπαν τις κλήσεις προς το κέντρο καθώς δεν υπήρχε η επιλογή αριθμού. Η τεχνολογία των τηλεφωνικών κέντρων προόδευσε με την ανάπτυξη των ηλεκτρομηχανικών τηλεφωνικών κέντρων και τη χρήση της αυτόματης επιλογής. Ακολούθησε η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών κέντρων, για να καταλήξουμε στη σημερινή χρήση υπολογιστικών συστημάτων και ψηφιακών τεχνικών επιλογής και μετάδοσης. Παρόμοια και στα δίκτυα δεδομένων (data)

Ο πρώτος αυτόματος μεταγωγέας Το 1897, ο Almond Strowger ανακάλυψε έναν τρόπο να διευκολύνει την ζωή των τηλεφωνητών που εξυπηρετούσαν τα τηλεφωνικά κέντρα της εποχής. Πρόκειται για τον πρώτο αυτόματο μεταγωγέα

Τηλεπικοινωνιακά δίκτυα Έχουν δομή ιεραρχική. Αποτελούνται από κέντρα που ονομάζονται αστικά ή τοπικά τερματικά κέντρα, συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν το αστικό δίκτυο (συνδρομητικό δίκτυο ή συνδρομητικός βρόχος). Όλα τα αστικά κέντρα πόλης ή περιοχής συνδέονται στο λεγόμενο κομβικό κέντρο. Για να είναι δυνατή η επικοινωνία με μια απομακρυσμένη περιοχή υπάρχει το υπεραστικό δίκτυο που συνδέει όλα τα κομβικά κέντρα. Αυτά συνδέονται μέσω των Κύριων Κέντρων που αποτελούν μέρος του κορμού ενός εθνικού υπεραστικού δικτύου. Ουσιαστικά τα Κύρια Κέντρα και τα κομβικά αποτελούν το υπεραστικό δίκτυο και λέγονται διαβιβαστικά κέντρα, διότι δεν συνδέονται με συνδρομητές αλλά διεκπεραιώνουν την κίνηση στο δίκτυο.

Internet Το Internet Protocol (IP) προέκυψε από χρηματοδότηση της DARPA τη δεκαετία του 70. Το 1969 υλοποιήθηκε το ARPANET το πρώτο δίκτυο μεταγωγής πακέτων Το 1975, υλοποιήθηκε η πρώτη δοκιμή επικοινωνίας μεταξύ δικτύων με TCP/IP μεταξύ του Stanford και του University College London (UCL).

DSL To ΑDSL αναπτύχθηκε από την Bellcore (γνωστή τώρα ως Telecordia Technologies) το 1988 Χρησιμοποιεί τα ήδη υπάρχοντα καλώδια του τηλεφώνου για να μεταδώσει δεδομένα με ταχύτητες μέχρι και 24Mb/s.

WiFi O προκάτοχος του WiFi, το WaveLan εφευρέθηκε το 1991 από την ΑΤ&Τ. Η πατέντα για το WiFi (ή αλλιώς ) υποβλήθηκε το Προσφέρει ρυθμούς της τάξης των 54Mb/s.

Μερικές Σημαντικές Ημερομηνίες 1809 Πειραματική επίδειξη ηλεκτροχημικού τηλέγραφου VanSoemmerring 1820 Δημιουργία μαγνητικού πεδίου από ηλεκτρ. ρεύμα Oersted 1831 Ανακάλυψη ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής Faraday 1837 Τελειοποίηση τηλέγραφου Morse 1876 Εφεύρεση τηλεφώνου Bell 1897 Αυτόματο τηλεφωνικό κέντρο Strowger 1901 Ασύρματος τηλέγραφος Marconi 1905 Ασύρματη μετάδοση φωνής Fessenden 1907 Πρώτη ραδιοφωνική μετάδοση 1921 Κινητόςασύρματος 1928 Ηλεκτρονική τηλεόραση Farnsworth 1931 Το πρώτο τηλέτυπο 1933 Διαμόρφωση FM Armstrong 1934 Επίδειξη RADAR 1937 Παλμοκωδική διαμόρφωση PCM Reeves 1937 Η πρώτη μηχανή γενικών υπολογισμών 1939 Η πρώτη τηλεοπτική μετάδοση 1945 Η ιδέα του Γεωστατικού δορυφόρου Clarke 1948 Μαθηματικό μοντέλο πληροφοριών Shannon 1962 Δορυφορικές επικοινωνίες 1970 Δίκτυα δεδομένων πακέτων 1971 ISDN 1973 Τοπικό δίκτυο Ethernet 1974 Η ιδέα του Ιντερνετ 1978 Κυψελοειδής ασύρματη τηλεφωνία 1978 Global Positioning System (GPS) 1986 SONET I SDH Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία 1991 GSM Κινητή τηλεφωνία 1996 DSL ψηφιακή μετάδοση στον τοπικό βρόχο 1998 Δορυφορικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 1999 LMDS ασυρματικό δίκτυο πρόσβασης 2000 GPRS κινητό διαδίκτυο 2001 UMTS εξελιγμένη ασύρματη μετάδοση φωνής-data

Εξέλιξη των Τηλεπικοινωνιών

Σύγκλιση των Τηλεπικοινωνιών Σύγκλιση φωνής - δεδομένων σε κοινά δίκτυα και υποδομές: Παλαιότερα οι δύο αυτές έννοιες εξυπηρετούντο από διαφορετικό εξοπλισμό και υποδομές ενώ σήμερα υπάρχει ορατή η τάση ενοποίησής τους. Σύγκλιση σταθερής - κινητής τηλεφωνίας, όπου διακρίνεται η τάση ενοποίησης υποδομών και υπηρεσιών με μοναδικούς αριθμούς χρήστη, ενιαίους αυτόματους τηλεφωνητές, κοινούς τρόπους χειρισμού κλπ. Σύγκλιση τηλεόρασης - τηλεπικοινωνιών, όπου ο χρήστης τηλεπικοινωνιακού δικτύου έχει τη δυνατότητα να βλέπει τηλεοπτικό πρόγραμμα της αρεσκείας του, ενώ ο χρήστης τηλεόρασης μπορεί να χρησιμοποιήσει τη συσκευή του για σύνδεση στο Ίντερνετ. Σύγκλιση περιεχομένου, όπου οποιαδήποτε μορφή πληροφορίας (φωνή - δεδομένα - εικόνα) συνυπάρχει π.χ. στο εμπόριο και τη ψυχαγωγία μέσω των Τηλεπικοινωνιών

Τρόπος Εξέτασης Το μάθημα εξετάζεται με θέματα πολλαπλής επιλογής (τυπικά θέματα). Οι εξετάσεις λαμβάνουν χώρα στο τέλος του εξαμήνου (εξεταστική του Φεβρουαρίου) Διάρκεια εξέτασης: περίπου 2 ώρες Για να περάσετε πρέπει να γράψετε βαθμό ≥5

Πηγές – Επιπλέον Υλικό Online περιγραφή του μαθήματος: Οι διαφάνειες σε ηλεκτρονική μορφή: Προτεινόμενη βιβλιογραφία: –Ά. Αλεξόπουλος και Γ. Λαγογιάννης, «Τηλεπικοινωνίες και Δίκτυα Υπολογιστών», 6η έκδοση (2003). –Andrew S. Tanenbaum, «Computer Networks», Prentice Hall (2003) Ιστοσελίδα διδάσκοντα: Youtube channel: Τα video των διαλέξεων σε υψηλότερη ανάλυση: