Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5. Глобальные сети связи

359

деме применяется частотная модуляция, обеспечивающая довольно высокую

помехоустойчивость при минимальных затратах на аппаратную реализацию

устройства. Передача данных может вестись одновременно в двух направле-

ниях, для чего канал ТЧ разделяется на два подканала со средними частота-

ми 1080 и 1750 Гц. Отклонение частоты (девиация) от средней при передаче

логического 0 или 1 составляет  100 Гц. Распределение частот модема по-

казано на рисунке 5.5

Увеличение скорости передачи приводит к расширению спектра пере-

даваемых сигналов. Поэтому для передачи данных со скоростью 1200 бит/с

используется большая часть полосы коммутируемого канала связи, и пере-

дача данных может выполняться только полудуплексным способом.

Для асинхронной и синхронной передачи сигналов по коммутируемо-

му телефонному каналу в полудуплексном режиме МККТТ разработало ре-

комендацию V.23 по построению Модема-1200 (УПС-1.2 ТФ). В соответст-

вии с этой рекомендацией полоса телефонного канала разделяется на два

подканала: основной и вспомогательный (рисунок 5.6). Основной подканал

используется для передачи данных, а вспомогательный - для сигналов кви-

тирования. В основном и вспомогательных подканалах применяется частот-

ная модуляция. При передаче данных со скоростью 1200 бит/с средняя час-

тота сигнала выбрана равной 1700 Гц, а девиация  400 Гц. В случае ухуд-

шения условий передачи модем может быть переключен на пониженную

скорость 600 бит/с, при этом средняя частота снижается до 1500 Гц, а девиа-

ция – до  200 Гц. Скорость модуляции по вспомогательному подканалу ус-

тановлена 75 бод, а частоты для передачи 0 и 1 соответственно равны 390 и

450 Гц.

Дальнейшее повышение скорости передачи данных при неизменной

скорости модуляции может быть обеспечено за счет увеличения количества

значащих позиций модулированного сигнала. Это свойство используется в

модемах, выполненных согласно рекомендации V.22. Модем позволяет вести

дуплексную передачу по двухпроводному коммутируемому или выделенно-

Рисунок 5.5 – Схема распределения частот в подканалах УПС-0,3 ТФ

Компьютерные сети

360

му каналу тональной частоты со скоростью 1200 бит/с. Для этого телефон-

ный канал разделяется на два подканала с одинаковыми полосами пропуска-

ния. Передача по каждому из них осуществляется методом 4-х позиционной

фазоразностной модуляции (ФРМ) со скоростью 600 бод с несущими часто-

тами соответственно 1200 и 2400 Гц.

При 4-х позиционной модуляции последовательности битов, посту-

пающих от источника, объединяются по два (дибиты). Дибитам соответст-

вуют разности фаз двух соседних посылок сигнала, согласно фазовой диа-

грамме, изображенной на рисунке 5.7,а. На рисунке 5.7,б показана форма

сигнала на выходе передатчика УПС при использовании 4-х позиционной

фазоразностной модуляции.

Передача данных с такой скоростью может быть осуществлена только

при точной корректировке частотных характеристик канала связи, для чего в

модеме устанавливается автоматический адаптивный детектор.

Рекомендация V.22 bis регламентирует построение дуплексного мо-

дема с частотным разделения каналов и с применением квадратурной ампли-

тудной модуляции (КАМ) в каждом из подканалов. При этом используются

Рисунок 5.6

Схема распределения частот в подк

налах УПС

1,2 ТФ

Рисунок 5.7 – Векторные (а) и временные (б) диаграммы сигналов с ФРМ

Раздел 5. Глобальные сети связи

361

несущие частоты F

К1

=1,2 кГц и F

К2

=2,4 кГц. Скорость манипуляци в каждом

из подканалов В=600 бод. В схему модема введены дополнительно блоки

скремблера и дескремблера, и адаптивный корректор частотных характери-

стик линии связи. Скремблер, устанавливаемый на входе передатчика, осу-

ществляет преобразование поступающей от ООД информации в псевдослу-

чайную последовательность. Дескремблер производит на выходе приемника

обратное преобразование, восстанавливая исходную последовательность.

Скремблирование позволяет увеличить количество изменений значащих по-

зиций сигнала при передаче последовательностей, где эти изменения отсут-

ствуют. Операция скремблирования / дескремблирования осуществляется

делением на образующий полином последовательности, поступающей от ис-

точника на передающей стороне и с выхода демодулятора – на приемной.

Вид полинома задается стандартом согласно типу модема и скорости пере-

дачи.

В последующих разработках скорость передачи данных по двухпро-

водному каналу ТЧ в дуплексном режиме была повышена сначала до 2400

бит/с, а затем постепенно увеличена еще более чем на порядок. Повышение

скорости удалось поднять за счет увеличения позиций сигналов.

Рекомендация V.32 bis регламентирует параметры дуплексного мо-

дема с эхоподавлением и модуляцией с треллис-кодированием ТСМ (Trellis

coded modulation). Треллис-кодирование представляет собой комбинацию

фазоразностной модуляции с решетчатым кодированием и декодированием

по алгоритму Витерби (см. пп.2.6.4). Такой вид кодирования повышает по-

мехоустойчивость передачи данных, снижая требуемое отношение сиг-

нал/помеха на входе приемника на 3…6 дБ. Пространство сигналов расши-

ряется вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, обра-

зованного посредством сверточного кодирования над частью информацион-

ных битов. Расширенная таким образом группа подвергается АФМ. При де-

модуляции применяется алгоритм Витерби, с использованием критерия мак-

симального правдоподобия, позволяющий выбрать из сигнального простран-

ства наиболее достоверную эталонную точку за счет введения избыточности

и знания предыстории декодирования и тем самым определить значение ин-

формационных битов. Частота несущей в модеме F

= 1800 Гц, а скорость

модуляции 2400 бод. Имеются режимы 16-, 32-, 64- и 128-ТСМ. Соответст-

венно возможно обеспечение скорости 7,2 кбит/с, 9.6 кбит/с, 12 кбит/с и

14,4 кбит/с.

Рекомендация V.33 определяет исполнение дуплексного модема с ам-

плитудно-фазовой модуляцией и применением решетчатого кодирования.

Модем обеспечивает дуплексную передачу по 4-х проводному выделенному

каналу. Несущая частота F

=1,8 кГц, а скорость манипуляции B=2,4 кбод.

Используются режимы модуляции 64- и 128-ТСМ. Информационная ско-

Компьютерные сети

362

рость соответственно равняется 12 и 14,4 кбит/с.

Рекомендация V.34 регламентирует модем с передачей данных со

скоростями до 28,8 кбит/с. При этом достигается почти верхний предел, тео-

ретически допустимый для существующих телефонных линий. Основная

скорость модуляции составляет по прежнему 2400 бод. С использованием

встроенных алгоритмов компрессии модемы V.34 могут достигать эффек-

тивной скорости более 100 кбит/с. Отличительные особенности модема V.34

следующие:

 возможность выбора оптимальной несущей частоты в диапазоне

от1600 до 1959 Гц вместо фиксированной частоты 1800 Гц;

 применение 64-, 32- и 16-позиционного кода с решетчатым сверточ-

ным кодированием;

 использование новой формы линейной адаптивной коррекции - пред-

коррекция, которая оказывает влияние не только на принимаемый, но и на

передаваемый сигнал путем компенсации неравномерности АЧХ. Перед на-

чалом передачи осуществляется измерение АЧХ, для чего используется тест-

сигнал в диапазоне 150…3750 Гц. Затем производится коррекция частотных

характеристик;

 применение нелинейного кодирования, деформирущего расположение

внешних точек для достижения неоднородного распределения вероятности

ошибки, что повышает устойчивость к нелинейным искажениям.

Модемы V.34 являются мультистандартными (от V.21 до V.34) и под-

держивают более шести видов модуляции. Они являются совместимыми не

только с большинством дуплексных модемов, но и с факсимильными аппа-

ратами, оборудованием сжатия речи, работающим на цифровых (ИКМ) ка-

налах со скоростью 64 кбит/с, а также поддерживают видеотелефон.

В процессе установления соединения в соответствии с протоколом V.8

модем V.34 определяет список функциональных возможностей, являющихся

общими для него и удаленного модема другого типа. После этого тестирую-

щим сигналом определяются характеристики телефонного канала. Затем пе-

редатчик и приемник модемов начинают работать на минимальной скорости,

наращивая ее до максимально возможной. Вся процедура установления со-

единения и настройки модемов занимает до 5 секунд.

В модемах V.34 используется процедура помехозащитного кодирова-

ния V.42, а для сжатия данных предусмотрена процедура компрессии, осно-

ванная на алгоритме Лемпеля-Зива-Уелча (LZW) V.42 bis, которая работает в

паре с процедурой V.42. При определенных структурах сообщений коэффи-

циент компрессии может достигать 4, что при технической скорости переда-

чи 28,8 кбит/с обеспечивает эффективную скорость 115,2 кбит/с. Модем

V.34 реализует кроме 2400 бод и другие обязательные к применению моду-

ляционные скорости: 3000, 3200 бод и дополнительные скорости: 2743, 2800,

Раздел 5. Глобальные сети связи

363

3429 бод.

Рекомендация V.90 регламентирует построение модема для передачи

данных по каналам телефонной связи со скоростью до 56 кбит/с. Передача

данных по городской телефонной сети со скоростью 56 кбит/с возможна

только в случае, если районная ATC какого-либо Интернет-провайдера циф-

ровая и если телефонные каналы связи, соединяющие эту АТС с районной

АТС абонента сети, являются каналами ИКМ-системы с временным уплот-

нением (т.е. тоже цифровыми). Важнейшей особенностью технологии 56К

является прямое взаимодействие цифрового модема с цифровым окончанием

конкретного канала ИКМ-системы связи (минуя индивидуальный абонент-

ский кодек- ЦАП/АЦП). При этом, в обратном направлении связи в канале

нет ни одного АЦП (рисунок 5.8), и следовательно, ничто не порождает шум

квантования. За счет этого появилась реальная возможность увеличить ско-

рость передачи в этом направлении.

Использование модема V.90 позволяют абоненту телефонной сети "пе-

рекачивать" информацию с повышенной скоростью до 56 кбит/с входящий

поток (Downstream), отсылая свою информацию с “ привычной “ скоростью

не более 33,6 кбит/с (исходящий поток – Upstream). При этом, скорость до 56

кбит/с входящего потока обеспечивается только при обращении к провайде-

рам Интернет, которые имеют возможность и согласны применить специ-

альную аппаратуру и модемы, рассчитанные для работы в этой технологии, а

также специальный вид взаимодействия с их районными цифровыми АТС.

Для соединений же типа абонент-абонент по коммутируемой телефонной се-

Рисунок 5.8 – Схема передачи данных с модемами V.34 и V.90

Компьютерные сети

364

ти общего пользования технологии 56К непригодны и, следовательно, рабо-

та будет возможна только на "обычных" скоростях, т.е. не выше 33,6 кбит/с.

Рекомендация V.92 внесла несколько модификаций в модем V.90.

Устройство может передавать данные со скоростью 56 кбит/с на условиях,

оговоренных выше. В нем применяется новый протокол сжатия данных

V.44. В модем V.92 введены три новых процедуры, обеспечивающие допол-

нительные услуги пользователям.

Процедура MOH (Modem-on-Hold) — особенность, позволяющая

пользователю при поступления входящего звонка временно приостановить

обмен данными, не разрывая соединения, а по окончании разговора вернуть-

ся к приостановленной сессии. MOH рассчитана на длительность второго со-

единения в несколько минут, что уже вполне достаточно для нормального

разговора. К тому же клиент и сервер могут заранее задавать время, на кото-

рое линия на сервере будет установлена в состояние Hold, до того как сервер

посчитает это обрывом связи.

Процедура быстрого вызова QC (Quick Connect) позволяет умень-

шить время установки соединения в части измерения параметров линии свя-

зи. Типовой процесс соединения включат четыре стадии:

1) установление физического соединения путем дозвона клиентского

оборудования до серверного;

2) выполнение процедуры измерения параметров канала связи, выбор

оптимальной скорости соединения, компенсация неравномерности АЧХ ка-

нала, подавление эхосигналов аналоговой петли, компенсация прямой и об-

ратной задержки прохождения и пр.;

3) установка цифрового соединения с коррекцией ошибок по протоко-

лу V.42 и, наконец, соединение по протоколу PPP или SLIP.

Суммарное время всех этапов длится 25…30 секунд. Наибольшее вре-

мя занимает вторая стадия. Процедура быстрого вызова QC предусматривает

сохранение параметров настройки (аналоговых — АЧХ и характеристик по-

давления эхосигналов, а также цифровых — задержки прохождения сигнала

и т. п.) клиентского модема в энергонезависимой памяти при первом соеди-

нении с использованием процедуры тестирования канала по стандарту V.90.

При последующих соединениях клиентский модем загружает предыдущие

установки и тестирует только тональный ответ модема провайдера. Если ус-

ловия связи близки к предыдущим, то процесс тестирования канала пропус-

кается, если нет — снова выполняется стандартная процедура соединения

V.90.

Процедура V.PCM Upstream — увеличение скорости передачи данных

от пользователя к провайдеру до 48 кбит/с. При этом предполагается приме-

нение ИКМ в обоих каналах. В модеме V.92 применен новый алгоритм сжа-

тия данных по протоколу V.44, в связи с чем степень сжатия повышается в

Раздел 5. Глобальные сети связи

365

среднем на 26% по сравнению с протоколом V.42bis, который использовал-

ся в предыдущих версиях модемов.

Как уже отмечалось в начале текущего подраздела, современный мо-

дем представляет собой аппаратуру передачи данных, выполняющей кроме

переноса спектра сигналов данных в область полосы пропускания канала

также процедуры сжатия информации и защиты ее от ошибок. В современ-

ном модеме практически все процедуры кодирования, модуляции и коррек-

ции сигналов осуществляются программным способом на основе одного или

нескольких микропроцессоров.

Типовая структурная схема микропроцессорного модема изображена

на рисунке 5.9. В ее состав входит постоянное запоминающее устройство

(ROM) и энергонезависимая оперативная память с произвольным доступом

(NVRAM – Non-Volatile RAM). В постоянную память записывается фирмен-

ное программное обеспечение и интерпретатор команд. Энергонезависимая

память содержит буфер ввода/вывода (128…256 байт), а также хранит кон-

фигурационные профайлы модема, телефонные номера и т.д.

Процедуры коррекции, модуляции и демодуляции сигналов, синхрони-

зации по единичным элементам выполняет быстродействующий цифровой

сигнальный процессор. ПЗУ сигнального процессора выполняется либо на

кристалле процессора, или в виде микросхемы ОЗУ, в которую программа

обработки сигналов загружается из ПЗУ контроллера модема.

Входной сигнал проходит через полосовой фильтр (ПФ), усиливается

программно управляемой схемой усилителя с автоматической регулировкой

уровня и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В модемах

применяются 14…16-разрядные АЦП, а дискретизации сигналов осуществ-

ляется с частотой от 7,2 до 9,6 кГц. Преобразования выходных сигналов из

цифровой формы в аналоговую выполняет цифро-аналоговый преобразова-

тель (ЦАП), разрядность и частота дискретизации которого обычно совпада-

ет с аналогичными параметрами АЦП. Сглаживающий полосовой фильтр

формирует спектр выходного сигнала в соответствии с заданными требова-

ниями к линейному сигналу.

Дифференциальная система ДС выполняется часто на основе транс-

форматора со средней точкой (см. рисунок 2.8). В более дорогих модемах

разделение сигналов передачи и приема осуществляется сигнальным процес-

сором способом эхо-компенсации (рисунок 2.9). Линейный трансформатор

служит для гальванической развязки входных цепей модема с телефонной

линией и обеспечения входного сопротивления по переменному току, кото-

рое должно составлять 600 ±100 Ом.

Защита входной цепи модема со стороны линии связи осуществляется

путем параллельного включения варистора, сопротивление которого скачко-

образно уменьшается при напряжении свыше 200 В.

Компьютерные сети

366

Варистор, кроме того, обеспечивает входное сопротивление модема

по постоянному току, равное 300 Ом. Цепь по постоянному току нужна для

"удержания линии" коммутирующими элементами АТС на время сеанса свя-

зи ("снятия трубки"). Вторая ступень защиты реализуется подсоединением

встречно включенных стабилитронов параллельно вторичной обмотке ли-

нейного трансформатора (см. рисунок 2.8,б).

Передача сигналов установления соединения (набора номера) осуще-

ствляется традиционным способом путем замыкания и размыкания контак-

тами электромагнитного реле шлейфа абонентской линии связи.

Рисунок 5.9

–

Типовая структура микропроцессорного модема

Раздел 5. Глобальные сети связи

367

5.2.4. DSL-модемы в компьютерных сетях

Для обеспечения эффективной и качественной работы в сети Интернет

требуется пропускная способность канала порядка 1,5 Мбит/с. В то же время

передача данных по телефонному каналу связи, который используют подав-

ляющее большинство абонентов компьютерной сети, ограничивается поло-

сой пропускания канала и не может практически превысить 115 кбит/с (с

учетом стандартной процедуры сжатия). Причем, низкая пропускная спо-

собность всего тракта передачи определяется участком между абонентом и

узлом (провайдером) сети, так как между узлами (серверами) сети исполь-

зуются преимущественно высокоскоростные каналы связи. Проблема по-

следнего участка тракта передачи называется проблемой "последней мили".

Примечательным является то, что абонентская телефонная линия связи

между пользователем и узлом обладает достаточно широкой полосой про-

пускания, способной обеспечить передачу дискретных сигналов со скоро-

стью несколько мегабит в секунду на расстояние 3…15 км. Однако канало-

образующее оборудование телефонной сети общего пользования (ТФОП)

использует только часть пропускной способности линии для образования

канала ТЧ и ограничивает полосу пропускания телефонного канала на уров-

не 0,3…3,4 килогерц.

Суть технологии xDSL состоит в том, чтобы использовать физические

линии телефонной сети для передачи цифровых сигналов, обходя при этом

"узкое горлышко" – оборудование линейного тракта ТФОП. Технология DSL

(Digital Subscibe Line – цифровая абонентская линия) обеспечивает высоко-

скоростные сетевые соединения по обычным местным телефонным линиям

путем применения для передачи данных импульсов постоянного тока или

специальных методов модуляции сигналов данных. Достигаемые при этом

скорость и верность передачи ранее были доступны лишь на волоконно-

оптических линиях связи.

Технология xDSL предоставляет пользователям высокоскоростную

среду передачи данных между узлами сети по обычной медной телефонной

паре. Важной особенностью нового поколения абонентских DSL-устройств

является наличие в них встроенного дополнительного узла – частотного раз-

делителя, роль которого выполняет фильтр нижних частот (ФНЧ). Такой

узел обеспечивает передачу сигналов аналоговой телефонии в нижней части

полосы частот линии связи (рисунок 5.10).

Название xDSL – общее обозначение семейства технологий по созда-

нию цифровых абонентских линий. Имеется ряд разновидностей несовмес-

тимых между собой xDSL-технологий:

Компьютерные сети

368

 HDSL – высокоскоростная (High-bit-rate) DSL;

 SDSL – симметричная (Symmetric) DSL;

 ADSL – асимметричная (Asymmeric) DSL;

 RADSL – адаптивная по скорости абонентская линия (Rate-Adaptive)

DSL;

 UADSL – универсальная асимметричная (Universal Asymmetric) DSL;

 VDSL – сверхскоростная (Very bith-bit rate) DSL;

 IDSL – ISDN-цифровая абонентская линия.

Симметричная цифровая абонентская линия (SDSL) использует сим-

метричную технологию, при которой данные в обоих направлениях переда-

ются с одинаковой скоростью, в частности, до 2048 кбит/с. SDSL чаще всего

применяется на магистральных линиях сетей передачи данных.

Высокоскоростная цифровая абонентская линия (HDSL) представля-

ет собой разновидность симметричной линии и работает на скоростях

1,5…2 Мбит/с в обоих направлениях.

В асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL) цифровой по-

ток от узла к пользователю (нисходящий) более интенсивный, чем обратный

(восходящий). Эти линии целесообразно использовать для высокоскоростно-

го доступа к Интернету и для осуществления видеоконференц-связи. Нисхо-

дящие потоки передаются со скоростью от 1,5 до 6 Мбит/с, восходящие – от

64 до 640 кбит/с.

Адаптивная по скорости абонентская линия (RADSL) – разновид-

ность ADSL. Это одна из самых последних разновидностей xDSL-

технологий, позволяющая передавать нисходящие потоки со скоростью от

640 кбит/с до 7 Мбит/с, и восходящие – от 128 до 1500 кбит/с. Ее основное

преимущество - способность автоматически подбирать наиболее подходя-

щую скорость передачи в соответствии с уровнем помех в линии.

Универсальная асимметричная цифровая абонентская линия (UADSL)

– другая разновидность ADSL. Предназначена для обеспечения доступа в

Рисунок 5.10 – Схема подключения компьютера к цифровой абонентской линии