Czym jest POTS? Fundament Telefonii

POTS (Plain Old Telephone Service - Zwykła Stara Usługa Telefoniczna) to tradycyjna, podstawowa usługa telefoniczna, umożliwiająca analogowy przekaz głosu przez komutowane łącza telefoniczne. Reprezentuje on pierwotny system telefoniczny przewodowy, który poprzedzał telefonię cyfrową i Internet w znanej nam formie. Pomimo zmian technologicznych, wiele zasad działania POTS nadal znajduje zastosowanie we współczesnych systemach telekomunikacyjnych.

Sygnał głosu dla POTS działa w ramach pasma VF (Voice Frequency), zazwyczaj od 300 Hz do 3400 Hz. To ograniczone pasmo jest wystarczające dla zrozumiałości mowy, ale ogranicza transmisję wysokiej jakości dźwięku czy danych.

Analogowe Łącze Abonenckie (Lokalna Pętla)

Łącze abonenckie, często nazywane lokalną pętlą, jest krytycznym połączeniem między aparatem telefonicznym abonenta a centralą telefoniczną. Linia ta jest zazwyczaj dwużyłową parą miedzianą, przesyłającą sygnały w obu kierunkach: od abonenta do centrali i odwrotnie.

Charakterystyka Elektryczna Łącza Abonenckiego

Prawidłowe funkcjonowanie analogowego systemu telefonicznego zależy od kilku parametrów elektrycznych łącza abonenckiego, które są stale monitorowane i zarządzane przez centralę telefoniczną.

• Napięcie Dzwonienia (Ringing): System wywoławczy (dzwonienia) zazwyczaj działa z napięciem przemiennym od 40V do 90V o częstotliwości 25 Hz lub 50 Hz, które jest wysyłane z centrali do telefonu abonenta. Standardowe napięcie dzwonienia to około 80V (skuteczne) (wg zaleceń ITU-T: 15-25 Hz, 90-150V).
• Prąd Stały Zasilania: Telefon abonenta jest zasilany prądem stałym (zazwyczaj około 50V) z centrali, co zasila mikrofon i wewnętrzną elektronikę. W Polsce jest to 48V, a w USA/Rosji 60V/100V. Napięcie stałe jest zwykle ujemne względem ziemi, aby zminimalizować korozję kabli miedzianych.
• Próg Niewrażliwości Wywołania: Układ wywoławczy (dzwonienia) zazwyczaj ma zakres niewrażliwości od 0V do 16V. Oznacza to, że niewielkie wahania napięcia nie wywołują fałszywych sygnałów.
• Rezystancja Pętli: Całkowita rezystancja stałoprądowa pętli abonenckiej (suma rezystancji obu żył) musi nie przekraczać pewnego progu (np. zazwyczaj 600 Ω) dla niezawodnego działania. Zbyt wysoka rezystancja pętli może uniemożliwić centrali wykrycie stanu „podniesionej słuchawki”, co uniemożliwia zestawienie połączenia.

Sygnalizacja Analogowa: Proces Realizacji Połączenia

Sygnalizacja to wymiana informacji kontrolnych między elementami sieci telekomunikacyjnej w celu zestawiania, utrzymywania i rozłączania połączeń. W telefonii analogowej sygnały te są zazwyczaj prądami elektrycznymi lub tonami.

Fazy Zestawiania Połączenia

1. Preselekcja (Stan Spoczynku): Telefon abonenta znajduje się początkowo w stanie odłożonej słuchawki (on-hook), przez co przez pętlę abonencką nie płynie prąd.
2. Żądanie Obsługi (Podniesienie Słuchawki): Podniesienie słuchawki przełącza telefon w stan podniesionej słuchawki (off-hook), zamykając obwód. Centrala wykrywa przepływający prąd stały.
3. Sygnał Zgłoszenia Centrali: Centrala odpowiada sygnałem zgłoszenia (zazwyczaj ton 400-450 Hz) w celu potwierdzenia gotowości do wybierania numeru.
4. Sygnalizacja Adresowa (Wybieranie Numeru): Abonent wybiera żądany numer. W starszych systemach odbywało się to przez wybieranie impulsowe (przerywanie obwodu pętli). Nowoczesne systemy używają DTMF (Dual Tone Multi-Frequency) tonów (jednocześnie wysyłane są dwa specyficzne tony dla każdej cyfry). Centrala dekoduje te cyfry, aby skierować połączenie.
   
5. Sygnały Postępu Połączenia: W miarę postępu połączenia centrala wysyła różne sygnały do abonenta wywołującego:
   • Ton oczekiwania na wybieranie (ringing tone): Sygnał 400-450 Hz, informujący o oczekiwaniu na odpowiedź abonenta wywoływanego (np. po połączeniu międzymiastowym może być wysyłany sygnał marszrutowania – ton 50ms, cisza 50ms).
   • Ton zajętości (busy tone): Ton 400-450 Hz, gdy linia abonenta wywoływanego jest zajęta (szybki rytm przerywany).
   • Ton przeciążenia (congestion tone): Ton 400-450 Hz, gdy zasoby sieci są niedostępne (jeszcze szybszy rytm przerywany).
6. Dzwonienie do Abonenta: Centrala wysyła wysokim napięciem AC (np. 80V przy 15-25 Hz) prąd dzwonienia, aby uruchomić dzwonek w telefonie abonenta wywoływanego. Równocześnie do abonenta wywołującego może być wysyłany sygnał zwrotny dzwonienia (400-450 Hz, rytm przerywany). ITU-T zaleca, aby prąd dzwonienia był wysyłany przez 0,67 do 1,5s, po czym następowała przerwa o długości 3 do 5s.
7. Połączenie (Connection): Gdy abonent wywoływany podniesie słuchawkę (przechodzi w stan off-hook), centrala zatrzymuje prąd dzwonienia i ustanawia dedykowaną ścieżkę głosową przez macierz komutacyjną.
8. Rozmowa: Sygnały analogowe głosu są teraz transmitowane między dwoma abonentami.

Rozłączanie Połączenia (On-Hook)

Proces rozłączania rozpoczyna się, gdy którykolwiek z abonentów odłoży słuchawkę.

• Inicjacja: Kiedy abonent odłoży słuchawkę (przejdzie w stan on-hook), centrala wykrywa zanik prądu stałego w pętli abonenckiej.
• Sygnał Zwolnienia: Centrala przesyła sygnał zwolnienia przez sieć, aby zwolnić zarezerwowane zasoby. Centrala monitoruje połączenie i czeka około 90 sekund na odłożenie słuchawki przez drugiego abonenta. Jeśli drugi abonent nie odłoży słuchawki w tym czasie, może zostać wysłany sygnał zajętości lub połączenie zostanie wymuszone rozłączone.
• Zakończenie Połączenia: Po odłożeniu słuchawki przez obu abonentów, połączenie zostaje całkowicie rozłączone, a wszystkie zasoby sieciowe związane z nim są zwalniane.

Funkcje Sygnalizacji i Problemy POTS

Sygnalizacja w sieciach telefonicznych spełnia trzy główne funkcje:

• Nadzorcza (liniowa): Wykrywa i realizuje zmiany stanu łącza (np. wywołanie, zgłoszenie centrali, rozłączenie).
• Wybiercza (adresowa): Przesyła informacje adresowe (numeru) oraz sygnały dodatkowe (np. żądanie przesłania kolejnej cyfry, potwierdzenie odbioru).
• Zarządzania: Przesyła informacje o urządzeniach, taryfikacji, alarmach i blokadach w sieci.

Krytyczne Problemy Analogowych Linii Abonenckich

Pomimo prostoty i wszechobecności, analogowe linie telefoniczne mają szereg ograniczeń:

• Słabe wykorzystanie medium transmisyjnego: Łącze jest zajęte przez cały czas trwania połączenia, niezależnie od tego, czy informacje są faktycznie przesyłane, co prowadzi do niskiej efektywności.
• Duże koszty eksploatacji: Utrzymanie infrastruktury i alokacja zasobów są drogie.
• Niska efektywność sygnalizacji: Długi czas zestawiania i rozłączania połączeń (do kilku sekund), ograniczona liczba dostępnych sygnałów sygnalizacyjnych, utrudniająca wprowadzanie nowych usług.
• Wady transmisyjne: Wrażliwość na uszkodzenia takie jak przerwy, zwarcia, przebicia izolacji. Niska pojemność izolacji ($< 0.54 \text{ µF}$ między żyłą a ekranem) lub zbyt wysoka pojemność linii ($> 6 \text{ µF}$) pogarszają słyszalność. Różnica pojemności między żyłami A-Z i B-Z (asymetria pojemności) $> 5 \%$ pogarsza jakość.
• Wpływ przyziemienia: Słaba izolacja linii do ziemi (np. rezystancja $0 \Omega \text{ to } 50 \text{ k}\Omega$ dla zwarcia, $100 \text{ k}\Omega \text{ do } 4 \text{ M}\Omega$ dla przebicia) prowadzi do usterek.
• Przesłuchy i zakłócenia: Linie analogowe są podatne na zakłócenia od obcych napięć (DC/AC $> 5.0 \text{ V}$), co powoduje przesłuchy i zmniejsza odstęp sygnału od szumu.