Як здійснюється доступ до Internet

М. Павликевич

ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНІ МЕРЕЖІ

МережІ ДОСТУПУ

Лекції для студентів cпеціальності

7.092402 “Інформаційні мережі зв’язку”

Львів, 2002

Доступ до Internet

Послуги Internet швидко зростають. Вимоги до мереж загального користування (публічних мереж), особливо до мереж доступу, достатньо високі. Однак технологічні перспективи швидко збільшуються із швидкістю доступу, створюючи публічним мережам можливість відігравати головну роль у дорученні нових видів телекомунікаційних послуг та застосувань до замовників. У сьогоднішньому середовищі доступ через провідні кабелі типу "скручена пара" за допомогою модемів, які працюють у частотному діапазоні телефонії, є нормою для користувачів. З використанням новітніх технологій для користувачів стануть доступними швидкості 500 кб/с, 1.5 Мб/с і навіть 10 Мб/с. Нижче описані чинні та перспективні технології доступу до Internet.

Як здійснюється доступ до Internet

Рис. 7.1. Три основні групи, визначені ставленням до доступу в Internet.

Доступ до Internet здійснюється по-різному для різних груп людей. Ці групи розрізняють за їх стосунком до послуг Internet, як це покаазано на рис. 7.1.

До цих трьох груп відносяться:

1. кінцеві користувачі, які можуть мати доступ до Internet, а також до інших видів послуг, таких як телефонія або кабельне телебачення;

2. провайдери послуг даних, які надають доступ до Internet, послуги, подібні до AOL, або інші послуги передавання даних, такі як віртуальна приватна мережева взаємодія;

3. провайдери телефонії, послуг безпровідного та кабельного зв'язку, які можуть забезпечити сполучення між користувачами і провайдерами послуг даних.

Зауважимо, що дві останні групи можуть поєднуватися, наприклад, ряд компаній надають послуги як телефонії, так і доступу до Internet.

Повертаючись до питання про те, як отримати доступ до Internet, відзначимо, що для провайдерів телефонії, послуг безпровідного та кабельного зв'язку доступом є мережеве з'єднання від розташування користувача до зовнішньої точки під'єднання у вузлі послуг. У традиційній телефонній архітектурі це частіше називають точкою під'єднання провідного кабеля до кросу, що відноситься до головної розподільчої системи (Main Distribution Frame - MDF). Решта мережі провайдера телефонії відноситься до мережі комутації та транспорту.

На відміну від цього, з точки зору Internet-провайдера (Internet Service Provider - ISP) доступ розглядається як сполучення від замовника до мережі провайдера, точніше, від місця розташування замовника до вузла доступу до шлюзу, який обслуговує ISP. Для ISP телефонний доступ, комутація і транспортна мережа є частинами "доступу".

Нижче позиція провайдерів телефонії, послуг безпровідного та кабельного зв'язку є центральною при розгляді новітніх та пропонованих технологій.

Розвиток засобів доступу

Рис. 7.2. Швидкості передавання даних, необхідні для підтримки різних послуг, і швидкості доступу, наяні протягом останніх років.

Розвиток засобів доступу відбувається передовсім під впливом вимог щодо збільшення ширини смуги для підтримки зростаючої кількості користувачів. Перед 1994 роком трафік, який пересилався через Internet, складався передовсім з текстової інформації, а найбільш поширеними видами послуг були пересилання файлів та електронна пошта. Зростання обсягів інформації, яка передається Internet'ом від 1995 року частково обумовлений графічною природою World Wide Web (WWW), що у свою чергу пов'язане з тим, що графічні зображення у цифровій формі складаються з великої кількості бітів. Передавання таких файлів вимагає значно більших швидкостей, ніж це необхідно для порівняно малих текстових файлів. WWW також створив базу для зростання інших застосувань, таких як анімована графіка, аудіо та низькошвидкісне відео. Це у свою чергу створює потребу у збільшенні можливостей високошвидкісного доступу.

Рис. 7.2 показує часові залежності швидкості доступу для трьох частин множини користувачів: середніх, 20% вищих і 2% вищих.

Огляд альтернатив доступу

Технології доступу до Internet можна охопити чотирьома великими категоріями:

1. з використанням провідних кабелів типу "скручена пара;

2. з використанням оптоволоконних і коаксіальних кабелів;

3. з використанням безпровідних систем;

4. з використанням повністю оптоволоконних систем.

Як показано на рис. 7.3, окремі технології та впровадження містяться всередині цих широких категорій.

Рис.7.3. Альтернативи для доступу.

Телефонні лінії типу "скручена пара" є середовищем доступу, яке сьогодні застосовується абсолютною більшістю індивідуальних користувачів. За певний час будуть впроваджені інші технології, які забезпечать більшу швидкість пересилання даних через це середовище.

Коаксіальні та оптоволоконні системи початково були впроваджені для широкомовного відео. Оскільки цим системам притаманна широкосмуговість, то були опрацьовані техніки, які використовують цю перевагу для швидкісного передавання даних, особливо для доступу до інтернет в домашніх умовах.

Безпровідний доступ до Internet має два види:

· сателітарні системи, створені для широкомовного відео, які мають здатність передавати дані з високою швидкістю;

· коміркові/персональні комунікаційні послуги (Personal Communications Cervices - PCS) - системи, спроектовані для обслуговування мобільних користувачів.

Переважна кількість систем доступу для користувачів із сфери бізнесу використовують оптоволоконні системи SONET (у США) і SDH в Европі. В майбутньому очікується застосування пасивних оптичних мережевих систем для отримання повністю оптоволоконного доступу користувачами в домашніх умовах.

9.1.2.2. Розв'язання для провідних кабелів типу "скручена пара"

Існують три головні категорії розв'язань для кабелів "скручена пара" при їх застосуванні для доступу до Internet (див. рис. 7.4):

· модеми в смузі частот телефонії (голосу) (Voice band data - VBD);

· цифрові абоновані лінії (Digital Subscriber Line - DSL) ISDN;

· інші методи DSL (xDSL).

Рис. 7.4. Дані в діапазоні телефонії та ISDN.

Модеми VBD добре відомі і використовуються індивідуальними користувачами та користувачами із сфери малого бізнесу. Вони оперують у діапазоні частот телефонії через кабелі "скручена пара", використовуючи фазову або квадратурну модуляцію для передавання даних. Більшість з них працює із швидкостями 14.4 і 28.8 кб/с; більш нові - до 33.6 кб/с. Впроваджується асиметричний варіант модемного зв'язку із швидкістю від сервера до 56 кб/с і швидкістю у зворотньому напрямку до 33.6 кб/с.

ISDN - це цифрова широкосмугова технологія, яка оперує з двосторонньою швидкістю 144 кб/с, використовуючи схему кодування 2B1Q, і містить два канали B по 64 кб/с і один канал D (16 кб/с). Канали B можна використати для двох телефонних викликів, двох каналів передавання даних, окремого передавання голосу і даних, або для поєднаного передавання даних при128 кб/с. Для стандартного кабеля довжина абонентської петлі обмежена до 6 км.

Технології xDSL

Ряд технологій xDSL стандартизовані або знаходяться в процесі стандартизації в ANSI та ADSL Forum. Як показано на рис. 5, найвищі швидкості для замовників осягаються на малих відстанях від xDSL-модема провайдера. Такі модеми повинні бути розміщені в центральному офісі провайдера або у віддалених точках доступу близько до більшості кінцевих користувачів.

Рис. 7.5. Швидкості потоку "вниз" для різних технологій xDSL.

ADSL. ADSL (асиметрична DSL) є однією з багатьох типів технологій xDSL. Головними стандартами ADSL є ADSL-1, яка визначає швидкість потоку "вниз" 1.5..2 Мб/с і швидкість потоку "вгору" 16..64 кб/с; ADSL-3 із швидкістю "вниз" до 6.144 Мб/с і з двосторонніми каналами до 640 кб/с. Добрі лінії типу "скручена пара без перемичок можуть підтримувати швидкості ADSL-1 на відстанях до 6 км (з провідниками AWG-24 тобто діаметром 0.511 мм) і швидкості ADSL-3 - до 4 км.

ANSI та ADSL Forum впровадили технології дискретної багатотонової модуляції. Однак технологія амплітудно-фазової модуляції без носія (Carrierless Amplitude and Phase - CAP) поширена в лініях ADSL приблизно в 30 разів більше, ніж CAP. Модеми DMT і CAP несумісні, але це питання зовсім не так серйозне, як для модемів у телефонному діапазоні. Модеми VBD мусять бути сумісними від одного кінцевого користувача до іншого, а модеми ADSL оперують тільки в проміжку від кінцевого користувача до мережевого провайдера.

VDSL. Надвисокошвидкісна DSL (Very high-speed DSL - VDSL) передбачає значно вищі швидкості від ADSL, однак через значно менші відстані. Стандарти опрацьовують чотири різні організації: ANSI, ADSL Forum, ATM Forum і DAVIC (Digital Audio-Visual Council). Запропоновано чотири різні технології (CAP, DMT, DWMT і SLC) з метою осягнути меншу потужність і меншу вартість, ніж ADSL.

R-ADSL. Як витікає з назви, модеми технології цифрових абонованих ліній з адаптацією швидкості (Rate-Adaptive DSL - R-ADSL) пристосовують швидкість передавання даних до якості сполучення через скручену пару. Пропоноване програмне забезпечення здійснюватиме це автоматично, з мінімальним втручанням людини.

HDSL і SDSL. Модеми високошвидкісної DSL (High data-rate DSL - HDSL) передають із швидкістю 1.544 Мб/с в обидвох напрямах. Якщо використовують дві скручені пари, то половина трафіку передається по кожній парі; при застосуванні трьох скручених пар можна передавати із швидкістю 2.048 Мб/с, по 1/3 трафіку через кожну пару. Обмеження на відстань становить 4 км при діаметрі провідників 24 AWG (0.511 мм) і 3 км для провідників діаметром 26AWG (0.404 мм).

SDSL відноситься до DSL через одну пару (single-pair DSL) або симетричної DSL (symmetric DSL). Діапазон швидкостей SDSL становить від n´64 кб/с до 2.048 Мб/с в обидвох напрямах.

HDSL і SDSL розглядаються скоріше як заміна виділених ліній T-1 або дробних T-1 з малими витратами, ніж як засіб доступу за місцем проживання.

9.1.2.4. Віддалений доступ через кабель типу "скручена пара"

Всі три основні технології доступу, означені вище, можуть бути застосовані для віддаленого доступу, як це показано на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Віддалений доступ при застосуванні кабелів "скручена пара".

Механізми віддаленого доступу, такі як абонентська петля - транспортна система, створюють можливості для міграції оптоволоконних технологій. Як показано на рис. 7.6, послуги для кінцевих користувачів остаточно забезпечуються через скручену пару від віддалених терміналів, які в свою чергу з'єднані через оптоволоконне обладнання з вузлом послуг. Віддалена система може бути під'єднана двома способами. Перший полягає у безпосередньому під'єднанні до комутатора - це називають інтегрованим методом доступу. Другий спосіб використовує під'єднання до головного цифрового терміналу у вузлі послуг; це називають універсальним методом доступу. Обидва вказані методи використовуються для забезпечення доступу до Internet. Вибір методу залежить від вбудованої мережі та від можливостей, які повинні бути забезпечені для кінцевих користувачів додатково до доступу до Internet.

Оптоволокно та коаксіал.

Існують три суттєвих способи поєднання провідних кабельних та оптоволоконних систем, які використовуються для доступу до Internet (рис. 7.7):

· система кабельного телебачення та гібридна оптоволоконно-коаксіальна система (HFC);

· двоспрямована HFC;

· комутована цифрова широкосмугова система (SDB).

Система кабельного телебачення та гібридна оптоволоконно-коаксіальна система (HFC). Традиційні системи мають широкосмугові вдастивості лише у напрямку "вниз" і передають потік у широкомовному режимі в діапазоні від 50 Мгц до 550/750 Мгц з каналами 6 Мгц. Кабельні модеми, які використовуються, дозволяють передавання даних в системах HFC у напрямку "вниз". Можна зреалізувати швидкість передавання даних до 30 Мб/с у відеоканалі шириною 6 Мгц. Сигнали "вгору" передають через чинний телефонний канал, використовуючи VBD або ISDN.

Двоспрямована HFC. Ця новіша система має здатність передавати в обидвох напрямках. Такі двоспрямовані системи кабельного телебачення звичайно пересилають широкомовний потік "вниз" в діапазоні 50..750 Мгц через коаксіал з номінальною шириною відеоканалу 6 Мгц. Ширина смуги "вгору" спільно використовується всіма будинками, оснащеними коаксіальним кабелем, і звичайно обмежена частотним діапазоном 5..40 Мгц. Швидкість даних від Internet становить до 30 Мб/с в каналі шириною 6 Мгц. Пересилання даних "вгору" є предметом змагання, а їх швидкість може досягати 10 Мб/с. Практично в середовищі багатьох користувачів швидкість є суттєво менша.

Рис. 7.7. Способи поєднання провідних кабельних та оптоволоконних систем.

Кабельні модеми можуть або бути встановлені додатково до системи HFC, або бути інтегрованою частиною HFC.

Комутована цифрова широкосмугова система (SDB). SDB класифікується як цифрова система в основній смузі частот із номінальною швидкістю потоку "вниз" до 50 Мб/с в режимі "пункт-пункт", що може бути розділене між цифровим відео та даними. Для даних "вгору" наявна смуга 1.5 Мб/с. Не дивлячись на те, що сисстема базується на змаганні за доступ, завжди наявна мінімальна гарантована швидкість для даних "вниз"; звичайно вона становить приблизно 16 кб/с. Всі три описані архітектури мають здатність пердавання як аналогового, так і цифрового відео в широкомовному режимі.

Обидві системи, двоспрямована HFC і SDB є широкосмуговими і придатні до телефонії, відео, Internet/даних і PCS. Відзначимо, що архітектури мають ряд окремих характеристик і компонент. Двоспрямована система HFC забезпечує розподіл в оптоволоконному вузлі, де сигнали збираються і розподіляються по багатьох коаксіальних лініях, які охоплюють житловий район. Оптоволоконні вузли призначені для обслуговування від 500 до 2000 квартир.

Системи SDB доводять оптоволокно аж до користувача. В типових системах оптоволоконний кабель може бути оптично розгалужений. Оптичні мережеві пристрої (Optical Network Unit - ONU) є закінченнями оптоволоконного кабеля і забезпечують індивідуальні коаксіальні або типу "скручена пара" розгалуження до абонентів. Типовий ONU може обслуговувати від 4 до 60 квартир. Такі SDB забезпечують оптоволокно безпосередньо до користувача.

Безпровідні системи

Як показано на рис. 7.8, для забезпечення доступу до Internet із використанням безпровідних технологій використовують три способи: сателітарне широкомовлення, наземне широкомовлення і коміркові/персональні комунікаційні послуги (Personal Communications Cervices - PCS).

Рис. 7.8. Безпровідні технології.

Коміркові/персональні комунікаційні послуги (PCS). Доступ до Internet може бути забезпечений через чинні коміркові системи з використанням модемів VBD. Оскільки коміркові канали вузькосмугові, швидкості доступу обмежені до 9.6 кб/с для систем AMPS s TDMA і до 14.4 кб/с для систем CDMA. Коміркові цифрові пакети даних (Cellular Digital Packet Data - CDPD) - це техніка, яка дозволяє розширення швидкостей пердавання даних для AMPS до 19.2 кб/с. CDPD осягає вищі швидкості, вставляючи пакети IP безпосередньо у комірковий канал, так що припиняє передавання голосового трафіку, так що канал тимчасово вільний. Вивчаються техніки, які забезпечують доступ до Internet та до інших послуг даних через PCS. Стандарти даних PCS досліджуються за підтримки технічного комітету ANSI T-1, TIA, ITU-T та інших.

Наземне широкомовлення. Багатоканальний багатоточковий розподільчий сервіс (Multichannel Multipoint Distribution Service - MMDS), який також називають "безпровідними кабелями", може забезпечити доступ до Internet у напрямку "вниз" на відстанях до 50 км від центральної точки передавання. Шлях "вниз" MMDS разом із шляхом "вгору" через телефонний канал забезпечує повну організацію доступу до Internet. MMDS оперує в частотному діапазоні 2 Ггц і має 33 канали, кожний з яких здатний до підтримування швидкостей даних "вниз" до 10 Мб/с. Технологічні дослідження скеровані на збільшення швидкості пересилання даних у майбутньому до 27 Мб/с.

Локальний багатоточковий розподільчий сервіс (Local Multipoint Distribution Service - LMDS) простіший від MMDS. LDMS використовує передавачі в діапазоні 28 Ггц, при чому кожен передавач охоплює відстань до 5 км. Відносно менший засаг передавача пов'язаний з фактом, що LDMS має у 4 рази більшу смугу від MMDS, а це дозволяє обслуговувати значно більшу щільність користувачів від MMDS.

Сателітарне широкомовлення. Окремі дослідження пропонують використання сателітів для забезпечення доступу від Internet "вниз". Окремі пропозиції базуються на використанні стаціонарних супутників, тоді як інші використовують кластери (групи) сателітів. Пропоновані швидкості передавання даних змінюються від низькошвидкісних каналів для окремих користувачів до спільних каналів із швидкостями понад 1 Мб/с. Перші широкодоступні системи працюють в діапазоні 12 Ггц і використовують швидкості 400 кб/с. Обладнання в розташуванні користувача складається з параболічної антени діаметром приблизно 52 см, мікрохвильового приймача і цифрової карти-декодера, яка вставляється безпосередньо в комп'ютер. Сателітарні системи також використовують телефонні канали для доступу "вгору".

Аналогові та цифрові лінії

Аналогові телефонні лінії є спадшиною всесвітнього поширення телефонії. При телефонній розмові мікрофон є передавачем, який генерує аналоговий сигнал, який поширюється до телефонної станції і там комутується з апаратом віддаленого співрозмовника. Досліджено, що для передавання розмови (голосу) з якістю, достатньою для його розпізнавання, необхідна ширина смуги частот від 300 Гц до 3100 Гц. Тому для передавання голосу в телефонії використовується ширина смуги 4 кГц. Незважаючи на те, що в сучасній телефонії передавання та комутація сигналів здійснються у цифровій формі, а також ряд послуг надаються також у цифровій формі (наприклад, ISDN), все ж локальний контур так званої “останньої милі” рідко має ширину смуги понад 4 кГц.

Роль CSU

Пристрій послуг каналу або CSU є першим пристроєм, з яким стикається зовнішня телефонна лінія за попередніми умовами виготівника. На початку 1980-х років CSU були власними пристроями телефонних компаній, які виділяли їх користувачам. Однак пізніше користувачі почали встановлювати власні CSU. Однією з принципово важливих функцій CSU є забезпечення носія і його замовника віж будь-яких випадковостей, які може внести мережа в систему носія.

CSU забезпечує правильне електричне під’єднання до телефонної лінії та здійснює кондиціонування і вирівнювання лінії. Він також підтримує тест локальної петлі для носія у тому значенні, що CSU повертає діагностичний сигнал телефонної компанії без висилання його через CPE, так що носій може визначити проблему, яку він повинен скоректувати. CSU часто має індикатори на світлодіодах, які ідентифікують обрив локальної лінії, втрату з’єднання з телефонною станцією і операції loopback operation.

Коли CSU забезпечувалися тільки телефонними компаніями, вони отримували живлення через саму телефонну лінію. Тепер CSU мають власні джерела живлення.

Функції DSU

Пристрій послуг даних (DSU) відноситься до пристроїв цифрового сервісу між CSU і обладнанням замовника, таким як раутери, мультиплексери та термінальні сервери. DSU звичайно устатковані інтерфейсами RS-232 або V.35. Їх головною функцією є пристосування потоку даних, утворених замовником, до сигнальних стандартів теелефонії та навпаки.

Щоб дати краще уявлення про функції DSU, необхідно зробити деякі уточнення щодо Фізичного рівня. Фактично більша частина капіталовкладень телефонних компаній здійснена у створення Фізичного рівня, який протягом багатьох років був сумісний з обладнанням, що залишилося від попередніх часів, але було здатне співпрацювати з такими новими компонентами, як оптоволоконні кабелі, комутованим багатомегабітним сервісом даних (Switched Multimegabit Data Service) та ATM.

Цифрові потоки, утворювані багатьма користувачами, особливо потоки з пропускною здатністю, меншою від 56 кб/с, є асинхронними; це означає, що кожен біт відділений від інших стартовим і стоповим бітами і що часовий інтервал між бітами довільний. Однак переважна частина пристроїв замовника у публічній телекомунікаційній інфраструктурі використовує синхронну сигнальну систему, у якій передавачі та приймачі координують локальні годинники між собою для ідентифікації границь між одиницями даних. У цьому випадку DSU може бути застосований для упакування отриманих асинхронних даних перед висиланням їх у лінію із постійною швидкістю і для додавання стаотових і стопових бітів перед і після отримаих асинхронних даних перед відсиланням їх до мережі користувача.

Сигнальна техніка телефонних мереж суттєво відмінна від техніки, яка вживається багатьма вхідними простроями замовників. Більш чи менш природньо прийняти позитивний цифровий сигнал за 1, а нульову напругу за 0. Цей тип сигналізації відомий як уніполярний код NRZ (Non-Return-to-Zero).

Існують певні застереження щодо використання уніполярного коду NRZ з точки зору телефонних систем, хоча вони працюють з обладнанням RS-232. Сигналізація NRZ має тенденцію до створення постійної складової (Direct Current - DC) сигналу в лінії, яка може блокуватися окремими компонентами схеми, нариклад, трансформаторами. Крім того, наявність більш або менш випадкового рівня постійної складової сигналу в телефонних провідних кабелях суперечить завданню живлення пристроїв, таких як повторювачі або CSU.

Застосування сигнальної системи, в якій кожна 1 або 0 викликає перехід через нуль спрощує виявлення правильних цифр, однак цього недостатньо для компенсації постійної складової. Використання методу полярної сигналізації, коли одиниці є додатніми імпульсами, а нулі - від’ємними, може зменшити вклад пстійної складової, однак довга послідовність одиниць або нулів може will still have that result. Подібно до уніполярної сигналізації, перехід через нуль для кожного біта не вирішує проблеми постійної складової сигналу.

Розв’язанням є позначення 0 відсутністю напруги і позначення 1 додатнім та від’ємним імпульсами. Цей спосіб відомий як біполярна маніпуляція (bipolar violation - BPV). При переході кожного біта через нуль простіше виявляти кожну одиницю даних. Крім того, цей метод дозволяє розташувати повторювачі на більшій відстані, ніж інші методи. Біполярна сигналізація також відома під назвою змінної інверсії знаків (Alternate Mark Inversion - AMI). Перехід через нуль часто позначають скороченням RZ (Return-to Zero).

Іншою проблемою із синхронними телефонними мережами є потреба підтримки синхронізації крізь усі можливі кола. Пристрої телефонії включно з повторювачами приймають сигнали синхронізації із послідовності бітів. Одним із загальних правил для взаємоз’єднання старіших пристроїв є те, що можна передати не більше від восьми бітів синхронізації без сигналу. Однак потік даних часто може містити вісім або більше послідовних нулів і це приводить до порушення синхронізації цих пристроїв, а без синхронізації передавання неможливе. Додне із розв’язань полягає в тому, щоб призначити один біт з кожних восьми для цілей управління. Якщо всі інші біти у восьмибітовій стрічці є нулями, то біт управління встановлюється в одиницю і синхронізація підтримується. Потреба у цьому біті управління є причиною того, що лінії DDS (Dataphone Digital Service) nf Switched 56 service, які діють через кола DS0 (64кб/с), забезпечують користувачам тільки послуги 56 кб/с, бо тільки 7 бітів з 8 наявні для користувача.

Інше розв’язання проблеми синхронізації, поширене від середини 80-х років, включає примусове використання біполярної маніпуляції для обслуговування синхронізації, при чому імпульси BVP не інтерпретуються як сигнал. Ця техніка, відома під назвою підстановки двійкової вісімки змість нуля (Binary 8 Zero Substitution - B8ZS). Кола DS0, які наскрізно підтримують B8ZS, можуть передавати дані користувача із швидкістю 64 кб/с.

Цифрові сигнали, які передаються через телефонні лінії, повинні бути рамковані. Рамкування дозволяє обслуговувати багато потоків даних, об’єднаних в одному колі, оскільки кожен потік займає свою часову щілину. Спеціальний біт служить для відзначення початку рамки. Наприклад, для кіл DS1 (або T-1) кожен 193-й біт є бітом межі рамки, який слідує після 24 сегментів DS0 по 8 бітів кожен.

Після вияснення функцій сигналізації AMI, B8ZS і вимог рамкування можна повернутися до DSU. Роль DSU полягає в перетворенні уніполярного цифрового сигналу від пристрою користувача в сигнал, властивості якого визначені вимогами кіл телефонії.

DSU часто вбудовують в інші пристрої, такі як мультиплексери або канальні банки, а також часто поєднують з CSU у вигляді окремих пристроїв CSU/DSU або CSU/DSU. CSU/DSU можуть мати вбудовані засоби для компресії даних, а також можуть мати аналоговий або ISDN-порти для backup. Отже, CSU відіграє роль, подібну до ліній NT1 або ISDN, а DSU порівнальний з термінальним адаптером ISDN. CSU/DSU (і термінальні адаптери ISDN) називають “цифровими модемами”. Ця термінологія невдала, бо CSU/DCU нічого не модулюють і не демодулюють. Модеми модулюють аналоговий носій (гармонічне коливання), щоб передати цифровий сигнал через аналогові телефонні лінії. Техніка модуляції, яка застосовується в сучасних модемах, є складним поєднанням амплітудної та фазової модуляцій. Коли CSU/DSU стали застосовувати до комутованих ліній, то виникла потреба у сигналі, призначеному для виклику комутатора телефонної станції, для чого в DSU використовуєть ся AT-команда, подібно як в модемах. Однак крім співпадіння факту, що як DSU, так і модем вмикається між послідовним інтерфейсом і телефонною мережею, функції CSU/DSU та модема повністю відмінні. Модем призначений для перетворення цифрового сигналу в аналоговий сигнал звукового діаразону, який подається в кола, призначені для передавання голосових сигналів. CSU/DSU перетворює один вид цифрового сигналу до іншого виду, придатного для передавання через цифрову телефонну систему.

В Европі публічні телефонні мережі використовують E1 – систему мультиплексування для 30 голосових каналів і двох службових зі швидкістю 2.048 Мбіт/с. Однак E1 у дійсності мало придатна для під’єднань з індивідуальними приміщеннями. Протокол пересилання, який використовує E1, застосовує код AMI, який потребує трансівера на відстані 914 м від телефонної станції і через кожні подальші 1828 м. AMI потребує 1.5 МГц смуги з піком спектральної щільності при 750 кГц (у США) і так псує спектр кабеля, що телефонні компанії можуть використовувати тільки одне коло в кожному 50-парному кабелі і жодного в суміжних кабелях. За цих обставин забезпечення послуг з великою шириною смуги до домівок може бути еквівалентне встановленню нового кабеля. Ця смуга закріплена за конкретним користувачем і не може бути використана іншими, навіть коли пересилання даних відсутнє. Крім того, вимоги щодо смуги “вгору” і смуги “вниз” у більшості випадків дуже відрізняються: потреби щодо смуги “вниз” значно більші, ніж у зворотньому напрямі, при цьому потрібні значення смуги “вниз” вже сьогодні перевищують можливості каналу E1. Тому послуги пересилання даних з високою швидкістю частіше підтримуються з використанням технології ADSL.

Послуги виділеного доступу для T1 або E1 можуть надаватися через ті самі провідні кабелі, однак при цьому слід дотримуватися спеціальних правил. Використання цих правил обумовлене передовсім тим, що традиційне обладнання для T1 або E1 застосовує дуже прості техніки модуляції, такі як AMI для T1 або HDB3 для E1, які базуються на електронних колах, опрацьованих понад 30 років тому. Ці традиційні техніки модуляції можуть підтримуватися тільки на відносно коротких відстанях. Внаслідок цього впровадження T1/E1 у довших локальних петлях вимагає їх поділу на частини з електронними повторювачами в проміжних пунктах для регенерування сигналу. Спеціальна інженерна техніка полягає в розміщенні повторювачів на відстанях до 900 м від кінцевих пунктів і через кожні 900..1800 м у проміжних пунктах, залежно від діаметру провідників кабеля. Крім того, традиційне передавальне обладнання T1/E1 не може працювати у локальних петлях з відгалуженнями, тому останні повинні бути вилучені.

Відгалуження – це ненавантажені розширення локальної петлі, які викликаютть додаткові втрати з максимумами в околі довжини відгалуження, рівної четверті довжини хвилі. Тому технології, які використовують нижчі частоти, менш чутливі до впливу відгалужень.

Загальні відомості

У 1948 році Клод Шеннон встановив залежність між ємністю каналу його смугою та відношенням сигнал/шум (для Гаусового шуму, обмеженого смугою каналу):

Виробники модемів намагалися наблизитися до цієї межі. Модеми 50-х років осягали швидкості 300..2400 біт/с, використовуючи частотну маніпуляцію. Міжнародна стандартизація модемів розпочалася в 60-х роках. У 1964 році прийнято перший міжнародний стандарт V.21. Рекомендовані види модуляції розвивалися від 4-фазової (або 2x2 QAM) у 1968 р. до 4x4 QAM у стандарті V.22bis у 1984 р. Крім того, у 1984 році осягнено наступний крок прогресу модемних технологій – V.32, вилучення еха та трелліс-кодування. Рекомендації V.32bis включили ці технології і дозволили осягнути швидкість пересилання даних 14 400 біт/с. У 1996 році стандарт V.34 дозволив осягнути 33.6 кбіт/с, тобто майже 10 бітів на 1 Гц смуги, що близько до теоретичної межі. Нарешті, ряд компаній впровадили модеми 56.6 кбіт/с для роботи через стандартні телефонні лінії. Однак ці модеми асиметричні (вони оперують із звичайною модемною швидкістю 33.6 кбіт/c “вгору”), вони вимагають виділеного під’єднання до E1 на стороні провайдера.

У вересні 1996 року фірма Rockwell Semiconductor Systems оголосила про створення революційної технології для комунікації через публічну комутовану телефонну мережу (Public Switched Telephone Network - PSTN) за допомогою модемів із швидкістю 56 кб/с. Незадовго ця технологія була сприйнята і стала підтримуватися більшістю телекомунікаційних компаній світу як засіб комунікації із швидкостями до 56 кб/с. Перед цим оголошенням індустрія комунікаційних модемів була переконана, що комунікація через PSTN обмежена теоремою Шеннона до швидкостей, менших від 35 кб/с. Тому необхідно розглянути, завдяки чому стало можливим передавання із швидкостями понад "межею Шеннона".

Публічна комутована телефонна мережа традиційно розглядається як аналогова телефонна мережа. Однак протягом останнього десятиліття PSTN перетворилася на майже повністю цифрову мережу. У більшості випадків тільки та частина мережі, яка забезпечує відносно коротке з'днання від станції до місця розташування абонента, залишилася аналоговою (т. зв. аналогова абонентська петля).

Рис. 7.10. Комунікаційний шлях для аналогових модемів V.34.

Межа Шеннона.

У сучасних телефонних мережах аналоговий телефонний виклик переноситься через цифрову частину мережі із швидкістю 64 кб/с. При роботі з цифровими абонованими лініями (DSL) відомо, що через провідні кабелі можна передавати із швидкістю 1.5 Мб/с і більше. Чому ж осягають тільки 33.6 кб/ для V.34? Відповідь на це можна отримати, розглядаючи шуми квантування і застосовуючи теорему Шеннона. Шуми (похибки) квантування виникають тільки при перетворенні аналогового сигналу в цифровий внаслідок використання фіксованих рівнів імпульсів для наближення неперервного сигналу. Шеннон визначив обмеження для швидкості переносу інформації V_b, яка може бути передана через канал зв'язку із заданою шириною смуги B_W при відомому відношенні потужностей сигналу і шуму P/N (у відносних одиницях):

V_b = B_W log₂ (1+ P/N)

Теоретичний рівень шумів кодеків для телефонних мереж США становить 39.5 дБ, але на практиці цей рівень лежить в межах 35..36 дБ. Приймаючи ширину смуги рівною 3000 Гц, а рівень шумів квантування 35 дБ, отримаємо:

V_b = 3000 log₂ (1+ 10^35/10)= 34822 б/с

Це означає, що для вказаного рівня шумів кодека неможливо осягнути швидкості передавання понад 35 кб/с, використовуючи звичайну модемну техніку. Однак, якщо шуми квантування кодека можна виключити, то можна досягти значно вищих швидкостей.

Перспектива

Можна застосовувати PAM для напрямку "вгору" так само, як для напрямку "вниз". Для використання PAM у напрямку "вгору" модем клієнта повинен визначити характеристики лінії і попередньо спотворити PAM-сигнал, щоб він "вирівнявся" характеристиками фільтра в лінії. Крім того, сигнал повинен бути висланий так, щоб прибути до аналого-цифрового перетворювача кодека в належний час, синхронізований мережевим тактовим генератором.

Although these are formidable problems, they can be overcome and upstream rates above 28.8 Kbps are possible. It is unlikely, however, that the upstream rates will ever equal the downstream rates so asymmetrical operation will continue to be the norm.

Хоч це і є грандіозною проблемою, однак її можна подолати і швидкості "вгору" понад 28.8 кб/с є можливими. Малоймовірно, шо швидкість "вгору" може бути прирівняна із швидкісю "вниз", так що асиметричні операції слід вважати нормою.

ADSL Lite

ADSL Lite (полегшений ADSL), відомий також як стандарт ITU G.lite (код посилання G.992.2), підтримує 1.5 Мбіт/с / 0.512 Мбіт/с. ADSL Lite не вимагає розгалужувача в приміщенні абонента. Тому провайдер не потребує висилати фахівця для інсталяції розгалужувача. Іншою перевагою G.Lite є краща взаємодія з продуктами CPE і CO через один стандарт. G.Lite потребує використання мікрофільтра для телефона, під’єднаного до лінії G.Lite, з метою захисту якості голосу і цілісності даних. Користувач вмикає цей фільтр між розеткою і аналоговим телефоном.

ADSL Lite запропонована як менш швидкісна версія ADSL і виключає потребу від телефонної компанії встановлювати і обслуговувати стаціонарний розгалужувач POTS (Plain Old Telephone Service ~ звичайний старий телефонний сервіс). Виключення розгалужувача POTS зроблене з наміром спростити встановлення DSL і зменшити кошти DSL для провайдера. ADSL Lite також припускає роботу на більших відстанях від повношвидкісного ADSL, роблячи її більш широко прийнятною для масового користувача. Вона підтримує як дані, так і голос, та забезпечує шлях для еволюції до повношвидкісної ADSL.

Перевагою впровадження ADSL Lite є підтримка від Universal ADSL Working Group - промислової групи, яка підтримує опрацювання міжнародного стандарту G.Lite у Дослідницькій Групі 15 ITU. Цей стандарт повинен бути сформований перед закінченням 1998 року. Додаткові стандартизаційні роботи здійснюються в ANSI TIE1.4 та в ADSL Forum і націлені на забезпечення сумісності з будинковим окабелюванням і мережевими інтерфейсами.

Як працюють модеми ADSL. Для утворення багатьох каналів модеми ADSL поділяють наявну ширину смуги телефонної лінії з використанням двох методів: частотного мультиплексування (FDM) або погашення еха.

FDM призначає одну смугу для передавання "вгору" та іншу смугу для передавання "вниз". Шлях "вниз" потім ділиться з використання техніки часового мультиплексування (TDM) на один або більше високошвидкісних каналів і на один або більше каналів з низькою швидкістю. Шлях "вгору" також мультиплексується подібним чином.