Стандартные протоколы модемной связи. Протокол V.21 - дуплексный протокол с частотным разделением каналов и частотной модуляцией FSK. На нижнем канале (его обычно использует для передачи вызывающий модем) 1 передается частотой 980 Гц, а 0 - 1180 Гц. На верхнем канале (передает отвечающий) 1 передается частотой 1650 Гц, а 0 - 1850 Гц. Модуляционная и информационная скорости соответственно равны 300 бод и 300 бит/с. Несмотря на невысокую скорость, данный протокол находит применение прежде всего в качестве «аварийного», при невозможности из-за высокого уровня помех использовать другие протоколы физического уровня. Кроме того, ввиду своей неприхотливости и помехоустойчивости, он используется в специальных высокоуровневых приложениях, требующих высокой надежности передачи. Например, при установке соединения между модемами по Рекомендации V.8, или для передачи управляющих команд при факсимильной связи (верхний канал). Протокол V.22 - дуплексный протокол с частотным разделением каналов и модуляцией DPSK. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающий) - 1200 Гц, верхнего (передает отвечающий) - 2400 Гц; модуляционная скорость - 600 бод. Имеет режимы двухпозиционной (кодируется бит) и четырехпозиционной (дибит) фазоразностной модуляции с фазовым расстоянием между точками, соответственно, 180 и 90 град. Соответственно, информационная скорость может быть 600 или 1200 бит/с. Этот протокол фактически поглощен протоколом V.22bis. Протокол V.22bis - дуплексный протокол с частотным разделением каналов и модуляцией QAM. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающий) составляет 1200 Гц, верхнего - 2400 Гц; модуляционная скорость - 600 бод. Имеет режимы 4-позиционной (кодируется дибит) и 16-позиционной (кодируется квадробит) квадратурной амплитудной модуляции. Соответственно, информационная скорость равна 1200 или 2400 бит/с. Режим 1200 бит/с полностью совместим с V.22, несмотря на другой тип модуляции, так как первые два бита в режиме 16-QAM (квадробит) определяют изменение фазового квадранта относительно предыдущего сигнального элемента и потому за амплитуду не отвечают, а последние два бита определяют положение сигнального элемента внутри квадранта с вариацией амплитуды. Таким образом, DPSK можно рассматривать как частный случай QAM, где два последних бита не меняют своих значений, в результате, из 16 позиций выбираются четыре в разных квадрантах, но с одинаковым положением внутри квадранта, в том числе и с одинаковой амплитудой. Протокол V.22bis является стандартом де-факто для всех среднескоростных модемов. Протокол V.32 - дуплексный протокол с эхо-компенсацией и квадратурной амплитудной модуляцией или модуляцией с решетчатым кодированием. Частота несущего сигнала равна 1800 Гц, модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы двухпозиционной (бит), четырехпозиционной (дибит) и 16-позиционной (квадробит) QAM. Соответственно, информационная скорость может быть 2400,4800 и 9600 бит/с. Кроме того, для скорости 9600 бит/с имеет место альтернативная модуляция - 3 2-позиционная с применением треллис-кодиро- вания (32-ТСМ). Полоса частот, занимаемая сигналом, составляет от 600 до 3000 Гц. Реализация сигнально-кодовой конструкции 32-ТСМ связана с внесением одного избыточного бита в расчете на один сигнальный отсчет. В результате этого каждый сигнальный отсчет S бит информации. Скорость передачи остается равной 9600 бит/с за счет того, что число возможных сигнальных позиций увеличено ровно в 2 раза и стало равным 32. Такой режим работы позволяет значительно повысить помехоустойчивость передачи. Протокол V.32bis. Протокол модуляции V.32bis разработан для обеспечения передачи данных со скоростью до 14400 бит/с по двухпроводным коммутируемым и выделенным телефонным каналам. Это дуплексный протокол с эхокомпенсацией и модуляцией ТСМ. Используются те же, что в V.32, частота несущего сигнала - 1800 Гц, модуляционная скорость - 2400 бод и полоса частот сигнала - 600...3000 Гц. Имеет режимы 16-ТСМ, 32-ТСМ, 64-ТСМ и 128- ТСМ. Соответственно, информационная скорость может быть 7200,9600,12000 и 14400 бит/с. Скорость передачи без треллис-кодирования - 4800 бит/с. Совместим с V.32 на скоростях 4800 и 9600 бит/с. Режим асимметрической передачи не под держивается, т. е. скорость передачи и приема каждого взаимодействующего модема должны быть одинаковы. Согласно протоколу V.32bis модемы должны иметь два самосинхронизирующихся скрэмблера. В каждом направлении передачи используется свой скрэмблер. Вызывающий модем использует скрэмблер с образующим полиномом + дг18 + дг23, а отвечающий скремблер с образующим полиномом + дг5 + дг23. Протокол V.34. Рекомендация V.34 регламентирует процедуры передачи данных по коммутируемым телефонным каналам со скоростями до 28800 биг/с. Скорость передачи данных выбирается из множества допустимых значений в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с с шагом 2400 бит/с. Таким образом возможен выбор 12 значений, а также изменение скорости передач в процессе сеанса связи. В отличие от более ранних протоколов, скорость модуляции не является фиксированной величиной. Рекомендация предусматривает шесть скоростей модуляции, равных 2400,2743,2800, 3000, 3200 и 3429 символов в секунду. В Рекомендации V.34 вместо единицы измерения скорости модуляции «бод» введено понятие «символ в секунду». Для повышения скорости передачи необходимо выбирать большее значение скорости модуляции. Однако для полосы пропускания стандартного телефонного канала 3100 Гц две последние модуляционные скорости являются неприемлемыми. Тем не менее, работа на таких скоростях возможна благодаря не идеальности характеристик фильтров каналообразующей аппаратуры. При введении таких «запредельных» скоростей была учтена тенденция увеличения в коммутируемой телефонной сети общего пользования (КТСОП) доли систем передачи с ИКМ, в которых реальная полоса пропускания телефонного канала может достигать 3500 Гц. Кроме того, при установлении соединения через КТСОП в пределах города канал связи чаще всего представляет собой соединение нескольких физических (кабельных) линий. Такой канал при наличии специальных средств частотной коррекции также может обеспечить передачу сигнала с более широким спектром. Для канала, не позволяющего расширить стандартную полосу пропускания, максимально допустимой символьной скоростью является значение 3000 символов в 1 с. В отличие от протокола V.32 , в V.34 увеличена размерность кодируемого информационного элемента многопозиционной QAM с треллис-кодированием. В предыдущих протоколах QAM информационный элемент был двумерным, так как значение элемента характеризовалось амплитудой и фазой сигнала. Рекомендация V.34 предусматривает для описания информационного элемента использование третьего параметра - времени, который порождает еще два измерения информационного элемента. Таким образом, в четырехмерном пространстве каждый информационный элемент (сигнальная точка) имеет четыре координаты и передается за два символьных интервала. В этом случае каждый кодируемый элемент включает в себя два последовательно передаваемых символа, представляющих собой сигналы, промодулированные по амплитуде и фазе. В самой Рекомендации V.34 представлено 50 различных сигнальных диаграмм (созвездий), которые обеспечивают работу на всех скоростях. Переход к четырехмерным сигнальным кодовым конструкциям позволил существенно увеличить общее число сигнальных точек, что, в свою очередь, повысило скорость без ухудшения помехоустойчивости. При формировании позиционного номера сигнальной точки, как и ранее, применяют лишь один избыточный бит решетчатого кодера. В V.34 сделан шаг вперед и в области треллис-кодирования. Здесь использован сверточный код на 16,32,64 состояния, что позволяет повысить помехоустойчивость всей системы сигналов за счет увеличения свободного евклидового пространства между соседними путями на решетчатой диаграмме. Однако это приводит к увеличению задержки на принятие решения и к повышению требований к объему памяти и вычислительной мощности процессора модема. Значение частоты несущей согласно V.34 не фиксированно, оно выбирается из ряда: 1600,1646,1680,1800,1829,1867,1920,1959,2000 Гц. Большое число возможных значений скорости модуляции, скорости передачи и несущей частоты представляет модему возможность использовать имеющуюся полосу частот с максимальной эффективностью. Нововведение протокола V.34 в области организации дуплексной связи заключается в его асимметричности по многим параметрам. Передача данных между двумя модемами V.34 может осуществляться не только с разными скоростями, но и на разных частотах с использованием различных сигнальных диаграмм. В стандарте также предусмотрен режим полудуплексной передачи, которая предполагает взаимодействие модемов без схем эхокомпенсации. В предыдущих поколениях протоколов адаптивная подстройка под конкретные характеристики канала осуществлялась исключительно на приемной стороне. В V.34 идея адаптации носит глобальный характер. При QAM с большим сигнальным пространством диапазон возможных амплитуд сигналов довольно велик. Из-за этого может возникнуть статистическая зависимость между передаваемой информацией и уровнем сигнала на выходе. Что может повлечь за собой ситуации, при которых выходной сигнал будет иметь малую амплитуду в течение длительного времени. В таких ситуациях возможны сбои декодера и потеря сигнала на приемной стороне. Также возможно формирование сигнала с большим пик-фактором (отношение пикового значения мощности к среднему значению), что приводит к ухудшению общих характеристик системы (увеличивает уровень взаимных и нелинейных искажений). Для решения этой проблемы Рекомендация V.34 предлагает специальное предкодирование, в котором двумерное созвездие разбивается на концентрические кольца, содержащие равные количества сигнальных точек с близкой или одинаковой амплитудой. В передающую часть модема V.34 введен генератор колец, способствующий синтезу требуемой формы выходного сигнала. Протокол V.34 обеспечивает амплитудно-фазовую предкоррекцию сигнала передатчика для устранения межсимвольной интерференции. Эта предкоррекция позволяет получить выигрыш более 3,5 дБ по сравнению с линейной коррекцией, применяемой в протоколе V.32. Предварительное искажение на передающей стороне вводится с помощью специального цифрового фильтра, значения коэффициентов фильтрации передаются от удаленного модема на этапе вхождения в связь. В результате этой процедуры передаваемый сигнал приобретает искажения, компенсирующие те, которые он получил при прохождении по каналу. Это существенно облегчает работу адаптивного эквалайзера на приемной стороне. Дополнительно в протокол заложена возможность выбора одного из 11 заранее заданных шаблонов для спектра передатчика. Такие шаблоны предусматривают подъем высокочастотных составляющих спектра, что компенсирует искажения, вносимые абонентскими и соединительными линиями. В протоколе V.34 впервые используется иерархическая кадровая структура на физическом уровне. Сигнальные кадры, состоящие из 4 четырехмерных информационных элементов (8 символов), объединяются в кадры данных, которые, в свою очередь, составляют суперкадр. В систему введены средства для под держания синхронизации по кадрам благодаря чему суперкадр имеет фиксированную длительность 280 мс. Широкие возможности адаптации предусмотрены и на этапе вхождения в связь. Процедура вхождения в связь состоит их четырех фаз. На первой фазе модемы выбирают наивысший протокол серии V, реализованный в обоих модемах. На этом этапе соединение устанавливается согласно Рекомендациям V.25 и V.8 . Если оба модема поддерживают протокол V.34, то они переходят ко второй фазе, в ходе которой классифицируется канал связи. На 3- и 4-й фазах происходит обучение адаптивного эквалайзера, эхокомпенсатора и других систем модема. После установления соединения осуществляется процедура адаптации к каналу связи - передатчик модема посылает в линию специальный тестовый сигнал, представляющий собой последовательность из 21 гармонического колебания разных частот в диапазоне от 150 до 3750 Гц. Приемник удаленного модема, принимая этот сигнал, рассчитывает частотную характеристику канала связи, степень нелинейных искажений, сдвиг частот и ряд других характеристик канала. Затем выбирается номинальная скорость модуляции, значение несущей частоты, уровень передачи, номер шаблона и коэффициенты предкорректора, скорость передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип сигнально-кодовой конструкции и другая информация о желаемой конфигурации удаленного передатчика. Такая же процедура выполняется и в противоположном направлении. Затем оба модема обмениваются этими установками. Для этого используют протоколы V.22 (600 бит/с) и V.42. Рекомендация V.34 реализует системный подход к решению проблемы помехоустойчивости. Поэтому модем V.34 может работать с большей скоростью, чем другие на каналах такого же качества. В 1996 г. введена поправка к стандарту V.34, предусматривающая возможность передачи данных со скоростью 33,6 кбит/с. Модемы, поддерживающие такую скорость, часто называют модемами V.34+ или V.34bis. Протокол V.23. Это полудуплексный протокол с частотной модуляцией FSK. В нем имеется два скоростных режима: 600 и 1200 биг/с. Модуляционная и информационная скорости соответственно равны 600 и 1200 бод. В обоих режимах 1 передается частотой 1300 Гц. В режиме 600 бит/с 0 передается частотой 1700 Гц, а в режиме 1200 бит/с - частотой 2100 Гц. Реализация протокола опционально может включать обратный канал, работающий на скорости 75 бит/с, что превращает протокол в асимметричный дуплексный. Частота передачи 1 в обратном канале - 390 Гц, 0 - 450 Гц. Этот протокол практически не употребляют в качестве стандартного протокола модемной связи, и далеко не всякий стандартный модем им оснащен. Однако он служил и до сих пор остается базовым для реализации нестандартных модемов, получивших широкое распространение в нашей стране (типа LEXAND). Видимо, благодаря простоте, высокой помехоустойчивости и приличной (по сравнению с V.21) скорости. Кроме того, в ряде европейских стран этот протокол используют в информационной системе Videotex. Протоколы V.26, V.26bis, V.26ter. Эти три протокола объединяет тип модуляции (DPSK), частота несущей (1800 Гц) и модуляционная скорость (1200 бод). Разница между ними заключается в возможности и способах обеспечения дуплексной связи и в информационной скорости. Протокол V.26 обеспечивает дуплекс только по четырехпроводной выделенной линии. Протокол V.26bis - это полудуплексный протокол, предназначенный для работы по двухпроводной коммутируемой линии, a V.26ter обеспечивает полный дуплекс с помощью технологии эхо-компенсации. Кроме того, первые два протокола могут быть асимметричными дуплексными, опционально включая обратный канал, работающий на скорости 75 бит/с в соответствии с V.23. Все три протокола обеспечивают скорость передачи информации 2400 бит/с посредством четырехпозиционной (дибит) DPSK. V.26bis и V.26ter, кроме того, они имеют режим двухпозиционной (бит) DPSK, обеспечивая скорость 1200 бит/с. Протокол V.33. В этом протоколе используется модуляция с решетчатым кодированием ТСМ. Он предназначен для обеспечения дуплексной связи на четырехпроводных выделенных каналах, имеет частоту несущего сигнала 1800 Гц и модуляционную скорость 2400 бод. Работает в режимах 64-ТСМ и 128- ТСМ. Соответственно, информационная скорость равна 12000 и 14400 бит/с. Этот протокол очень напоминает V.32bis без эхо-компенсации. Более того, если модем с протоколом V.33 установить на четырехпроводное окончание до дифференциальной системы АТС, то он вполне сможет связаться с удаленным модемом V.32bis, установленным на двухпроводной линии. Нестандартные протоколы. ZyX. Протокол разработан фирмой ZyXEL CoMMunications Corporation и реализован в собственных модемах. Он также, как и V.32ter, расширяет V.32bis значениями информационных скоростей 16800 и 19200 бит/с с сохранением технологии эхо-компенсации, модуляции с трел- лис-кодированием и несущей 1800 Гц. Модуляционная скорость 2400 бод сохраняется лишь для 16800 бит/с. Скорость 19200 бит/с обеспечивается повышением модуляционной скорости до 2743 бод при сохранении режима модуляции 256-ТСМ для обеих скоростей. Такое решение позволяет снизить требование к отношению сигнал/шум на линии на 2,4 дБ, однако расширение полосы пропускания может негативно сказываться при больших искажениях амплитудно-частотной характеристики канала. HST. Протокол HST (High Speed Technology) разработан фирмой U.S.Robotics и реализован в модемах фирмы серии Courier и World Port. Это - асимметричный дуплексный протокол с частотным разделением каналов. Обратный канал работает в режимах 300 и 450 бит/с; основной канал - 4800,7200,9600,12000, 14400 и 16800 бит/с. Последняя версия этого протокола поддерживает скорости до 21600 биг/с. Протокол HST характеризуется сравнительной простотой, высокой помехоустойчивостью вследствие отсутствия необходимости в эхокомпенсации и отсутствия взаимовлияния каналов. Благодаря этому модемы с HST иногда показывают даже лучшие результаты, чем устройства с V.34. Отличительной особенностью HST, обусловливающей его высокую устойчивость является несимметричность. При передаче данных скорости передатчика и приемника не совпадают. Модем передает данные на скорости 16800 бит/с в одну сторону и на скорости 450 бит/с - в другую, автоматически переключая направление скоростного канала в зависимости от количества передаваемых данных. Все скоростные двунаправленные протоколы передачи данных (V.32, V.32bis и др.) при значительных сбоях в линии вынуждены затрачивать длительное время (около 6...8 с) на подстройку параметров (в основном параметров эхокомпенсации), необходимой для двунаправленной передачи данных (эта операция называется ретрейн - retrain). Протокол HST требует значительно меньше времени для выполнения этой операции - порядка 0,5 с, благодаря чему существенно повышается скорость и надежность работы при частых помехах в линии. К сожалению, на линиях со слабыми, но постоянными помехами, когда из-за ошибок модем вынужден постоянно передавать большие объемы данных повторно, скорость передачи данных может оказаться ниже, чем на двунаправленных протоколах (без снижения надежности работы). Это вызвано тем, что из-за низкой пропускной способности обратного канала на HST, данные передаются большими по сравнению с V.32 блоками (это снижает объем служебной информации, передаваемой по низкоскоростному каналу, но увеличивает объем повторно передаваемых данных). На таких линиях может оказаться целесообразным использовать двунаправленные протоколы вместо HST. При работе с некоторыми коммуникационными пакетами, передающими файлы одновременно в две стороны, несимметричность HST может вызвать сбои в работе программы (из-за очень медленной передачи данных в одном направлении), кроме того такой режим работы вызывает частые неоправданных переключения направления каналов, что сильно снижает скорость. PEP, TurboPEP. Полудуплексные протоколы семейства PEP (Packetized Ensemble Protocol) разработаны фирмой Telebit и реализованы в модемах фирмы серий TrailBlazer (PEP) и WorldBlazer (TurboPEP). В этих протоколах принципиально иным образом используется вся полоса пропускания канала тональной частоты для высокоскоростной передачи данных. Весь канал разбивается на множество узкополосных частотных подканалов, по каждому из которых независимо передается своя порция бит из общего потока информации. Такого рода протоколы называют многоканальными, или параллельными, или протоколами с множеством несущих (multicarrier). В протоколе РЕР канал разбивается на 511 подканалов. В каждом подканале шириной около 6 Гц с модуляционной скоростью от 2 до 6 бод с помощью квадратурной амплитудной модуляции кодируются от 2 до 6 бит на бод. Предусмотрено несколько степеней свободы для обеспечения максимальной пропускной способности каждого конкретного канала, имеющего свои характеристики. В процессе установки соединения каждый частотный подканал независимо тестируется и определяется возможность его использования, а также параметры: модуляционная скорость подканала и число позиций модуляции. Максимальная скорость передачи по протоколу РЕР составляет 19200 бит/с. В процессе сеанса при ухудшении качества телефонного канала параметры подканалов могут меняться, а некоторые подканалы отключаться. При этом декремент понижения скорости не превышает 100 биг/с. Протокол TurboPEP за счет увеличения числа подканалов, а также количества кодируемых на одном бодовом интервале бит, может достигать скорости 23000 бит/с. Кроме того, в протоколе TurboPEP применяется модуляция с треллис- кодированием, что увеличивает помехоустойчивость протокола. Основными преимуществами протоколов РЕР и TurboPEP является слабая чувствительность к искажениям АЧХ канала и значительно меньшая чувствительность к импульсным помехам по сравнению с традиционными протоколами. Если первое не вызывает вопросов, то в части импульсных помех необходимы некоторые комментарии. Дело в том, что хотя импульсная помеха практически перекрывает всю ширину спектра, т. е. по всем подканалам, но в связи со значительно большей длительностью сигнала по сравнению с традиционными протоколами (6 бод против 2400), искаженная помехой доля сигнала много меньше, что разрешает в ряде случаев безошибочно его демодулиро- вать. Многоканальные протоколы позволяют успешно работать даже на линиях, где установлены режекторные фильтры, ограничивающие использование телефонных каналов для передачи данных с помощью стандартных модемов. К56-технология (56KJlex,x2, V.90). Модемы всех стандартов, включая V.34, разрабатывались с учетом того, что в КТСОП установлено как аналоговое, так и цифровое оборудование, соединенное между собой цифровыми и аналоговыми линиями. Таким образом, во время путешествия от передающего к приемному модему сигнал подвергается многочисленным преобразованиям из аналоговой формы в цифровую и обратно, а также влиянию различных помех на аналоговых участках пути. Все эти преобразования не позволяют обеспечить величину отношения полезного сигнала к шумам выше 30...35 дБ. В соответствии с законом Шеннона-Хартли теоретически возможная скорость по стандартному аналоговому или смешанному телефонному каналу с таким отношением сигнал/шум будет не выше 35 кбит/с. В 1998 г. ITU-T принял стандарт V.90, который является компромиссным решением двух конкурирующих технологий модемного соединения на скорости 56 кбит/с - технологии х2 фирм US Robotics и 3Com, и технологии 56Kflex фирм Lucent и Rockwell. Протокол V.90 стал единым стандартом для всех производителей и включает в себя лучшие технические решения обоих конкурирующих протоколов. К56-технология служит своеобразным мостом между современными КТСОП и полностью цифровыми сетями, например ISDN. Она обеспечивает увеличение скорости получения данных без дополнительных капиталовложений на организацию цифровых абонентских линий. С ее помощью пользователи Internet могут значительно быстрее загружать на свой компьютер графические Web-страницы, аудио- и видеофайлы, т. е. данные, для транспортировки которых в случае применения модемов стандарта V.34 требуется продолжительное время. Технология передачи информации на скорости 56 кбит/с несколько отличается от технологии, применяемой в модемах со скоростями 33,6 кбит/с и ниже. При традиционном способе передачи информация, представленная в компьютере в цифровом виде, с помощью модема преобразуется в аналоговый сигнал, который проходит через аналоговую телефонную линию на телефонную станцию. На телефонной станции аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и передается по оптоволоконному каналу в уплотненном виде на другую станцию, где он разворачивается и вновь преобразуется в аналоговую форму. Затем по аналоговой линии сигнал абонента передается к другому модему, преобразующему полученный сигнал в цифровую форму и передающему полученную информацию в компьютер. В итоге получается, что данные на пути к месту назначения проходят два цифро-аналоговых и два аналого-цифровых преобразования (рис. 2.25). |
Аналоговая информация из модема преобразуется в цифровую форму, чтобы ее можно было передать через цифровые каналы городской телефонной сети. Входящий в АЦП аналоговый поток квантуется с частотой 8000 раз в 1 с и каждый раз амплитуда сигнала записывается как ИКМ-код. Цифровой поток, отправленный через городскую телефонную сеть, восстанавливается на другом конце приблизительно в виде исходного аналогового сигнала. Разница между оригинальным и восстановленным сигналом называется шумом квантования и ограничивает скорость модема примерно до 35 кбит/с. Но шум квантования имеет место только при аналого-цифровых преобразованиях и не сказывается •на цифро-аналоговых. Это и является ключом к К56-технологии: если не будет аналого-цифровых преобразований между серверным модемом и городской телефонной сетью, то отправленный цифровой сигнал дойдет до модема на стороне клиента, без каких-либо потерь. Внутри модемов преобразование из аналогового сигнала в цифровой происходит практически без появления шумов, так как в модемах применяют АЦП с большей разрядностью, чем на телефонной станции, и значения младших «шумящих» битов отбрасываются. При достижении определенного порога (называемого порогом Шеннона) соотношение сигнал/шум становится слишком низким для качественной передачи данных.
Рис. 2.26. Подключение модема V.90 к сети с одним АЦП |
К56-технология предназначена для телефонных сетей общего пользования, в которых остался аналоговым только небольшой абонентский участок - от местной АТС до квартиры пользователя. Вся же транспортная сеть, оборудование АТС, узлов провайдеров Internet и крупных компаний, а также линии связи, соединяющие эти узлы с ближайшими АТС, должны быть полностью цифровыми (рис. 2.26). В этой технологии используют модемы V.90 двух типов: серверные и клиентские, которые в полном смысле слова не являются модемами. Для их обозначения используют термин «ИКМ-модем». Серверные модемы устанавливают у провайдеров, и они образуют модемный пул этих провайдеров. Клиентские модемы устанавливают на рабочих местах пользователей. При этом, если качество абонентской линии обеспечивает установление связи по скоростному протоколу (в частности, ее длина не должна превышать 3 км), то передача нисходящего трафика (в направлении пользователя) осуществляется следующим образом. Восьмизначные ИКМ-коды, используемые в цифровой части телефонной сети, передаются по цифровой сети до ближайшей к пользователю АТС. ЦАП последней генерирует в аналоговой абонентской линии напряжение, которое изменяется в соответствии с уровнем квантования. Главная сложность для клиентского модема заключается в необходимости восстановить из принятого сигнала ИКМ-коды, соответствующие каждому уровню напряжения, с частотой 8000 Гц. Серверный модем подключается по цифровому каналу к цифровой КТСОП. Для кодирования сигналов серверного модема используются только те 256 кодов ИКМ, которые имеют место в цифровой части телефонной сети. Другими словами, отсутствует шум квантования, связанный с аналого-цифровым преобразованием. Эти ИКМ-коды преобразуются на АТС клиента в соответствующие аналоговые напряжения и отсылаются на клиентский модем по аналоговым линиям без потерь информации. Клиент принимает сигнал и восстанавливает исходные ИКМ-коды из аналогового сигнала. К56-технология образует асимметричное соединение. Клиентский модем может принимать данные с большей скоростью, чем передавать их, так как при преобразованиях цифра-аналог информация не теряется. При посылке данных клиентским модемом (исходящий трафик), сигнал претерпевает преобразование аналог-цифра. Теоретически технология ИКМ-модемов способна обеспечить скорость 64 кбит/с (передачу за каждую секунду 8000 символов по 8 бит в каждом), однако на практике такого быстродействия добиться невозможно по двум основным причинам: 1) первоначально в системах уплотнения использовались 8-битные АЦП/ЦАП, что при передаче сигнала, кодированного 256 уровнями (8 бит), приводило к появлению шума в последнем бите. Впоследствии появилась аппаратура уплотнения, в которой применяли АЦП/ЦАП большей разрядности, но использовали только 8 старших бит. Это позволило избежать появления шума в младшем бите, но кое-где осталась аппаратура старого образца, поэтому надеяться на исчезновение шума не приходилось; 2) из-за того, что при разговоре по телефонной линии сигнал значительно меняет амплитуду (можно говорить шепотом, а можно кричать), для корректной передачи тихих звуков на входе аппаратуры уплотнения применяют нелинейное преобразование, а на выходе - обратное ему, что вызывает дополнительные шумы из-за неточности преобразований. В результате этого было принято решение не использовать младший бит для передачи данных. Из-за этого теоретически возможная скорость соединения снизилась до 56 кбит/с. На самом деле и эта скорость практически не достижима, так как при работе на скорости 56 кбит/с пиковая мощность сигнала от модема провайдера превышает стандарты для телефонных линий. Модемы с таким превышением не допускают к использованию. Из-за снижения пиковой мощности сигнала до допустимых пределов максимальная скорость соединения снизилась до 53 кбит/с. Следовательно 56К-технологии не обеспечивают ожидаемое увеличение производительности по отношению к модемам 33,6 кбит/с. В процессе установления связи серверный и клиентский модем «договариваются» между собой о количестве распознаваемых уровней напряжения при текущем состоянии абонентской линии. Скорость соединения по протоколу V.90 устанавливается от 32 до 56 кбит/с с шагом по 2 кбит/с. Таким образом, К56-технология требует выполнения следующих условий: • наличие цифрового канала в одном конце соединения, т. е. один конец соединения должен оканчиваться на магистральную цифровую линию (trunk-side Tl, ISDN PRI или ISDN BRI). Локальные цифровые линии (line-side Т1) не будут давать нужных результатов, так как на них будут иметь место дополнительные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования. В магистральных каналах сигнал преобразовывается лишь однажды, а после этого свободно достигает по цифровым каналам серверного модема; • протокол V.90 должен поддерживаться модемами на обоих концах соединения: у клиента и на сервере провайдера; • на пути от клиентского модема до серверного может быть только одно аналого-цифровое преобразование. В табл. 2.5 показано, по какому протоколу взаимодействуют модемы различных технологий.
Таблица 2.5. Совместимость модемов |
Технологии мобильной связи Технология передачи данных по радиоканалу появилась довольно давно. По сравнению с технологией передачи данных по коммутируемым или выделенным каналам она имеет как преимущества, так и недостатки. Сети с использованием радиомодемов могут быть развернуты практически в любом географическом регионе. Радиус их действия составляет от десятков до сотен километров - в зависимости от мощности используемого приемопередатчика. Радиомодемы во многом похожи на обычные модемы для телефонных каналов. Основное отличие состоит в том, что они работают в канале множественного доступа (в данном случае единый радиоканал со многими пользователями), тогда как обычные проводные модемы - в канале типа «точка-точка». Алгоритмы работы сетей, использующих пакетные радиомодемы, описаны Рекомендацией АХ.25. Стандарт АХ.25 устанавливает единый и обязательный для всех пользователей протокол обмена данными в пакетной радиосети. Он представляет собой специально переработанную для пакетных радиосетей версию стандарта Х.25. В пакетных радиосетях используется канал множественного доступа. Протокол обмена АХ.25 обеспечивает множественный доступ в канал связи с контролем занятости. Все пользователи сети считаются равноправными. Прежде чем начать передачу, радиомодем проверяет, свободен ли канал. В противном случае передача данных откладывается до освобождения канала. Одновременно с передачей данных радиомодем вырабатывает специальный сигнал, оповещающий остальные радиомодемы сети, что линия занята. При пакетной связи информация передается в виде отдельных блоков данных - кадров. Формат кадров стандарта АХ.25, в основном, соответствует формату кадров протокола HDLC (High-level Data Link Control). Кадры бывают двух видов - служебные и информационные. Начало и конец кадра отмечаются флагами. Обычно поле флагов имеет вид - 01111110. Следующее поле, ADDRESS, содержит адреса отправителя, получателя, а также адреса станций-ретрансляторов, если таковые имеются. Как правило, станции-ретрансляторы используют при передаче на очень большие расстояния. Размер ADDRESS не должен превышать 70 байт. Поле CONT определяет вид кадра - служебный или информационный. Служебные кадры делятся на супервизорные и ненумерованные. Супервизор- ные кадры служат для подтверждения приема неискаженных кадров и запроса повторной передачи искаженных, а ненумерованные - для установления логического соединения при управлении обменом в сети. Информационные кадры содержат в себе передаваемую информацию, находящуюся в поле INFORM. Размер его, как правило, не больше 256 байт (с увеличением размера сильно повышается вероятность ошибок при передаче). Поле CRC служит для обнаружения ошибок. Его размер зависит от разрядности CRC, например, для CRC-16 размер поля составляет 2 байт. Как правило, радиомодем представляет собой прямоугольный ящик, внешне очень напоминающий видеомагнитофон. На передней панели находится дисплей и кнопки управления, благодаря чему управлять работой радиомодема можно «вручную». Его вес варьируется от 1 до 5 кг. Пакетный радиомодем состоит из модема и пакетного контроллера TNC (Terminal Node Controller). Именно TNC выполняет основные функции, такие, как форматирование кадров и доступ к радиоканалу множественного доступа, кодирование и т.д. В общем случае станция в пакетной радиосети включает компьютер, радиомодем и радиостанцию КВ- или УКВ-диапазона. Однако на практике возможны вариации. Например, учитывая, что TNC - высокоинтеллектуальное устройство, вместо компьютера можно использовать простой терминал. Кроме того, радиомодемы могут соединять сегменты сети, построенные на основе кабеля. При работе в диапазоне коротких волн используется частотная модуляция в полосе частот телефонных каналов КТСОП. При этом перепад частот всегда равен 200 Гц. В Европе обычно используется частота 1850 Гц для передачи «0» и 1650 Гц для передачи «1». Скорость передачи при использовании КВ невелика и, как правило, не превышает 300 бит/с. В УКВ-диапазоне можно достичь намного больших скоростей. Перепад поднесущих частот здесь равен 1000 Гц, «0» соответствует частота 1200 Гц, а «1» - 2300 Гц. При использовании относительной фазовой модуляции скорость передачи может достигать 19200 бит/с. Портативный ПК пользователя оснащают пакетным радиомодемом, который разбивает поток данных на небольшие цифровые пакеты. Радиомодем связывается с радиосетью, а поставщик услуг обеспечивает передачу этих пакетов по назначению. На противоположном конце канала другой пакетный радиомодем принимает пакеты и передает их программному обеспечению ПК. Доступная цена средств пакетной радиосвязи - это одно из наиболее привлекательных достоинств данной технологии. Пакетная радиосвязь обладает рядом преимуществ. Во-первых, нет необходимости в каналах связи, создание радиосети актуально при отсутствии развитой инфраструктуры связи; во-вторых, пакетные радиосети имеют неплохую масштабируемость и гибкость (расположение станций может постоянно меняться), и в-третьих, исключается возможность любых «обрывов на линии». Пакетные радиосистемы оптимальны для небольших объемов передаваемой информации (передача документов, справок, выписок). Денежные средства и время, необходимые для создания пакетных радиосетей, как правило, намного меньше, чем для обычных кабельных сетей. Рассматриваемая технология практически избавляет пользователя от забот по обеспечению информационной безопасности, поскольку поставщик услуг может обеспечить шифрование данных, используя алгоритмы различных типов. Однако для достижения наибольшей безопасности необходимо, чтобы приложение пользователя само шифровало данные, например, по технологии с открытым ключом. Пакетная радиосвязь имеет и недостатки. Наиболее значимые - малая скорость передачи данных, отсутствие общепринятых стандартов и сложность эксплуатации (подключение TNC к компьютеру и к радиостанции с последующим конфигурированием). Данные передаются на скорости от 4,8 до 19,2 кбит/с,но верхнего ее предела можно достичь не во всех регионах, в которых действуют системы, реализующие эту технологию. Отсутствие же общепринятых стандартов привело к тому, что различные поставщики услуг применяют разные протоколы передачи данных, а в результате их коммуникационные инфраструктуры становятся частично или полностью несовместимыми. В большинстве случаев, чтобы использовать службы другого поставщика, пакетный радиомодем надо заменять. Технология пакетной радиосвязи наилучшим образом подходит для приложений электронной почты или быстрых операций, например таких, как транзакции с кредитными карточками. Поскольку пакетная радиосвязь не обеспечивает прямого канала по схеме «точка-точка», то для передачи файлов она неэффективна. Еще одним ее недостатком является поддержка весьма ограниченного числа коммуникационных средств прикладного уровня. Сотовая связь с коммутацией каналов использует существующие аналоговые сотовые сети, только в отличие от пакетной коммутации в ней вместо коммутации пакетов данных используется обычная коммутация каналов сотовой сети. Для передачи данных пользователь подключает сотовый модем к своему ПК и сотовому телефону, поддерживающему передачу данных, и устанавливает коммутируемое соединение точно так же, как при работе с аналоговым модемом. У сотовых модемов много общего со стандартными портативными модемами: они выпускаются как в стандарте на средства расширения портативных ПК {PCMCIA), так и для внешнего подключения и могут устанавливать соединения при помощи обычных аналоговых телефонных линий. Существенным свойством сотового модема является его способность выйти за рамки передачи по кабельным линиям, формируя и поддерживая качественные соединения в сотовой сети. Это осуществляется за счет поддержки протокола исправления ошибок сотовой связи, например ETC (Enhanced Throughput Cellular) компании AT&T Paradyne или MNP (Microcom Network Protocol) - 10 фирмы Microcom, управляющего передачей сигналов в сотовой среде. Сотовая связь с коммутацией каналов - довольно медленный вид связи: данные передаются на скоростях до 14,4 кбит/с и лишь в отдельных зонах обслуживания скорость увеличивается до 20 кбит/с. В крупных городах и при удалении от базовой станции скорость передачи может снижаться. 2.4.