Лекции по Основам построения современных систем и сетей абонентского доступа   

2. Организация абонентского доступа на основе телефонных модемов

Телефонные модемы, или модемы ближнего действия (Short Range Modem, SRM), предназначены для обеспечения ПД по коммутируемым или выделенным типовым аналоговым телефонным каналам с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) 0,3–3,4 кГц путем преобразования цифровых сигналов в модулированный сигнал. Термин  "модем" образован от слов "модуляция" и "демодуляция", отражающих основные операции, реализуемые этими устройствами.

2.1. Общая характеристика современных телефонных модемов

В современных сетях доступа на модемы возлагаются задачи [1] обеспечения связи по конфигурации "точка–точка" между ПЭВМ абонента и сервером поставщика услуг ПД (провайдера) либо между двумя ПЭВМ (рис. 2.1) по каналам тональной частоты (КТЧ).

Типовой модем, как правило, включает цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на передаче, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на приеме и устройство переключения (коммутации) "телефон/модем".  Если  организована  передача  данных от ПЭВМ посредством модема, то  обеспечение  телефонных  переговоров по этой же 2-проводной АЛ невозможно, что является существенным недостатком модемной связи.

Основными характеристиками модемов являются скорость ПД, вид модуляции, возможность дуплексной связи, способ разделения направлений передачи и типы поддерживаемых сервисных функций.

Максимально достижимая скорость ПД ограничена ЭППЧ телефонного  канала  (300–3 400 Гц).  При  модуляционной  скорости 1 бит/с = 1 бод скорость ПД по КТЧ не может превысить 3 100 бит/с. Однако посредством повышения модуляционной скорости (в 6–9 раз) и применения передовых методов модуляции информационная скорость в направлении передачи может достигать 53–56 кбит/с [22, 23].

В современных телефонных модемах используются три основных вида модуляции: частотная (ЧМ), фазоразностная (ФРМ) и амплитудно-фазовая (АФМ).

При ЧМ (Frequency Shift Keying, FSK) значениям "0" и "1" информационного бита соответствуют свои частоты гармонического сигнала при неизменной его амплитуде. Область применения ЧМ – низкоскоростные (до 1 200 бит/с), но высоконадежные телефонные модемы, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими помехами и в условиях значительных нелинейных искажений.

При ФРМ (Differential Phase Shift KeyingDPSK) каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Однако, как показывают исследования данного подхода, если в линейном коде одним битом кодируется более трех бит исходного сообщения (23 = 8 фазовых состояний), помехоустойчивость передачи дискретной информации резко снижается. Поэтому для обеспечения высоких скоростей ПД в модемах часто используются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Многопозиционную АФМ (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) называют еще квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ). Здесь вместе с изменениями фазы сигнала применяется манипуляция его амплитудой [22].

В высокоскоростных модемных протоколах может использоваться другой тип АФМ – треллис-модуляция (Trellis Coded Modulation, TCM), или модуляция с решетчатым кодированием (МРК). Этот вид модуляции позволяет повысить помехозащищенность передачи информации (снизить требования к отношению сигнал/шум в канале) по сравнению с КАМ на величину от 3 до 6 дБ.

Для обеспечения дуплексной ПД по 2-проводной АЛ в модемной связи предусматриваются следующие способы разделения направлений передачи [7, 22]: частотный (ЧРНП), временной (ВРНП) и с применением дифференциальных систем и адаптивной эхокомпенсации (ДРНП).

Самым распространенным в модемной технике до сих пор является ЧРНП. Если направлениям передачи выделяются равные частотные полосы, модемный протокол называется симметричным. Если модем поддерживает более скоростную ПД в одном направлении, чем в другом, а ЧРНП осуществляется на неравные по ширине спектральные подканалы, то модемный протокол называется асимметричным.

В средне- и высокоскоростных модемах широкое распространение сегодня получили разделение направлений передачи дифсистемами и линейное кодирование типа 2B1Q (2 Binari 1 Quaternari). Реализуется данный подход на 2-проводных АЛ аналогично соответствующему интерфейсу основного доступа УЦСИС [7].

Современные модемы не ограничиваются обеспечением ПД по КТЧ, и способны реализовывать ряд дополнительных функций, называемых сервисными. Важнейшими из них являются [22]:

передача факсимильных сообщений;

передача голосовой почты;

автоматические распознавание голос/факс/модем и переключение в соответствующий режим;

защита от несанкционированного доступа (НСД) к связи через модем: по паролю, с помощью обратного звонка и специфики процедур установления соединения;

автоматический определитель номера (АОН);

автоответчик (АО);

автоматическая самодиагностика;

ручное и автоматизированное тестирование модема (канала);

автоматическое восстановление соединения после разрыва с возобновлением прерванного процесса ПД;

автоматический переход на запасную коммутируемую линию при повреждении основной выделенной.

Здесь следует отметить, что передача факсимильных сообщений предусмотрена в модемах только в полудуплексном режиме за счет ВРНП. Скорость передачи в этом режиме не превышает 2 400 кбит/с.

В настоящее время к основным протоколам МСЭ-Т физического уровня модемной связи принято относить следующие [22, 23]:

V.21  дуплексный протокол с ЧРНП и ЧМ. В нижнем подканале "1" кодируется частотой 980 Гц, а "0" – 1 180 Гц. В верхнем подканале соответственно 1 650 Гц и 1 850 Гц. Модуляционная и информационная скорости равны (300 Бод и 300 бит/с). Прежде всего данный протокол находит применение в качестве "аварийного" при невозможности использовать другие протоколы модемной передачи вследствие низкого качества КТЧ. Такие модемы предназначены для приложений, требующих высокой надежности связи (передача сигналов управления факсимильной передачей, прием данных телеконтроля, связь с банкоматами или кассовыми аппаратами и т. п.).

V.22 – дуплексный протокол с ЧРНП и ФРМ. Несущая частота нижнего подканала 1 200 Гц, верхнего – 2 400 Гц. Модуляционная скорость составляет 600 Бод. Имеет режимы ФРМ и ДФРМ, что позволяет поддерживать  ПД со скоростью 600 или 1 200 бит/с.

V.22bis – дуплексный протокол с ЧРНП и КАМ. Несущие частоты и модуляционная скорость соответствуют стандарту V.22. Имеет режимы КАМ-4 и КАМ-16. Соответственно, информационная скорость может быть 1 200 или 2 400 бит/с, при этом режим 1 200 бит/с полностью совместим с V.22. Протокол V.22bis утвержден МСЭ-Т в качестве ведущего стандарта для всех среднескоростных модемов.

V.32 – дуплексный протокол с ДРНП, КАМ или МРК. Частота несущего сигнала составляет 1 800 Гц, модуляционная скорость равна 2 400 Бод. Таким образом, используется полоса пропускания КТЧ от 600 до 3 000 Гц. Модем V.32 поддерживает режимы КАМ-2, КАМ-4 и КАМ-16, что обеспечивает скорость ПД 2 400, 4 800 и 9 600 бит/с. На скорости 9 600 бит/с возможно применение 32-позиционной МРК.

V.32bis – дуплексный протокол с ДРНП и МРК. Несущие частоты и модуляционная скорость соответствуют стандарту V.32. Однако основными являются режимы МРК-16, МРК-32, МРК-64 и МРК-128. Соответственно информационная скорость может быть 7 200, 9 600, 12 000 и 14 400 бит/с. В режиме МРК-32 модемы протоколов V.32 и V.32bis полностью совместимы. Протокол V.32bis утвержден МСЭ-Т в качестве ведущего стандарта для всех скоростных модемов.

V.34 – протокол ПД с адаптируемой к характеристикам КТЧ скоростью передачи. Стандарт V.34 предусматривает 6 номиналов модуляционной скорости: 2 400, 2 743, 2 800, 3 000, 3 200 и 3 429 Бод. В качестве линейного сигнала используется четырехмерная сигнально-кодовая конструкция со сверточным кодированием на 16, 32 и 64 состояния. На КТЧ высокой протяженности в передатчике предусматривается амплитудно-фазовое предыскажение сигнала. Кроме того, предусматривается возможность выбора одного из одиннадцати заранее подготовленных "шаблонов" спектра передаваемого сигнала, позволяющих учесть особенности передаточных характеристик различных типов АЛ. В результате применения таких технических решений и был получен универсальный протокол адаптируемой ПД по КТЧ со скоростями в диапазоне от 2 400 до 33 600 бит/с.

Кроме того, в модемах стандарта V.34 предусмотрено предоставление пользователю различных сервисных услуг, таких как факсимильная связь, АОН, АО, дополнительный  низкоскоростной канал ПД (управления) до 200 бит/с, асимметрия скорости в разных направлениях передачи и др.

По мнению экспертов [22], V.34 – это последний протокол модемной связи по КТЧ, так как в нем обеспечена близкая к теоретическому пределу скорость ПД. Однако следует отметить, что скорость ПД в 33 600 бит/с реализуется в телефонных каналах высокого качества, характерных для Западной Европы и США, где проектировались модемы этой серии. В нашей стране из-за более сложной помеховой обстановки в сети телефонной связи общего пользования скорость работы таких модемов обычно не превышает 14 400–28 800 бит/с.

Дальнейшее повышение скорости ПД специалисты [23] связывают с внедрением цифровых методов ПД. Переходным в этом смысле является стандарт модемной связи V.90.

V.90 – асинхронный дуплексный протокол ПД с возможностью использования ИКМ. Условиями реализации этого протокола является наличие цифровых АТС и соединительных линий между ними, а также оснащение узла доступа провайдера специальным оборудованием – серверами модемного доступа V.90.

В соответствии со стандартом V.90 поток данных, поступающих от провайдера к пользователю, не проходит фазу цифроаналогового преобразования. Отсутствие шумов и искажений, порождаемых ЦАП/АЦП, способствует повышению отношения сигнал/шум в организуемом тракте, что само по себе уже создает условия для увеличения скорости ПД. Предусмотренное протоколом применение ИКМ обеспечивает в направлении к пользователю информационную скорость 56 кбит/с. Поток данных в направлении от пользователя передается, как правило, в аналоговом виде, то есть сигнал проходит ЦАП/АЦП. Сохранение в модемах серии V.90 аналогового окончания связано с необходимостью их встречной работы с типовыми телефонными модемами, например серии V.34. Следовательно, в направлении передачи от пользователя скорость ПД не превышает 33 кбит/с. Естественно, применение модемов протокола V.90 выдвигает жесткие требования к качеству АЛ, где реализуется ЧРНП или ДРНП. На участке "ЦАТС пользователя – сервер доступа" используются типовые ОЦК, характеристики которых поддерживаются соответствующими ЦСП. При данном подходе скорость ПД теоретически может составлять 64 кбит/с, однако стандартом V.90 предусмотрено ее ограничение до 56 кбит/с.

Существует целый ряд причин такого положения, основная из которых связана с особенностью эволюции ИКМ-кодеков [22].

Исследования 8-разрядных ИКМ-преобразователей аналогового сигнала с 256 = 28 уровнями квантования (8 × 8 = 64 кбит/с) показали, что в последнем (младшем) бите доля шумов квантования и продуктов нелинейного преобразования (A- или m-типа) наибольшая. Исключение каждого последнего (младшего) бита из октетов ИКМ и, следовательно, снижение скорости ПД до 7 × 8 = 56 кбит/с, несколько ухудшало естественность восприятия речи, но значительно улучшала помехозащищенность телефонных переговоров.

Современные ИКМ-кодеки имеют частоту дискретизации выше 8 (до 20), однако для возможности их применения в системах с преобразователями старого парка сохранена октетная структура цикла передачи, при этом младший бит в восстановлении речевого сообщения не используется. В этой связи ПД по каналам с ограниченной полосой пропускания осуществляется со скоростью 56 кбит/с .

В протоколе V.90 цифровой модуляции подвергается последовательность с выхода ПЭВМ, а не речевая информация, однако стандартом установлен предел скорости ПД в 56 кбит/с, так как при этом учитывается необходимость "экономии" полосы пропускания АЛ для реализации различных методов разделения направлений передачи.

В отечественной СТфОП на коммутируемых каналах и эта скорость практически не может быть достигнута. Это связано с тем, что при работе на скорости 56 кбит/с пиковая мощность сигнала превышает национальные стандарты для телефонных каналов, образованных многоканальной каналообразующей аппаратурой. Для снижения пиковой мощности сигнала до допустимых пределов скорость ПД снижена до 53 кбит/с. Из изложенного следует, что модем протокола V.90 при работе с сервером (модемом) этого же стандарта в направлении к пользователю по коммутируемому каналу обеспечивает ПД со скоростью 53 кбит/с, а по выделенному каналу – до 56 кбит/с. В обратном направлении или при организации дуплексной связи с любым другим телефонным модемом скорость обмена информацией не может превышать 33 кбит/с.

Для современных модемов к настоящему времени разработаны и внедрены протоколы канального уровня[22], реализующие различные алгоритмы защиты от ошибок. Как правило, эти алгоритмы базируются на помехоустойчивом кодировании и реализуют принципы решающей обратной связи (РОС), например методом автоматического повтора запроса (Automatic Repeat request, ARQ). Циклические коды, применяемые при этом, обладают высокой надежностью обнаружения/исправления ошибок даже в случае внесения невысокой избыточности в передаваемые данные. Указанные аспекты и составили основу самого распространенного на сегодняшний день протокола коррекции ошибок модемной связи V.42 МСЭ-Т.

Таким образом, типовые телефонные модемы являются устройствами, реализующими протоколы ПД физического и канального уровней. В самых современных модемах реализуются интеллектуальные функции, для чего эти устройства снабжаются собственной системой управления, использующей микропроцессоры. Программные средства модемов также разнообразны и сложны.

Развитие модемной техники обусловило появление нового семейства средств абонентского доступа, получивших название "интеллектуальные модемы" [22]. Наряду с расширением перечня услуг, предоставляемых пользователям, данные устройства способны диагностировать линию, самотестироваться, определять оптимальный режим передачи заданного объема информации и др.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.