<<
>>

Технологии передачи данных по телефонным каналам связи

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.

<< | >>
Источник: В .А. Галкин, Ю .А. Григорьев. Телекоммуникации и сети. 2003

Еще по теме Технологии передачи данных по телефонным каналам связи:

  1. О КАНАЛАХ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
  2. 2.2.1. Энергетические каналы (меридианы) и межканальные связи
  3. ПЕРЕДАЧА, ПРОГРАММА, КАНАЛ
  4. Статья 163. Нарушение тайны переписки, телефонных переговоров, телеграфной либо иной корреспонденции, передаваемых средствами связи или через компьютер.
  5. 18.1. Особенности информационных правоотношений, возникающих при производстве, передаче и потреблении персональных данных
  6. § 29 Передача и переход прав по обязательствам. – Римская конструкция права передачи. – Облегчение передачи новейшим законодательством. – Передаточная надпись. – Ограничения передачи. – Действие передачи. – Ответственность передатчика и права приобретателя. – Вступление в право кредитора или суброгация. – Русский закон передачи. – Передача заемных писем. – Переход требований к кредиторам.
  7. Статья 47. Освобождение от уголовной ответственности в связи с передачей лица на поруки
  8. 9.13. Передне-срединный канал, VC (фр.), круглосуточно, канал "инь"
  9. 9.2. Канал толстой кишки, GI (франц.), 5-7 час., канал "ян"
  10. 9.6. Канал тонкой кишки, IG (фр.), 13-15 час., канал "ян"
  11. 9.4. Канал селезенки-поджелудочной железы, RP, 9-11 час., канал "ян"