Хочу сразу предупредить: в этой статье вы не найдете инновационных идей или детального анализа какого-либо рыночного явления, этот текст носит чисто описательный характер; если вы разработчик lastmile-оборудования, вы наверняка не узнаете ничего нового и можете смело закрыть окошко браузера прямо сейчас. В самом деле, получив предложение от редакции «НОПа» написать цикл статей с рассмотрением различных телекоммуникационных технологий на физическом уровне, я колебался: уж очень неблагодарное это дело. Во-первых, непонятно, на какой уровень подготовки читателя ориентироваться; во-вторых, не вполне ясно, на что сделать акцент, а что опустить. В то же время, даже среди сотрудников телекоммуникационных компаний значительное число людей — например, менеджеры разного уровня, девушки из колл-центров, даже монтажники — весьма смутно представляют себе физические принципы функционирования оборудования, вокруг которого завязана деятельность компании. В итоге текст предназначен скорее для сферического «читателя среднего уровня» в вакууме, — что, все же, наверное, наилучший вариант. Итак, как же работают системы высокоскоростной передачи данных по телефонным линиям?
Согласно формуле Шеннона, скорость передачи информации по каналу связи определяется произведением полосы пропускания (допустимого диапазона частот) физической среды на логарифмическую функцию от соотношения мощности сигнала к мощности шума. Физической средой передачи информации в системах xDSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия) является медная пара со скруткой, — то есть xDSL-системы используют старую кабельную инфраструктуру, которая десятилетия использовалась для телефонной связи. Спектр (диапазон частот) аналогового сигнала, необходимый для внятной передачи речи и узнавания голоса, лежит в пределах от 0,3 до 3,4 КГц; поэтому оборудование телефонных станций коммутирует каналы шириной 3,1 КГц (их называют каналами тональной частоты, КТЧ). По этой причине dial-up-модемы формируют сигналы в диапазоне 0,3-3,4 КГц, в противном случае сигнал бы искажался при коммутации, и часть информации бы терялась. Однако полоса пропускания медной пары как физической среды гораздо выше — она обычно составляет 1-2 МГц, что позволяет при установке оконечного оборудования на АТС передавать данные со скоростью до 8 Мбит/с.
Системы xDSL в большинстве случаев предназначены для организации абонентского доступа в Интернет, или, по распространенной терминологии, для реализации «последней мили». По статистике, приблизительно в 80 процентах случаев длина кабеля от абонента до АТС не превышает 3 километров в городе и 6 километров в сельской местности; обычно xDSL-системы проектируются именно под такие расстояния. Существуют две причины ограничения дальности высокоскоростной передачи данных: это значительное затухание высокочастотных сигналов, вызванное активным (омическим) сопротивлением линии, и интерференция передаваемых сигналов. В самом деле, реальный сигнал в линии распространяется со скоростью, несколько меньшей, чем скорость света; это связано с наличием у линии индуктивности и емкости. Причем разные частотные составляющие сигнала имеют разную фазовую скорость — из-за этого фронты импульсов смазываются, и сигнал искажается, — смещение частотных составляющих сигнала относительно друг друга и приводит к интерференции сигнала.
Некоторые xDSL-системы (например, различные реализации ADSL) способны сосуществовать на одной физической линии с каналом тональной частоты, который используется телефонной сетью общего пользования, — в идеальном варианте, низко- и высокочастотные сигналы не должны мешать друг другу, так как спектр высокочастотного сигнала не затрагивает КТЧ. Однако, на практике сигналы могут оказывать влияния друг на друга из-за специфических особенностей линии; в этих случаях на абонентском конце устанавливается специальное устройство — сплиттер (модемы стандарта ADSL.Lite (ITU-T G.992.2) во всех случаях работает без сплиттера в ущерб скорости передачи данных).
Что же представляет собой физический сигнал в xDSL-системах?
Наиболее простой способ передачи информации по медной паре — это линейное кодирование. При линейном кодировании не используются гармонические колебания, — электрический сигнал представляет собой последовательность прямоугольных импульсов. Такой тип сигналов применяется, например, в ISDN-системах. Наиболее часто используется алгоритм линейного кодирования 2B1Q (2 Binary — 1 Quandary); он представляет собой один из вариантов реализации алгоритма амплитудно-импульсной модуляции с четырьмя уровнями выходного напряжения без возвращения к нулевому уровню (NRZ — no return to zero). Одному значащему моменту 2B1Q-сигнала соответствует кодовая группа из двух бит; 00 кодируется напряжением -2,5 В, 01 — -0,83 В, 10 — +2,5 В, 11 — +0,83 В. Такой сигнал содержит в себе постоянный ток, и его спектр вплотную примыкает к нулю, что делает невозможным его использование на одной линии с КТЧ. Однако, алгоритм 2B1Q нашел достаточно широкое применение в устройствах xDSL с симметричными скоростями передачи данных: HDSL и SDSL.
Гораздо чаще в компьютерных сетях используют алгоритм QAM и его производные — CAP и DMT. Аббревиатура QAM значит «quadrature amplitude manipulation» — «квадратурная амплитудная манипуляция»; на основе этой технологии реализованы протоколы V.34 и V.90 для модемов КТЧ (слово «манипуляция» в этом контексте тождественно термину «модуляция», применимому для цифровых сигналов; модуляция — это изменение каких-либо параметров несущего колебания — амплитуды, частоты или фазы — для наполнения его информацией). КАМ-сигнал представляет собой сумму двух гармонических колебаний с дискретно изменяющейся амплитудой; относительно друг друга колебания сдвинуты на 180 градусов, — одну составляющую называют синфазной, вторую — квадратурной. Квадратурная амплитудная модуляция обычно является многопозиционной: за счет множества разрешенных уровней амплитуды за один такт работы модулятора может быть передано несколько битов информации. Количество комбинаций (их также называют сигнальными точками) обозначают числом после слова «QAM» и дефиса, например — QAM-4, QAM-16, QAM-256. За один цикл работы модулятора QAM-16 передается 4 бита информации, QAM-256 — 8. Сигнальное созвездие (общепринятое название множества сигнальных точек) КАМ удобно изображать на комплексной плоскости: по действительной оси обычно откладывается амплитуда синфазной составляющей, по мнимой — квадратурной.
CAP-модуляция есть развитие технологии QAM. Спектр любого сигнала на выходе модулятора, вообще, симметричен; он представляет собой «столб» несущей и два зеркально отраженных боковых лепестка справа и слева от него. Как нетрудно догадаться, такой сигнал несет в себе значительное количество избыточной энергии: информация дублируется в «лепестках», а сам «столб» несущей никаких апостреорных сведений в себе не содержит. Ввиду этого, позволяется возможным восстановить заключенную в сигнале информацию, используя только один «лепесток», — остальные составляющие сигнала можно вырезать фильтром; а содержащему значащие моменты сигналу предоставить всю доступную полосу частот канала. В ADSL обычно используется частотное разделение прямого и обратного каналов; в системах с CAP-модуляцией — такие системы производились преимущественно до 2001 года — для восходящего канала используются частоты от 30 до 138 КГц, а для нисходящего — от 138 до 1104 КГц. В современных ADSL-системах такая технология, как правило, не используется.
В настоящее время подавляющее большинство выделенных линий ADSL использует алгоритм модуляции DMT (Discrete Multi-Tone); с помощью этой технологии реализованы наиболее популярные стандарты G.992.1 (G.Dmt) и G.992.2 (G.Lite). В этом случае частотное пространство разбивается на 256 каналов шириной по 4312,5 Гц; в каждом из которых используется квадратурная амплитудная модуляция с различным числом сигнальных точек. Их количество различно для каждого конкретного соединения, — передающее и приемное устройство сами выбирают число сигнальных позиций в зависимости от наличия в кабеле помех на той или иной частоте. В спецификации стандарта G. Dmt нижние 7 каналов вообще никогда не используются, еще 2 зарезервированы для служебных целей; на восходящий поток отводятся 25, а на нисходящий — 224 канала, включая служебные.
Перед модуляцией происходит кодирование сигнала. В этом контексте под кодированием понимают чисто логическую операцию, — добавление к полезной информации неких служебных битов для обнаружения и/или коррекции ошибок. Существует очень большое количество помехоустойчивых и обнаруживающих кодов; потому как все их рассмотреть в этой статье невозможно, мы ограничимся технологиям, применяющимися в современных устройствах ADSL, созданных в соответствии со стандартом ITU G.992.1 (G.DMT): кодированием кодом Рида-Соломона и CRC-кодированием.
Код Рида-Соломона относится к линейным блочным [n,k]-кодам, т.е. кодовое слово из k символов заменяется кодовым словом из n символов; избыточность кода составляет при этом 1-k/n. РС-коды относятся к недвоичным кодам, то есть оперируют не битами, а байтами. Они также относится к циклическим кодам, потому как одно кодовое слово может быть получено путем циклического битового сдвига другого кодового слова. Циклические коды практичны тем, что легко реализуются аппаратно на регистрах сдвига. Корректирующая способность циклических кодов t определяется по формуле t = (n-k)/2. В передающем устройстве кодирование РС-кодами непосредственно предшествует модуляции.
Метод циклического избыточного контроля (cyclic redundancy check, CRC) относится к так называемым «обнаруживающим» кодам. Задача таких кодов — не корректировать ошибки, а лишь выявлять сам факт наличия ошибки в пакете, поэтому избыточность CRC-кодов обычно не превышает 1%. Довольно часто кодирование CRC-кодами путают с помехоустойчивым канальным кодированием из-за схожести формулировки, однако важно понимать принципиальную разницу между способом контроля достоверности переданного сообщения (пакета) с помощью контрольной суммы с кодированием, служащим для исправления битовых ошибок.
При CRC-кодировании передаваемое сообщение представляется в виде одного двоичного многоразрядного числа, например, пакет из 1024 байт будет представлен в виде 8192-разрядного двоичного числа. Это число делится на заранее известное контрольное двоичное число R — основной и, в принципе, единственный параметр кодера. Это число обычно имеет 9, 17 или 33 разряда, дабы остаток от деления на это число не превышал одну степеней двойки. Этот остаток от деления и выступает в качестве контрольной информации.
Кроме кодирования, для сужения спектра сигнала и более устойчивой работы системы синхронизации к пакету может применяться операция скремблирования (рандомизации), при которой биты в пакете перемешиваются по заранее заданному алгоритму без добавления символов избыточности. С помощью скремблирования удаляются большие последовательности нулей или единиц, из-за которых спектр первичного сигнала «сползает» к более низким частотам. Обычно операция скремблирования производится непосредственно перед канальным кодированием.
Собственно, — понимания этих технологий, на мой взгляд, достаточно для представления общих принципов работы xDSL-систем.
