Обзор российского рынка модемов для физических линий

Коды передачи

Российский рынок модемов для физических линий

Перед теми, кто осознал, что сегодня успех в любом деле определяется скоростью получения необходимых сведений, непременно встает вопрос о выборе канала доступа к компьютерной сети, вернее среды для организации этого канала. В настоящее время (а по мнению многих экспертов - и в ближайшие 40 лет) выбирать приходится, главным образом, из трех вариантов: медь, оптика и эфир. Причем все большую популярность в мире, в том числе в России, завоевывает точка зрения, что современных вариантов только два:

Сторонники таких радикальных решений забывают (или по каким-то причинам не видят), что в этом случае возможности оперативного доступа к информации (знаниям) лишается большая часть населения, так называемые простые люди. У нас же, кроме того, это мелкие и средние предприятия, школы, больницы, библиотеки и все, что не относится к категории "крупный корпоративный пользователь". Кто-то попытается возразить: цена оптоволоконного кабеля практически сравнялась со стоимостью медного. Резонно, но его еще нужно прокладывать. Медный же кабель уже протянут к большинству зданий, где живет или трудится основная масса пользователей. И почему бы не воспользоваться этим зарытым в землю богатством для организации цифровых, достаточно скоростных и надежных, каналов доступа в локальные и глобальные сети?

После соответствующей трансформации (модуляции) оцифрованную информацию можно передавать и по обычным аналоговым телефонным линиям (каналам ТЧ). Однако они предназначены в первую очередь для телефонной связи, поэтому их полоса пропускания не достигает и 4 кГц (из-за установки на коммутационном оборудовании специальных фильтров). Еще в начале 70-х гг. максимальная скорость передачи данных по телефонным каналам составляла 1,2 кбит/с. Затем конструкторы аналоговых модемов, базируясь на трудах Найквиста и Шеннона и достижениях в области микропроцессорной техники, стали применять многопозиционную модуляцию и за 20 лет довели быстродействие телефонных модемов до 28,8 и даже 33,6 кбит/с, что является теоретическим пределом скорости в полосе менее 4 кГц. С учетом компрессии данных реальная скорость может достигать 115,2 кбит/с, но для этого требуются очень сложные, а значит, дорогие модемы и высококачественные телефонные линии.

Если же медными проводами (обычно одной или двумя парами) напрямую - минуя телефонные коммутаторы и установленные в них фильтры - соединить два устройства передачи данных, то по ним можно пропускать данные в диапазоне нескольких мегагерц на скоростях в 50 Мбит/с и более. Однако медная среда оказывает разрушительное воздействие на передаваемый сигнал. Более того, чем шире его спектр, тем быстрее происходит затухание. По данным консорциума ADSL Forum, предельная дальность передачи цифрового сигнала по одной паре медного кабеля (диаметр жилы 0,5 мм) составляет на скорости 1,544 Мбит/с 18 тыс. футов (чуть более 6 км), а на скорости 2,048 Мбит/с и того меньше - 16 тыс. футов (менее 5 км).

Возможность широкополосного доступа по медным проводам реализуется оборудованием ISDN и модемами для выделенных физических линий (МФЛ). ISDN будут посвящены отдельные обзоры, сейчас же поговорим об устройствах для физических линий.

Сначала давайте разберемся, что это такое. Заметим сразу: четкого определения не существует. Даже в США, где создана технология, оборудование для ее реализации обозначают самыми различными терминами: baseband modem, short-range modem, limited distance modem, line driver, short-haul modem. Самое короткое определение для устройств этого типа я нашел в Newton's Telecom Dictionary: аппаратура передачи данных по выделенной ненагруженной медной паре на расстояние до 40 км. Правда, словарная статья сопровождается оговоркой: "возможно, многие с этим определением не согласятся". Другие источники выделяют следующие признаки соответствующих устройств:

Для своей работы они требуют широкой полосы пропускания (не менее 80 кГц), задействуют весь (baseband) или часть допустимого транспортной средой спектра частот и не могут в нем разместить несколько сигналов на отдельных несущих (неспособны использовать механизм частотного разделения каналов).

Определенная часть таких устройств располагает функциями эхоподавления и выравнивания сигнала в линии, что обеспечивает дуплексный² режим работы и увеличение дальности действия.

В настоящем обзоре мы рассмотрим МФЛ, которые реализуют быстродействие до 160 кбит/с, т. е. работают приблизительно в том же скоростном диапазоне, что и телефонные модемы стандартов V.34/V.34+, располагающие функцией сжатия данных. МФЛ используют для передачи данных более широкий спектр частот, поэтому их конструкция проще и они значительно дешевле своих высокотехнологичных собратьев для каналов ТЧ. В связи с этим в ряде случаев по-прежнему целесообразно и экономически выгодно их применение - несмотря на то, что используемые в них алгоритмы кодирования линии, как правило, устарели.

Многие фирмы, включая Nokia, RAD и "ЗелаксПлюс", выпускают МФЛ с быстродействием до 2 Мбит/с. В большинстве из них в той или иной мере применяется технология высокоскоростной цифровой абонентской линии (HDSL), о которой мы намерены рассказать в обзоре, посвященном рынку xDSL-устройств. Это уже МФЛ нового поколения, использующие достижения в области процессоров цифровой обработки сигналов (DSP). Соответственно, они дороже не только обычных МФЛ, но и самых передовых модемов для линий ТЧ. Что же касается высокоскоростных МФЛ фирмы "ЗелаксПлюс", то в них применяются не самые современные методы кодирования линии и их использование целесообразно лишь для решения ограниченного круга задач (см.: "ЗелаксПлюс" выходит на рынок высокоскоростных модемов.../Сети, 1997, N 6, с. 59).

Итак, МФЛ с быстродействием до 160 кбит/с. Как правило, здесь используются простейшие методы двоичного и троичного кодирования линии (см. врезку), что обуславливает широкий спектр передаваемого сигнала, а следовательно, и высокую степень его затухания. Тем не менее низкая (по сравнению с современными xDSL-модемами) пропускная способность этих МФЛ позволяет большинству из них обеспечивать дальность связи по 0,5-миллиметровому кабелю на расстоянии 5-8 км. В результате в городах с хорошо развитой телефонной сетью они дают возможность решить проблему последней мили, поскольку там объекты пользователей редко находятся на удалении более 8 км от АТС. В населенных пунктах, где все же не удается уложиться в такое расстояние, можно использовать пониженные скорости передачи (абсолютное большинство МФЛ позволяют это делать), менее скоростные модемы (типа ASM-10/8 фирмы RAD и Comsphere фирмы Paradyne) или более мощные кабели (с диаметром жилы более 0,5 мм). В крайнем случае приходится устанавливать на линии усилители (репитеры).

До самого последнего времени МФЛ применялись очень широко: для объединения ЛС, проведения видеоконференций, подключения учрежденческих АТС, доступа в корпоративные сети и сети общего пользования, подключения земных станций спутниковой связи и базовых станций сотовой связи к коммутационным узлам, во многих других случаях. С развитием технологий ISDN и xDSL область применения МФЛ резко сузилась. Однако, по мнению технического директора компании "ЗелаксПлюс" Сергея Сухмана, в силу российских финансовых проблем век МФЛ для вышеуказанных применений еще далеко не закончился, поскольку это оборудование значительно дешевле ISDN- и xDSL-модемов. По данным "ЗелаксПлюс", около 3 тыс. ее модемов М-115 работают на крупных предприятиях (в частности, на АвтоВАЗе), железных дорогах, в банках, ряде областных управлений связи, на узлах сетей "Релком", FreeNet, "Совам Телепорт", в кампусных сетях МГУ и институтов РАН. Сергей Сухман утверждает, что за пределами Москвы доступ в Internet обеспечивается, как правило, именно этими устройствами.

Сергей Шабанов, начальник отдела продаж ОАО "Российская телекоммуникационная сеть" (РОСНЕТ), полагает, что по крайней мере для доступа в корпоративные сети, Internet и другие глобальные сети использовать МФЛ не имеет никакого смысла. Уже появились относительно недорогие (1,5 тыс. дол.) асимметричные DSL-устройства с изменяемой скоростью передачи, которые обеспечивают на тех же дистанциях (до 8 км) значительно более качественную связь, но на значительно более высоких скоростях (к абоненту - до 1,6 Мбит/с, от него - 272 кбит/с). Если в первое время клиент неспособен оплачивать такой объем трафика, то устройство можно сконфигурировать на симметричный и дуплексный режим работы со скоростью от 64 кбит/с. Главное преимущество новых модемов - полное сохранение инвестиций до достижения скоростей в 2 Мбит/с и более (устройства производства Paradyne, предлагаемые оператором РОСНЕТ, обеспечивают в направлении абонента максимальное быстродействие 2,56 Мбит/с, а в обратном канале - 1,08 Мбит/с).

Промежуточной, если так можно выразится, точки зрения придерживается Геннадий Котов, начальник сектора отдела телекоммуникаций в АО "Информсвязь": "При наличии достаточных средств целесообразнее приобретать хDSL-модемы, так как они имеют достаточный потенциал по скорости и функциональным возможностям. Модемы на короткие и средние расстояния находят и еще долгое время будут находить применение в банковской сфере, для передачи телеметрии, а также при работе в многоточечных соединениях". Действительно, есть области, где не требуется высокое быстродействие, и дешевые МФЛ спокойно справляются с возложенными на них задачами. По мнению специалистов "Информсвязи", МФЛ еще долго будут использоваться, в частности, муниципальными службами (энергонадзора, водоснабжения и др.) для передачи технологической информации. Благодаря тому, что МФЛ обеспечивают малое время вхождения в синхронизацию и работают в прозрачном режиме, они могут быть весьма эффективными для подключения банкоматов и POS-терминалов к хост-компьютерам. Как подчеркнул Геннадий Котов, полезна их способность работать в многоточечном режиме. Для этих целей пригодны, например, модемы SRM-6DC и SRM 8 производства RAD.

Целый ряд МФЛ был создан для преодоления ограничений по дальности связи, присущих стандартным коммуникационным интерфейсам. Так, самый распространенный интерфейс V.24/V.28, или RS-232, позволяет передавать данные без искажений не более чем на 15 м. Интерфейс V.36/V.11, или RS-422, действует на 1,2 км. Для соединения двух устройств на большем расстоянии можно использовать, например, миниатюрные модемы серий SRM-3, 5 и 6 фирмы RAD. Их преимущества - малые размеры, низкая стоимость и возможность работы без источника питания. Большинство миниатюрных модемов рассчитано на работу в асинхронном режиме со скоростями до 19,2 кбит/с (SRM 6AV - до 115,2 кбит/с) на расстоянии 3-5 км (радиус действия модемов SRM-5SX и SRM-5TX составляет соответственно 900 и 600 м).

В заключение хотелось бы обратить внимание будущих пользователей МФЛ на то, что при использовании этих устройств совместно с аппаратурой временного уплотнения (мультиплексором) в скоростном цифровом тракте, организованном на базе МФЛ, можно по одной - двум парам телефонного кабеля одновременно передавать несколько речевых каналов, синхронных и асинхронных потоков данных.

Результаты испытаний МФЛ (проведены на стенде "ЗелаксПлюс")

Примечания. Испытания проводились в разное время. Тестовый участок кабеля ТПП-0,4 имеет длину 10 км, ТПП-0,5 - 20 км; шаг (расстояние между муфтами) - 200 м. ТПП-0,4 - наиболее часто используемый тип кабеля для абонентских линий.

¹ В обзор не вошли предлагаемые на нашем рынке компанией "Информсвязь" модемы МТМ-15 и МТМ-20 фирмы RAD, которые используют квадратурную амплитудную модуляцию (QAM). За счет более изощренного метода преобразования двоичных сигналов они обеспечивают сравнительно большую дальность связи (производитель даже называет их модемами передачи на средние расстояния), однако по этой же причине они значительно дороже (1617 и 1887 дол. соответственно).

² Здесь и далее термин "дуплексный" употребляется для обозначения режима связи, при котором обеспечивается возможность одновременной передачи и приема данных; в американской литературе ему соответствует термин "full duplex". Для режима двусторонней связи, при котором прием и передача данных происходят попеременно, мы употребляем термин "симплексный" (в англоязычной литературе - duplex). Слово "simplex" американцы используют для обозначения режима односторонней связи.

Коды передачи

Для передачи данных в канале связи двоичные значения "1" (Mark) и "0" (Space) должны быть преобразованы (закодированы) в токовые посылки разной полярности, а при использовании более современных алгоритмов - и разной амплитуды (рис. 1). Широко известный класс кодов - "Non Return to Zero" (NRZ). NRZ-коды бывают различных типов. Например, NRZ Mark Code в начале каждого бит-периода, представляющего "1", изменяет полярность передаваемого сигнала; при передаче двоичного значения "0" такого изменения не происходит.

Однако эти алгоритмы плохо подходят для синхронного режима передачи, так как при следовании нескольких "0" подряд такт из самого сигнала не генерируется. В целях избежания длинных последовательностей сигналов одной полярности применяется битсинхронный код NRZ Space. Он обеспечивает обязательное изменение фазы сигнала после следования шести импульсов одной полярности.

Двухфазный код (Bi Phase) генерирует такт независимо от передаваемого значения. При этом в середине каждого бит-периода происходит переход от "0" к "1" и наоборот. Направление перехода определяет передаваемое двоичное значение. Вариантом данного кода является манчестерский код (называемый еще Bi Phase Mark). Он обеспечивает изменение полярности сигнала в начале каждого передаваемого бита, тем самым генерируя такт. Однако при передаче значения "1" в середине битпериода происходит дополнительное изменение полярности сигнала.

До сих пор мы рассматривали двоичное кодирование. Существуют также троичные и четверичные коды. Примером первого может служить код "биимпульс". Сигнал в линии в этом случае может приобретать три значения: "-", "0" и "+". Двоичное значение "1" кодируется двойным импульсом (первая половина бит-периода - положительным импульсом, вторая - отрицательным); при двоичном значении "0" импульс вообще не передается. Особенность этого кода - эффект взаимного уничтожения положительных и отрицательных импульсов, в результате чего между ними ток не передается (возникает составляющая постоянного тока). Собственно, эта характеристика присуща и двухфазным кодам, ведь их также можно интерпретировать как двуимпульсное кодирование, поскольку для передачи значения "1" в течение полупериода используется сначала положительный, а затем отрицательный импульс. То же самое происходит и со значением "0", только сначала передается отрицательный, а затем положительный импульс.

Код AMI (Alternate Mark Insertion) тоже является троичным, однако он позволяет отказаться от составляющей постоянного тока внутри бит-периода. При использовании этого кода двоичное значение "1" в течение всего бит-периода передается одиночным импульсом, в соответствии с порядком перехода он может быть то положительным, то отрицательным.

При длинных последовательностях "0" код AMI не позволяет генерировать такт из передаваемого сигнала. Для преодоления этого недостатка применяются коды CHDB (Compatible High Density Binary). После следования n периодов значения "0" они обеспечивают обязательную смену полярности сигнала. Так, код CHDB3 (обычно называемый просто HDB3) предполагает, что максимум после трех "0" обязательно передается импульс. Для того чтобы на приемной стороне он не был воспринят как "1", применяется нарушение правила перехода, которое требует обязательного чередования положительных и отрицательных импульсов. При кодировании по методу HDB3 после трех значений "0" передается импульс того же знака, что и у последнего импульса, представлявшего значение "1".

Стоит подробнее остановиться на алгоритме кодирования HDB3, поскольку в Европе в соответствии с рекомендацией G.703 МККТТ он применяется для организации цифровых потоков со скоростью 2,048 Мбит/с. HDB3 не допускает возникновения составляющих постоянного тока. Например, при передаче сигнала, показанного на рис. 2, во второй и третьей последовательности четырех "0" согласно требованию нарушения правила перехода должен был бы передаваться опять отрицательный импульс, что привело бы к суммированию этих импульсов. В целях недопущения подобного суммирования алгоритм HDB3 требует, чтобы нарушения правила перехода попеременно осуществлялись в положительную и отрицательную сторону. Как видно из рисунка, последнее правило приводит к тому, что первое значение из последовательности четырех "0" передается как "1", т. е. импульсом без нарушения правила перехода, а четвертое значение "0" этой последовательности - с нарушением правила перехода.

Следующий класс кодов при передаче по каналу связи отображает группу двоичных значений группой троичных значений. К этому классу относится код 4В3Т (4 binary 3 ternary), применяемый, в частности, в немецком национальном стандарте ISDN. При данном кодировании четыре двоичных значения преобразуются в три троичных. В зависимости от типа кода последовательности троичных "0" (начиная с трех) или троичных значений "+" или "-" (начиная с пяти) используются для синхронизации.

Наконец, в европейском стандарте ISDN, а также в МФЛ и HDSL-модемах многих компаний применяется четверичный код 2В1Q (2 binary 1 quaternary). Он представляет каждую пару двоичных знаков четырьмя дискретными значениями амплитуды и полярности сигнала.

Российский рынок модемов для физических линий

Примечания.
*На макс. скорости по кабелю с диаметром жилы 0,5 мм;
**в зависимости от интерфейсного модуля;
***в асинхронном режиме.
В - внешний; МC - монтируемый в стойку; Н/д - нет данных;
@- консультации по телефону, E-mail и на Web-сервере - бесплатно; выезд к клиенту, установка, настройка - платные;
@@- косультации бесплатно, инсталляция платная;
@@@- консультации (1 год), испытания (под залог), техническая поддержка при конфигурации, ремонт, замена (1 год) - бесплатно, инсталляция платная.