Страница 55 из 64
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.
Цифровые абонентские линии
Когда скорость связи по телефонным линиям достигла значения 56 Кбит/с, создалось впечатление, что развитие на этом остановится. Между тем, каналы кабельного телевидения стали предлагать своим абонентам 10 Мбит/с при работе по общему кабелю. Доступ к Интернету стал неотъемлемой частью бизнеса этих компаний, и телефонные компании (прежде всего, уровня LEC) поняли, что необходимы более конкурентоспособные системы. Для этого нужно было предоставить цифровые услуги конечным пользователям, используя местные линии.
Вскоре появилось множество предложений, носящих общее название xDSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия), где вместо буквы x могли стоять другие буквы. Системы, использующие каналы с расширенной пропускной способностью, иногда называют широкополосными сетями, хотя такой термин является скорее коммерческим, а не техническим. Ниже мы обсудим самую популярную в этой области — ADSL (Asymmetric DSL — асимметричная DSL). Мы будем использовать термины DSL и xDSL для краткого обозначения для всех разновидностей.
Причиной, по которой модемы являются такими медленными устройствами, является то, что телефонные линии, по которым они традиционно работали, были изобретены для передачи человеческой речи и вся система была направлена на оптимизацию именно в этом аспекте. Данные всегда оставались пасынками телефонной системы. В той точке, где заканчивается местная линия (оконечная телефонная станция), сигнал подвергается фильтрации, при которой вырезаются частоты ниже 300 Гц и выше 3400 Гц. Отсечка не является прямоугольной — оба края имеют уровень 3 дБ, — поэтому полоса пропускания считается равной 4000 Гц, хотя на самом деле диапазон между двумя этими краями составляет только 3100 Гц. Таким образом, цифровым данным приходится пробираться по этому узкому каналу.
Хитрость, за счет которой работает xDSL, заключается в том, что ее абоненты подключаются к особому коммутатору, на котором отсутствует описанный выше фильтр. Таким образом, на передачу данных отводится вся полоса пропускания местной линии. Лимитирующим фактором в этом случае становится сама физическая природа линии, а не искусственно вырезанный кусок диапазона в 3100 Гц.
К сожалению, емкость местных линий достаточно быстро падает с увеличением длины линии, и сигнал все более и более ухудшается вдоль провода.
Емкость также зависит от толщины и общего качества витой пары. График зависимости потенциально достижимой пропускной способности от длины линии приведен на рис. 2.29. Здесь предполагается, что все остальные факторы являются оптимальными (новые провода, аккуратные кабели и т. д.).
Реализация такой зависимости создает определенные проблемы для телефонной компании. Когда заявляется определенная скорость работы, автоматически ограничивается радиус, за пределами которого данное предложение не может быть реализовано.
Это означает, что когда приходит клиент, живущий достаточно далеко от телефонной станции, ему говорят: «Спасибо за проявленный интерес, но вы живете на 100 метров дальше от нас, чем нужно для того, чтобы стать нашим абонентом. Не могли бы вы переехать поближе?» Чем ниже предлагаемая скорость, тем больше радиус охвата и количество клиентов. Но, вместе с тем, чем ниже скорость, тем менее привлекательным выглядит предложение и тем меньше абонентов согласится выкладывать свои деньги. Это такой перекресток, на котором встречаются бизнес и технология.