Дмитрий Мирошников
Одной из главных задач при подключении к сети передачи данных является организация высокоскоростного канала связи от абонента до узла сети. Эта же задача стоит при построении корпоративных или региональных сетей связи. В обоих случаях, когда точки подключения расположены в пределах одного города и пригородов, наиболее эффективный путь решения задачи - использование модемов для физических линий, позволяющих организовать высокоскоростные каналы связи (до 2 Мбит/с) с помощью медных кабелей городских телефонных сетей.
Рис. 1. Тенденции в развитии средств связи
На рис. 1 показано, как изменяются требования к скорости передачи при организации доступа к сетям связи. Видно, что эти требования растут в логарифмическом масштабе. На сегодняшний день наиболее распространены скорости доступа в сеть от 64 кбит/с до 2 Мбит/с.
Современные технологические решения, применяемые в модемах для физических линий, берут свое начало от технологий цифровых абонентских линий (DSL,Digital Subscriber Loop). Технологии DSL позволяют достичь при использовании медного кабеля скоростей и качества передачи, ранее доступных лишь на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).
Термин “цифровая абонентская линия” появился впервые в технологии ISDN, т. е. цифровой сети с интеграцией служб. Абоненту ISDN подводится не аналоговый канал, как в обычной сети, а цифровой со скоростью от 64 до 144 кбит/с. Далее абонент может преобразовать этот поток в обычный телефонный (голосовой) канал или подключить к сети компьютер непосредственно “цифра к цифре”. Для большинства развитых государств появление ISDN решило также и проблему высокоскоростного подключения к Интернет, а для нас с вами (ввиду отсутствия единой сети ISDN) главным достижением стало то, что при разработке технологии ISDN были созданы комплекты микросхем и методы кодирования, позволяющие транслировать потоки 64 кбит/с, 128 кбит/с, 2 Мбит/с по обычным медным парам, которые ранее служили для аналоговой передачи телефонного разговора.
Технология DSL (160 кбит/с)
Итак, первая технология, которая позволяет использовать существующие линии связи для цифровой передачи со скоростью до 128 кбит/с, получила название DSL. В ходе разработки аппаратуры DSL была создана технология кодирования, называемая 2B1Q. С помощью этой технологии можно организовать дуплексную передачу информации со скоростью до 160 кбит/с на одной медной паре. Типичная дистанция (т. е. максимальная длина линии, на которой может работать аппаратура) для этой технологии - 7,5 км при диаметре жилы кабеля 0,5 мм.
Табл. 1. Характеристики модемов для физических линий
Практическому внедрению технологии DSL в сетях передачи данных очень способствовало то, что крупнейшие производители интегральных микросхем наладили массовый выпуск комплектов БИС, реализующих технологию 2B1Q 160 кбит/с (так называемый U-chip). Благодаря этому появилась возможность разработки и производства модема для физической линии (short range modem), основанного на тех же комплектах БИС, что и системы DSL для сети ISDN. Таким образом, модемы нового поколения не только обеспечивают оптимальные дистанции работы, но и имеют существенно более низкую себестоимость.
Типичным примером модема short range, основанного на технологии DSL, можно назвать аппаратуру NTU-128 (рис. 2), производимую для российской компании “Научно-технический центр НАТЕКС” заводами Taicom Data Systems.
Модем NTU-128 поддерживает синхронный дуплексный обмен на скоростях от 48 до 128 кбит/с с пользовательскими интерфейсами V.24 (RS232), V.35 или G.703.
Модемы NTU-128 зарекомендовали себя как надежные и неприхотливые, способные работать на кабелях низкого качества, в том числе составных, с большим количеством отражений.
Однако усовершенствование модемов, основанных на технологии 2B1Q, еще не закончено. До сих пор главным ограничением применения модемов для физических линий была недостаточная дистанция - около 7 - 10 км. В 1997 г. благодаря разработке интеллектуального регенератора НТЦ “НАТЕКС” сумел существенно расширить диапазон использования модемов типа NTU-128. Устанавливая регенератор через каждые 7,5 км кабеля (для кабелей с диаметром жилы 0,5 мм), можно создать цифровые тракты протяженностью до 30 км!
В табл. 1 приведены некоторые характеристики наиболее распространенных на сегодняшний день модемов для физических линий; видно, что большинство изделий основаны на технологии DSL и имеют схожие технические показатели.
Рис. 2. Внешний вид аппаратуры NTU-128
В числе новинок - аппаратура NTU-384. Это модем с автоматической адаптацией скорости передачи под линию связи. Работает по одной медной паре на скорости от 64 до 384 кбит/с. По скоростным характеристикам занимает промежуточное положение между NTU-128 и оборудованием на основе технологии HDSL.
Технология HDSL (2 Мбит/с)
Одной из самых распространенных технологий в ряду DSL является высокоскоростная цифровая абонентская линия HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Loop). HDSL обеспечивает полный дуплексный обмен на скорости 1024 кбит/с по одной паре и 2048 кбит/с (Е1) - по двум. Для передачи служат одна, две или три пары обычного кабеля (например, КПП, КСПП) без подбора параметров и симметрирования. Система является однокабельной, т. е. в одном кабеле осуществляется и прием, и передача. Кроме того, при использовании модуляции CAP (см. ниже) имеется возможность применять для систем HDSL до 50 - 80% пар в одном кабеле.
В результате развития технологий HDSL появились системы SDSL (Single Pair Symmetrical Subscriber Loop), осуществляющие симметричную передачу потока со скоростью 2048 кбит/с по одной паре проводов.
Высокая скорость связи (2 Мбит/с), обеспечиваемая системами HDSL и SDSL, позволяет использовать их не только как средство доступа в сеть, но и для решения корпоративных задач, например соединения двух локальных сетей (рис.3).
Еще одним вариантом технологии DSL является асимметричная цифровая абонентская линия ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop). Технология ADSL обеспечивает передачу по электрическому кабелю потоков с асимметричной скоростью: прямой канал - до 8 Мбит/с, обратный - до 640 кбит/с.
Очень высокоскоростная абонентская линия VDSL (Very High-bit-rate DSL) - дело будущего. Ожидается, что с применением технологии VDSL будет достигнута скорость передачи до 51 Мбит/с.
Рис. 3. Объединение локальных вычислительных сетей
Остановимся на HDSL и SDSL, так как эти системы уже находятся в серийном производстве и широко используются в большинстве развитых стран.
Длина линии, доступная для технологии HDSL, позволяет решить 90% задач, связанных с обеспечением доступа в сеть. Например, для систем HDSL WATSON1,3 (CAP64) типовая дистанция составляет от 5 км (диаметр провода 0,5 мм) до 16 км (диаметр провода 1,2 мм). Для систем SDSL WATSON4 (CAP128) ввиду более высокой линейной скорости типовая дистанция несколько меньше - 3 км по жиле 0,4 мм. Однако для организации сетей ПД или связи ЛВС часто требуются большие дистанции. В этом случае применяют регенераторы, обычно до двух на линию при дистанционном электропитании и до семи при локальном.
Рис. 4. Спектр сигналов HDB3, 2B1Q и CAP
Для организации линейного тракта аппаратура HDSL поддерживает две технологии кодирования - 2B1Q или CAP. Могут быть использованы две кабельные пары (2B1Q и CAP64), по каждой из которых передается дуплексный поток со скоростью 1168 кбит/с, суммируемый затем в поток 2 Мбит/с (Е1), или одна пара (CAP128), транслирующая поток со скоростью 2320 кбит/с.
Технология 2B1Q - это четырехуровневое кодирование с симметричным спектром (рис. 4). Для сравнения на рисунке приведен также спектр кода HDB3, применяемого в линейном тракте аппаратуры ИКМ30. Очевидно, что благодаря более низкочастотному спектру (затухание в кабеле растет с увеличением частоты сигнала), дистанция передачи в HDSL c кодом 2B1Q существенно больше по сравнению с HDB3.
Однако наиболее передовой технологией в HDSL считается CAP - амплитудно-фазовая модуляция без несущей. Модуляция CAP64 обеспечивает передачу в каждый момент времени 6 бит информации, CAP128 - 7 бит против 2 бит в 2B1Q и 1 бита в HDB3. Это позволяет еще больше ограничить спектр излучаемого в линию сигнала.
Из сравнительного анализа спектров видны основные преимущества систем, основанных на CAP модуляции: а) нечувствительность к высокочастотным и импульсным шумам, к низкочастотным наводкам и искажениям, например при пуске мощных электрических машин (железные дороги, метро) или электросварке; б) минимальный уровень наводок на соседние пары, что обусловлено отсутствием излучения энергии на частоте свыше 250 кГц; в) отсутствие интерференции (взаимовлияния) и помех в спектре обычного телефонного сигнала ввиду отсутствия в спектре составляющих ниже 6 кГц. г) меньшая чувствительность к качеству кабеля; д) увеличенная дистанция (для CAP64 при работе по двум парам).
Важным новшеством, примененным в аппаратуре HDSL, является использование микропроцессорного метода эхокомпенсации. Это позволяет вести по каждой из задействованных линий (медных пар) одновременную передачу в обоих направлениях. Система автоматически отфильтровывает (вычитает) из принимаемого сигнала сигнал собственного передатчика и его эхо. Благодаря эхокомпенсации в одном кабеле может быть одновременно задействовано несколько десятков пар.
В табл. 2 приведены сравнительные характеристики высокоскоростных модемов, использующих кодирование HDB3, 2B1Q, CAP64 и CAP128.
Табл. 2. характеристики модемов, использующих кодирование HDB3, 2B1Q, CAP64 и CAP128
На рис. 5 представлен внешний вид высокоскоростных модемов WATSON.
Рис. 5. Аппаратура WATSON 2
Конструктивное исполнение
Важными характеристиками модемов для физических линий являются также возможность выбора интерфейсов, наличие функции самодиагностики и централизованного управления, а также вид конструктивного исполнения.
Наиболее широко применяемый интерфейс для соединения персональных ЭВМ или ЛВС на невысокой скорости - V.24 (RS-232C), поэтому все модемы имеют этот тип интерфейса.
Для более высоких скоростей чаще всего используется интерфейс V.35, который есть у большинства модемов. В некоторых высокоскоростных модемах, например WATSON, предусмотрена возможность установки двух интерфейсов V.35 для организации двух независимых трактов со скоростью N*64 кбит/с (N - от 1 до 16). Многие высокоскоростные 2Мбит/с модемы поддерживают и режим N*64 кбит/с (N - от 1 до 32). Все 2048 кбит/с модемы и некоторые низкоскоростные (например, NTU-128) поддерживают также интерфейс G.703, широко распространенный в телефонии.
Наличие системы самодиагностики и централизованного управления позволяет оператору контролировать состояние сети, быстро локализовать и устранять сбой или неисправность, контролировать работу абонента. Система управления обычно используется для модемов, имеющих так называемое “стоечное” исполнение. Подобные модемы размещаются в 19-дюймовые кассеты, которые удобны при монтаже на узле сети, поскольку имеют стандартные крепежные элементы, возможность электропитания от станционных батарей (60 В постоянного тока), интерфейсы аварийных сообщений и т. д. Для установки у пользователей применяются автономные модули, связанные с модемами в “стойке” через дополнительный канал управления, работающий одновременно с передачей данных. В некоторых системах, например в NTU-128, для управления служит ЖКИ-дисплей и кнопочная клавиатура (рис. 1), в других (WATSON, рис. 2) - компьютерное управление по протоколу SNMP.
Надеемся, что теперь у читателя есть уверенность в том, что высокоскоростной доступ в сеть передачи данных с использованием существующих телефонных линий - не дело далекого будущего, а реально возможен уже сегодня. Рост популярности DSL и HDSL модемов подтверждает это. Например, по данным производителя модемов WATSON фирмы Schmid Telecom AG (Швейцария), в 1995 г. доля поставок в страны Восточной Европы, включая Россию, была менее 5%. В 1996 г. спрос на системы WATSON в России и Восточной Европе существенно увеличился, прежде всего на системы с модуляцией CAP, благодаря чему НТЦ “НАТЕКС”, дистрибьютор Schmid в СНГ, расчитывает выйти на третье место (после Франции и Германии) по объему поставок продукции этой фирмы.
С автором статьи можно связаться по телефону: (095) 325-0122 или по E-mail: ntc@nateks.msk.su.
