PSTN. Het vaste telefoonnet ... Auteur: Henk Stitselaar Verslag nr: 1 Klas: E432 Praktijkbegeleider: G. de Graaf Inleverdatum:

Transcriptie

1 . PSTN Het vaste telefoonnet Auteur: Henk Stitselaar Verslag nr: 1 Klas: E432 Praktijkbegeleider: G. de Graaf Inleverdatum:

2 Inhoudsopgave 1. Inleiding Het ontstaan van het PSTN Geschiedenis Veranderingen Telefoonnummers De infrastructuur Hoe werkt het PSTN? Wat gebeurt er op de lijn? DTMF Nieuwe ontwikkelingen ISDN DSL DECT Het alternatief - VoIP Conclusie Bronnen 14 Bijlage 1 Het telefoonnetwerk

3 1. Inleiding Tijdens deze stage ben ik op de afdeling Research & Design bezig met een project. Het uiteindelijke doel van dit project is het maken van een interface waarmee alarmcentrales die hun meldingen via een analoge telefoonlijn doorgeven geschikt worden gemaakt voor IP-communicatie. De eerste opdracht was het onderzoeken van een ISDN-AB converter. Dit apparaat maakt van een ISDN-lijn 2 afzonderlijke AB lijnen (AB staat voor de 2 aders die bij PSTN gebruikt worden). Door gewoon het apparaat te bekijken, alle componenten te identificeren en de sporen te volgen heb ik een schema kunnen maken. Dit wordt ook wel reverse engineering genoemd. Het belangrijkste onderdeel was het circuit dat de hoge spanningen die nodig zijn voor de ABtelefoonlijn genereerde, en het deel waar de lijn aangesloten was op de rest van het circuit. Om de werking van het apparaat te kunnen begrijpen moest ik natuurlijk eerst weten hoe zo n PSTN-lijn nou precies werkt, wat de gebruikte spanningen zijn en hoe de communicatie verloopt. Hiervoor heb ik veel onderzoek gedaan en ik ben op die manier ook veel te weten gekomen over PSTN. Dit is natuurlijk een heel goed onderwerp voor een verslag, zodoende gaat dit verslag over PSTN, het vaste telefoonnet. Als je denkt aan de vaste telefoonlijn, dan lijkt het allemaal best eenvoudig. Twee draadjes die naar je telefoon lopen, en je kan bellen zodra je de hoorn oppakt. Tijdens deze stage ben ik daar ineens heel anders over gaan denken. Er komt nog best wat bij kijken om een goede verbinding te krijgen, en voordat je echt met elkaar kan praten is er al heel wat aan vooraf gegaan. Dit is wat ik met dit verslag duidelijk wil maken. Ook wordt er nog aandacht besteed aan de nieuwe technologieën die het mogelijk maken het PSTN-netwerk efficiënter te kunnen gebruiken en meer gegevens te kunnen versturen. Tenslotte gaat het over de vraag of het vaste telefoonnetwerk nog wel nodig is in de toekomst. 2

4 2. Het ontstaan van het PSTN PSTN is een afkorting, het staat voor Public Switched Telephone Network. Ofwel het publieke geschakelde telefoonnetwerk. Soms wordt het ook wel Plain Old Telephone Service (POTS) genoemd. In dit hoofdstuk zal ik wat vertellen over het ontstaan van dit netwerk en wat er sindsdien veranderd is. Ook wordt er nog kort aandacht besteed aan de opbouw van telefoonnummers. 2.1 Geschiedenis Telefonie werd rond 1840 uitgevonden door Antonio Meucci (afb.1), en niet door Alexander Graham Bell zoals veel mensen denken. Het woord telefoon is afgeleid van het Grieks: tèle (ver) en phónè (geluid). In het nederlands ver spreken. Antonio was een Italiaans ontwerper en was helemaal gek van alles wat met wetenschappelijk onderzoek te maken had. Toen hij patent probeerde aan te vragen raakten er papieren zoek en kon hij niet aan genoeg geld komen om het patent te betalen. Waarschijnlijk heeft Bell toen de ontwerpen in handen gekregen en is er vandoor gegaan met het idee van Antonio Meucci. afb.1- Antonio Meucci afb.2- één van de eerste telefoons De allereerste telefoons bestonden uit een simpele microfoon en een los oorstuk als hoorn (zie afb.2). Vanaf elk toestel liepen er 2 draden naar het telefoonkantoor. Dit ging toen nog bovengronds via telefoonpalen. Omdat de draden zo hoog hingen sloeg de bliksem vaak in. Dit veroorzaakte veel storingen. Als je de hoorn oppakte zag de telefoniste een lampje branden en maakte ze contact met het toestel. Nadat ze gehoord had met wie je doorverbonden wou worden stak ze een stekker in de juiste aansluiting van de andere persoon. Nu had je een directe verbinding met het andere toestel en kon je het gesprek beginnen. Deze methode kostte veel tijd en er waren veel mensen nodig om alle gesprekken juist te verbinden. 3

5 2.2 Veranderingen Het simpele principe van de 2 draden is in al die jaren nog steeds hetzelfde gebleven. Maar tegenwoordig zijn er wel veel dingen veranderd in vergelijking tot vroeger. Een van de eerste verbeteringen was de elektromechanische schakelaar (kiezer). De verbinding werd nu in de centrale automatisch tot stand gebracht en er waren geen telefonistes meer nodig. In 1925 werd in Haarlem de eerste automatische centrale van Nederland in gebruik genomen. De persoon die wou bellen moest nu wel het nummer doorgeven aan de centrale, dit gebeurde eerst (en nu nog steeds in sommige gevallen) door middel van een kiesschijf. Via een serie pulsen werd kenbaar gemaakt welk nummer er gekozen was, het zogenaamde impulskiezen. Hier zie je zo n telefoon met een kiesschijf (afb.3). afb.3 ouderwetse telefoon Een nieuwere manier om te kiezen is door middel van verschillende tonen, dit wordt DTMF-kiezen genoemd. Dit wordt uitgebreid uitgelegd in hoofdstuk 4.2. Op deze manier kiezen is mogelijk omdat de meeste centrales inmiddels elektronisch werken i.p.v elektromechanisch. Het telefoonnetwerk is tegenwoordig bijna helemaal gedigitaliseerd, behalve het stuk tot de eindgebruiker, dat vaak nog analoog is. Er zijn ook al veel nieuwe technologieën bijgekomen zoals ISDN en ADSL die het mogelijk maken om veel meer gegevens te transporteren via dezelfde 2 draadjes (hierover meer in hoofdstuk 5). Zoals je ziet is er door de grote vraag naar communicatie veel veranderd sinds de begintijd van de telefonie. 2.3 Telefoonnummers Sinds de automatisering van de telefooncentrales heeft elke aansluiting een uniek telefoonnummer. Hierdoor kan de centrale een aansluiting met elke willekeurige andere aansluiting verbinden. Elk nummer heeft dezelfde opbouw: Internationale toegangscode Landnummer Netnummer Abonneenummer 4

6 Internationale toegangscode: Dit is het deel van een telefoonnummer dat gekozen moet worden om naar het buitenland te kunnen bellen. Door de Europese Gemeenschap is bepaald dat alle lidstaten het nummer 00 als internationaal toegangsnummer dienen te gebruiken. Het internationale toegangsnummer wordt ook vaak verkort weergegeven met een plus-teken (+), gevolgd door de rest van het nummer. Landnummer: Het landnummer verwijst naar een specifiek land. De wereld is opgedeeld in 9 regio s: Noord-Amerika (1), Afrika (2), Europa (3 & 4), Zuid-Amerika (5), Australië en Antarctica (6), Oost-Europa (7), Azië (8) en het Midden-Oosten (9). Het tweede cijfer geeft het land aan in de regio. Het landnummer voor Nederland is 31. Netnummer: Nederland is geografisch opgedeeld in verschillende gebieden, elk met een eigen netnummer. Het netnummer is een 3- of 4-cijferige code die je moet draaien om naar een ander netnummergebied te kunnen bellen. Abonneenummer: Dit is het nummer van de abonnee, elke aansluiting heeft zijn eigen unieke nummer. Bijvoorbeeld: Dit is het abonneenummer Dit is het netnummer Dit is het landnummer (31 voor Nederland) En dit is de internationale toegangscode (hier vervangen door het plus-teken) 5

7 3. De infrastructuur Vroeger bestond het gehele telefoonnetwerk slechts uit koperen draden. Tegenwoordig is dat wel anders, data wordt met de snelheid van het licht verstuurd via glasvezelkabels of zelfs via satellieten. In dit hoofdstuk zal ik uitleggen hoe het PSTN-netwerk precies in elkaar zit en hoe je gesprek op de juiste plaats terechtkomt. Het begint bij de telefoon van de gebruiker, vanaf daar gaan er 2 draden naar een kabel in de straat. Sommige kabels kunnen wel meer dan 900! aderparen bevatten, een paar voor iedere abonnee. Deze kabels kunnen rechtstreeks naar de centrale gaan, maar kunnen ook terechtkomen bij een verzamelkast (afb.4) die alle signalen digitaliseert. Het geluid wordt 8000 keer per seconde omgezet met een resolutie van 8-bits. Vanaf hier worden tientallen signalen samengevoegd en vervolgens via glasvezelkabel naar een centrale gestuurd. afb.4 omzetter afb.5 telefooncentrale Als de lijn als koperen draad binnenkomt wordt het analoge signaal in de centrale (afb. 5) eerst omgezet naar een digitaal signaal. Verschillende centrales zijn onderling verbonden via een netwerk van glasvezelkabels. Als er naar het buitenland gebeld wordt gaat het signaal via een internationale centrale. Vanuit hier gaat de verbinding dan via satelliet of via lange kabels naar andere internationale centrales in andere landen. Daar aangekomen gaat het weer in omgekeerde volgorde, totdat je verbinding hebt met de persoon waarnaar je belt. Zie bijlage 1 voor een schematische weergave van het telefoonnetwerk. 6

8 4. Hoe werkt het PSTN? Als het goed is heb je nu een globaal beeld van het telefoonnetwerk en hoe de verbindingen kunnen lopen tussen verschillende telefoontoestellen. Maar hoe werkt dit nou precies? Hoe komt het dat de telefoon geen extra voedingsspanning nodig heeft en hoe weet de centrale welk nummer je gekozen hebt. En wat betekend DTMF? Dat is waar dit hoofdstuk over gaat, de techniek achter het bellen. 4.1 Wat gebeurt er op de lijn? Een ouderwetse telefoon heeft geen extra voedingsspanning nodig, dit komt omdat er op de telefoonlijn al een spanning aanwezig is en er een stroom gaat lopen zodra je de hoorn oppakt. Op deze manier kun je altijd bellen, ook al is de stroom uitgevallen. Deze lijnspanning is in normale toestand 44 tot 68 VDC (een gelijkspanning dus). Het toestel heeft dan zo n grote weerstand dat er bijna geen stroom gaat lopen. Dit veranderd wanneer de hoorn opgepakt wordt, de stroomkring wordt nu gesloten en er gaat een lijnstroom lopen van ongeveer 15 tot 116 ma. In de centrale wordt deze stroom gedetecteerd, vervolgens zet de centrale een kiestoon op de lijn. Deze toon bestaat uit 2 verschillende frequenties, namelijk 350 Hz en 440 Hz. Deze toon geeft aan dat de centrale klaar is om de kiesinformatie te ontvangen. Nu kan er door de gebruiker een nummer getoetst of gedraaid worden. De elektromechanische kiezers van vroeger konden alleen werken met impulskiezen, hierbij werd d.m.v een aantal pulsen aangegeven welk cijfer er gedraaid was. De centrales van tegenwoordig kunnen ook DTMF-tonen ontvangen (zie hoofdstuk 4.2), deze vorm van kiezen wordt meestal bij druktoetstelefoons toegepast. Als de centrale de kiesinformatie heeft ontvangen, en het is een geldig nummer, dan wordt er verbinding gemaakt met het toestel aan de andere kant. Hierbij wordt er een wekspanning aangebracht op de lijn. Dit is een effectieve wisselspanning van 40 tot 105 Volt met een frequentie van ongeveer 25 Hz, bovenop de normale lijnspanning. De persoon die het nummer gedraaid heeft hoort nu een beltoon, dit is een toon van +/- 425 Hz die telkens 1 sec. aan is en dan weer 4 sec. uit. Als de lijn al bezet is dan krijgt degene die wil bellen een ingesprek-toon te horen. De telefoon van de ontvanger detecteert de wekspanning en laat horen dat er gebeld wordt. Als nu de persoon de hoorn oppakt, en ook de stroomkring sluit, dan wordt de wekspanning weer van de lijn afgehaald en is er een verbinding tussen beide deelnemers. Wanneer een van beide deelnemers de verbinding verbreekt krijgt de andere een in-gesprek-toon te horen. Dit is een toon van +/- 425 Hz en is telkens een halve seconde aan en dan weer een halve seconde uit. Tenslotte is er nog de 3-tonige informatietoon, deze bestaat uit 3 zich herhalende frequenties van 950, 1400 en 1800 Hz. Deze hoor je onder andere als het ingevoerde nummer niet bestaat. 7

9 4.2 DTMF DTMF staat voor Dual Tone Multi Frequency, bij deze vorm van kiesinformatie wordt elk cijfer voorgesteld als een combinatie van 2 verschillende frequenties. In totaal zijn er 16 verschillende mogelijkheden te maken met 4 tonen uit het hoge gebied en 4 tonen met lagere frequenties. Al deze tonen vallen binnen het hoorbare frequentiegebied, dit is vanwege het feit dat de telefoonlijn een bandbreedte heeft van 300 tot 3400 Hz, dit is precies genoeg om spraak van goede kwaliteit door te geven. Hieronder is in de tabel (afb.6) te zien welke frequenties aan welke toets gekoppeld zijn. afb.6 de DTMF tonen Op de meeste telefoontoestellen (afb.8) zijn de 4 letters (A,B,C,D) niet aanwezig, deze codes worden dan ook zelden gebruikt. Een voorbeeld van de DTMF-toon van toets 1 zie je hieronder (afb.7). afb.7 voorbeeld van een DTMF toon afb.8 een moderne telefoon met druktoetsen 8

10 5. Nieuwe ontwikkelingen Zoals in hoofdstuk 2.2 al kort te zien was zijn er veel dingen veranderd in de loop der tijd. Door de steeds toenemende vraag naar meer bandbreedte en andere toepassingen dan alleen bellen zijn er nieuwe technologieën ontwikkeld die dit mogelijk maken, zoals ISDN en DSL. Wat deze technieken nou precies inhouden wordt in dit hoofdstuk uitgelegd. Het laatste onderwerp is de DECT standaard, waardoor in en om het huis draadloos gebeld kan worden. 5.1 ISDN ISDN staat voor (Integraded Services Digital Network). Het is een internationaal communicatienetwerk dat toestaat dat de verbinding van gebruiker tot gebruiker volledig digitaal is. De belangrijkste voordelen van ISDN zijn: Eén aansluiting voor telefoon, internet, fax enz. De voordelen van een digitale gegevensoverdracht (hoge snelheid, zeer snelle totstandkoming van de verbinding, hoge kwaliteit) De meest voorkomende vorm is de ISDN-2-aansluiting. Er zijn twee onafhankelijke communicatiekanalen (B-kanalen) en een besturingskanaal (het D-kanaal). De twee B-kanalen zijn beide 64Kb/s en het D-kanaal is 16Kb/s. Op deze manier kan er totaal 144Kb/s gebruikt worden voor communicatie. Waar de aansluiting op het KPN netwerk het huis binnenkomt hangt een kastje waarop meteen 2 ISDN-toestellen aangesloten kunnen worden. Maar het is beter om een S-Bus (afb.9) te maken, deze bus wordt gerealiseerd met RJ-45 connectoren. Er kunnen maximaal 8 apparaten aangesloten worden op deze S- Bus. De bus moet aan het eind afgesloten worden met 2 weerstanden. afb.9 aansluiting van de S-Bus 9

11 5.2 DSL De afkorting DSL betekend Digital Subscriber Line. Door deze technologie is het mogelijk om breedband data te verzenden via de telefoondraad. De meest voorkomende vorm van DSL is ADSL. Dit betekend Asymmetric Digital Subscriber Line. Asymmetric houd in dat de upload-snelheid niet gelijk is aan de download-snelheid, deze ligt vaak een stuk hoger. De snelheid kan in theorie oplopen tot 8Mbps afhankelijk van de afstand tot de centrale. ADSL is een huurlijn, dat wil zeggen dat je onbeperkt gebruik kan maken van de verbinding voor een vast bedrag per maand. Aan de kant van de centrale wordt de data naar een DSLAM gestuurd, dit staat voor Digital Subscriber Line Acces Multiplexer. Hiermee wordt een verbinding met het internet gemaakt. Thuis begint het allemaal met de splitter (afb.10), dit filter zorgt ervoor dat de hoge frequenties die voor ADSL gebruikt worden gescheiden worden van het normale telefoonverkeer ( Hz) zodat je tegelijk kunt bellen en internetten. afb.10 opbouw van een DSL-netwerk Het DSL Modem is een geavanceerd apparaat dat het mogelijk maakt om al die data door 2 koperdraadjes te persen. De hoge snelheid wordt vooral bereikt dankzij de DMT modulatietechniek, wat staat voor Discrete Multi Tone. De verbinding wordt eerst opgedeeld in 256 afzonderlijke gebieden, de zogenaamde subcarriers. Elke subcarrier heeft een frequentiegebied van 4,3125 khz. Alle subcarriers samen vormen een frequentieband van 1,104 Mhz (afb.11). 10

12 Het meest linkse frequentiegebied wordt vrijgehouden voor de normale telefoon, de eerste 6 subcarriers worden dan niet gebruikt. Bij ISDN (wat iets meer bandbreedte vereist) worden er wat meer overgeslagen. afb.11 DSL frequentieband De volgende stap is het controleren van de signaal-ruis verhouding van elke subcarrier. Deze waarde geeft aan hoe hoog de kwaliteit van het frequentiegebied is. Afhankelijk van de gemeten waarde wordt er een capaciteit van 0 tot 32 kbit/s toegewezen aan de subcarrier. Hierna wordt er gekeken welke demping elk gebied ondervindt en zonodig wordt het zendvermogen aangepast. Dit proces van controleren en aanpassen vindt continu plaats. Als laatste worden alle subcarriers samengevoegd, ook worden er aparte subkanalen gereserveerd voor upstream (26 subcarriers) en downstream (224 subcarriers). 5.3 DECT DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) is een digitale, draadloze techniek die oorspronkelijk afkomstig is uit Europa. Het wordt vaak toegepast in huizen, kantoren en ziekenhuizen. DECT is ontworpen om samen te werken met vele andere soorten netwerken, zoals PSTN, ISDN en GSM. Het frequentiegebied waarin DECT werkzaam is zit tussen de 1880 en 1900 MHz. Door de toegepaste modulatietechniek is de spraak-overdracht van goede kwaliteit en kunnen er veel toestellen tegelijk gebruikt worden. (zie ook afb.12) afb.12 DECT telefoon 11

13 6. Het alternatief - VoIP Tegenwoordig wordt er steeds meer gebruik gemaakt van internet en het TCP/IPprotocol. Hierbij wordt de data in kleine pakketjes verdeeld die elk hun eigen route bepalen. Het verschil met een analoge telefoonlijn is dat op deze manier alleen data verzonden wordt als het echt nodig is. Met een normale telefoon houd je continu een lijn bezet, ook al wordt er niks gezegd. Dus als een verbinding via het IP-protocol verloopt is dat veel efficiënter. Veel telefooncentrales gebruiken deze techniek nu al voor telefoontjes over lange afstanden, op deze manier besparen ze een hoop bandbreedte. VoIP (Voice over Internet Protocol) is een methode om analoge audiosignalen om te zetten naar een digitaal signaal dat via het internet verstuurd kan worden. Op deze manier kun je gratis telefoneren over lange afstanden, je betaalt alleen de vaste internetkosten. Een voorbeeld hiervan is Skype, een programma waarmee je gratis naar andere gebruikers kunt bellen over de hele wereld. VoIP is een revolutionaire techniek die misschien wel het hele telefoonsysteem zoals het tegenwoordig is kan gaan veranderen. Er zijn verschillende mogelijkheden om van VoIP gebruik te kunnen maken: ATA IP-telefoons Computer-naar-computer ATA staat voor Analog Telephone Adaptor, het is de meest gebruikelijke vorm van VoIP. Hiermee kan een standaard telefoon aan een computer gekoppeld worden. De ATA zet het analoge signaal om in een digitaal signaal dat vervolgens door de computer verder verwerkt kan worden. Een IP-telefoon kan rechtstreeks op het Ethernet aangesloten worden met een RJ-45 connector. Ze bevatten alle hard- en software die nodig is om via het internet te bellen. Van computer naar computer is wel de simpelste manier, hoe dat werkt staat hierboven al beschreven, bijvoorbeeld met het programma Skype. Toch heeft VoIP niet alleen maar voordelen, het gaat via internet en wie zelf internet heeft kan vast bevestigen dat het niet altijd even soepel verloopt. Het vaste telefoon-netwerk daarentegen is, ook vanwege zijn eenvoud, een erg betrouwbaar systeem. Hieronder volgen nog enkele nadelen van VoIP: Mogelijk verlies van data-pakketjes Virussen of hackers (overigens is de kans daarop erg klein) Afhankelijk van de netspanning Voordat VoIP de traditionele telefoon zal vervangen moet er nog een hoop veranderen aan de betrouwbaarheid van de verbinding. Toch is het een veelbelovende ontwikkeling waar we zeker nog meer over zullen horen. 12

14 7. Conclusie Even bellen, wat altijd zo vanzelfsprekend lijkt, blijkt uiteindelijk toch niet zo eenvoudig te zijn. Maar door de moderne techniek is het toch mogelijk om met iedereen, waar ook ter wereld, in contact te komen. Waar in de begintijd van de telefonie nog telefonistes zaten om de gesprekken door te verbinden staat nu moderne apparatuur die zowel telefoongesprekken doorschakelt als internet verbindingen verzorgd met vele miljoenen bits per seconde. Ook al is bijna al het verkeer tussen centrales gedigitaliseerd, toch lopen er nog steeds die 2 koperen draden naar ieder huis, net zoals bij de allereerste telefoons. Door de toenemende vraag naar meer bandbreedte zullen deze draden in de toekomst misschien ook wel vervangen worden door glasvezelkabels. In hoofdstuk 4 is uitgelegd hoe telefoneren via het PSTN-Netwerk gaat. Ook heb je gezien welke mogelijkheden er tegenwoordig nog meer zijn dan alleen spraakoverdracht. Door nieuwe technologieën zoals ISDN en DSL is het mogelijk om veel meer gegevens te versturen over dezelfde lijn. De belangrijkste ontwikkeling is misschien wel het internet wat tegenwoordig in veel huishoudens wel aanwezig is. Hierdoor zijn er ook alternatieven bijgekomen zoals VoIP, als deze vorm van telecommunicatie in de toekomst nog verder verbeterd wordt zal de telefoon zoals wij die kennen misschien wel voorgoed verdwijnen. Dus als je de volgende keer de telefoon oppakt om iemand te bellen, bedenk dan eens hoe bijzonder het eigenlijks wel niet is dat het allemaal zo eenvoudig gaat. 13

15 8. Bronnen Beschrijving Interface Netwerkaansluiting Telefoonnet van PTT Telecom Uitgave: mei 1991 Internet: o o o o o o o tdenhond_wmeert.html

16 Bijlage 1 Het telefoonnetwerk 15