Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь

Пришло время вплотную заняться изучением принципов работы телефонной системы. Начнем с той части телефонной системы, с которой большинство людей знакомо очень хорошо. Итак, имеется двухпроводная линия, идущая от оконечной телефонной станции в дома и небольшие организации. Эта часть называется иногда последней милей, хотя длина местной линии на местности может составлять и несколько миль. На этом отрезке вот уже более 100 лет используется аналоговая связь, и похоже, что в ближайшие несколько лет ситуация не изменится (из-за высокой стоимости перехода на цифровые линии).

Много усилий было предпринято по сжатию сети передачи данных из медных проводов местных сетей, которые уже существуют. Телефонные модемы посылают цифровые данные между компьютерами по узкому каналу, который телефонная сеть предусматривает для голосового вызова. Они когда-то широко использовались, но были в значительной степени замещены широкополосными технологиями, такими как ADSL, которые тоже используют местную сеть, чтобы послать цифровые данные от клиента до оконечной станции, где они выходят в Интернет. И модемы и ADSL должны иметь дело с ограничениями старых местных сетей: относительно узкая пропускная способность, ослабление и искажение сигналов и восприимчивость к электрическому шуму, такому как перекрестные наводки.

В некоторых местах местная линия была модернизирована с помощью оптоволокна. За оптоволокном будущее. Такие линии поддерживают компьютерные сети изначально.

Ограничивающий фактор — деньги. Вопрос только в том, готовы ли люди платить за дополнительные возможности.

В данном разделе мы рассмотрим как традиционный подход к построению местных линий, так и новые тенденции, наблюдающиеся в этой области. Мы обсудим телефонные модемы, ADSL, оптоволоконное подключение.

Модемы

Чтобы послать биты по местной линии связи или любому другому физическому каналу, с этой целью они должны быть преобразованы в аналоговые сигналы, которые могут быть переданы по каналу. Это преобразование достигается с использованием методов для цифровой модуляции, которую мы изучили в предыдущем разделе. В другом конце канала аналоговый сигнал преобразуется обратно в биты.

Устройство, принимающее последовательный поток битов и преобразующее его в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенных способов, а также выполняющий обратное преобразование, называется модемом (сокращение от ≪ мод улятор- дем одулятор≫). Существуют различные разновидности модемов: телефонные модемы, модемы DSL, кабельные модемы, беспроводные модемы и т. д. Модем может быть встроен в компьютер (это теперь обычная практика для телефонных модемов) или быть отдельным устройством (что типично для DSL и кабельных модемов). Логически, модем вставлен между (цифровым) компьютером и (аналоговой) телефонной линией, как видно на рис. 2.28.

Модем используется для пересылки битов между компьютерами по речевой (аналоговой) телефонной линии, вместо разговора. Основная трудность при этом состоит в том, что речевая телефонная линия ограничена 3100 Гц, чего достаточно, чтобы передать разговор. Эта пропускная способность — на четыре порядка величины меньше, чем пропускная способность, которая используется для Ethernet или 802.11 (WiFi). Неудивительно, скорости передачи данных телефонных модемов также на четыре порядка величины меньше чем у Ethernet и 802.11.

Давайте посчитаем, почему так происходит. Теорема Найквиста утверждает, что даже при наличии идеального канала с частотой 3000 Гц (каковым телефонная линия не является) невозможно передавать отсчеты сигнала чаще, чем с частотой 6000 Гц. На практике большинство модемов делают 2400 отсчетов в секунду, или 2400 бод, стремятся к повышению числа бит на отсчет, допуская одновременный двусторонний трафик (используя для разных направлений разные частоты).

Скромный модем со скоростью 2400 бод использует 0 вольт для передачи логического ноля и 1 вольт для передачи логической единицы, с одним битом на символ. Одно улучшение — можно использовать 4 разных символа, как в четырех фазах QPSK, тогда при двух битах на символ будет достигнута битовая скорость 4800 бит/с.

С развитием технологии был достигнут большой прогресс и высокие скорости. Большие скорости требовали больший набор символов или совокупность. При большом количестве символов даже слабый шум при детектировании амплитуды или фазы может привести к ошибке. Для уменьшения этой вероятности были разработаны стандарты, подразумевающие включение в состав каждого отсчета несколько дополнительных битов коррекции. Такие схемы называются решетчатым кодированием, или TCM (Trellis-Coded Modulation). (Ungerboeck, 1987.)

Так, например, стандарт V.32 имеет 32 точки на диаграмме для передачи 4 бит данных и один контрольный бит на символ для линии 2400 бод, что позволяет достигнуть скорости 9600 бит/с с коррекцией ошибок. Следующим шагом после скорости 9600 бит/с стала скорость 14 400 бит/с. Новый стандарт был назван V.32 bis и передает 6 бит данных и один контрольный бит на отсчет при частоте дискретизации 2400 бод. Совокупность имела теперь уже тысячи символов. Последние модемы этой серии были сделаны в соответствии со стандартом V.34 bis и использовали 14 бит/символ при 2400 бод, за счет чего была достигнута скорость 33 600 бит/с.

Почему это предел? Скорость модемов ограничена 33 600 бит/с в связи с тем, что ограничение Шеннона определяет для телефонных линий максимум в 35 Кбит/с для средней длины местных соединений и качества линий. Дальнейшее ускорение невозможно в силу законов термодинамики.

Однако есть способ улучшить ситуацию. На оконечной станции телефонной компании данные для передачи по телефонной сети преобразуются в цифровую форму (ядро телефонной сети преобразовано из аналогового в цифровое уже давно). Для ситуации, когда есть две местные линии связи, по одной в каждом конце, предел — 35 Кбит/с. Каждая из них добавляет шум к сигналу. Если бы мы могли избавиться от одной из этих местных линий, мы увеличили бы ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ, и максимальная скорость была бы удвоена.

Данный подход был реализован в модемах на 56 Кбит/с. Одна сторона как правило, провайдер, получает высококачественную цифровую передачу от ближайшей оконечной станции. Когда хотя бы на одном конце соединения отсутствует ≪последняя миля≫ (а большинство провайдеров сейчас уже пользуются только цифровыми каналами), максимальная скорость передачи повышается до 70 Кбит/с. Если же соединение устанавливается между двумя обычными пользователями, каждый из которых передает данные по аналоговой местной линии с помощью модема, максимальная скорость ограничена 33,6 Кбит/с. Причина, по которой используются модемы со скоростью 56 Кбит/с (а не 70 Кбит/с), связана с теоремой Найквиста. По телефонной линии передаются цифровые отсчеты.

Телефонная линия имеет полосу пропускания около 4000 Гц (включая защитные полосы). Таким образом, максимальное число отсчетов в секунду, необходимых чтобы восстановить сигнал, — 8000. Число бит на отсчет, используемое в США, равно 8, причем 1 бит является контрольным, что позволяет передавать пользовательские данные с битовой скоростью 56 000 бит/с. В Европе все 8 бит являются информационными, поэтому, в принципе, максимальная скорость может достигать 64 000 бит/с, однако международным соглашением установлено ограничение в 56 000 бит/с. В результате появились стандарты модемов V.90 и V.92. Они предоставляют пользователю возможность передачи данных в сторону провайдера со скоростью 33,6 Кбит/с и 48 Кбит/с, а в обратную сторону — со скоростью 56 Кбит/с. Причиной такой асимметрии является тот факт, что трафик от абонента обычно во много раз меньше трафика от провайдера. Из этого также следует, что большая часть полосы может быть выделена под поток данных от провайдера, тем самым увеличивая его шанс работать действительно со скоростью 56 Кбит/с.

Дата добавления: 2015-10-02