Проблема обеспечения высоких скоростей передачи информации уже стала притчей во языцех, и особенно остро такие скорости требуются на участке доступа от абонента до узла связи. Хотя за последние годы в данном отношении много удалось добиться, до конца задача еще не решена. Сейчас на магистральных участках сетей можно получить по разумной цене практически любую необходимую пропускную способность. К сожалению, столь радужная картина на «последнюю милю» пока не распространяется. Рассмотрим технологии высокоскоростного доступа к сетям передачи данных, ориентированные на массового клиента.

Варианты доступа

Исторически сложилось так, что самым распространенным решением, обеспечивающим доступ к сетям связи, оказалось использование абонентской кабельной инфраструктуры телефонной сети. В основном она создавалась для передачи аналоговых сигналов в полосе частот от 300 до 3400 Гц. Не будем подробно рассказывать о достоинствах и недостатках имеющейся абонентской сети — на эту тему написано уже очень много. Отметим лишь главное: основным достоинством кабельных сетей является то, что они довольно широко распространены, а серьезным недостатком — их качественные характеристики. Важной особенностью абонентской кабельной инфраструктуры является ее тесная связь с существующей телефонной сетью.

В силу всех этих обстоятельств наиболее часто для доступа к сетям передачи данных используются аналоговые модемы, работающие на скоростях до 33,6 кбит/с. Но такая предельная скорость не позволяет предоставить абоненту доступ ко многим видам услуг, обеспечиваемых современными сетями передачи данных. К тому же на российских абонентских линиях даже эта скорость достигается далеко не всегда.

Несколько лет назад очень широко обсуждались перспективы применения так называемых «56К-модемов». Это в высшей степени оригинальное решение, основанное на передаче цифровых сигналов по медной линии, чьи нормированные характеристики представляют собой фильтр нижних частот, не смогло завоевать значительной части отечественного телекоммуникационного рынка. Причин тому довольно много, но главная заключается в том, что для активного внедрения таких устройств кроме замены парка абонентских модемов необходимы весьма существенные затраты на дооснащение телефонных станций. Выигрыш же по скорости относительно аналоговых модемов не столь велик, чтобы обеспечить доступ к сервису, требующему высокой пропускной способности.

Похожая судьба постигла и легендарные сети ISDN. Для поддержки всего доступного комплекса услуг им необходимы цифровые абонентские линии. К сожалению, «радиус действия» стандартных абонентских линий ISDN довольно мал — всего лишь 1 тыс. м. Суммарной скоростью 144 кбит/с, обеспечиваемой данной линией, сложно кого-либо удивить. Еще одним сдерживающим фактором на пути внедрения ISDN стала высокая стоимость станционного и абонентского оборудования. Даже великолепное качество голоса, которое присуще полностью цифровому тракту, связывающему абонентов, не могло оказать решающего влияния на повсеместное распространение технологии ISDN. В настоящее время она преимущественно используется в учрежденческих телефонных станциях, отчаянно конкурируя с технологией VoIP.

Однако, несмотря на относительную неудачу ISDN, идея цифровых абонентских линий оказалась весьма плодотворной. Появилось целое семейство технологий xDSL (Digital Subscriber Line). Далее мы остановимся на них подробнее, но сейчас можно сделать упреждающий вывод: именно они рассматриваются как наиболее перспективные технологии, которые станут использоваться в ближайшие годы для организации абонентской сети.

Кроме того, массовыми сетями являются телевизионные кабельные сети. Практически каждый многоквартирный дом оснащен такой сетью, большое распространение получили системы кабельного телевидения (как масштаба микрорайона, так и охватывающие целые города). Они обладают огромной пропускной способностью, что создает хорошие предпосылки для организации на их базе широкополосных сетей доступа.

Разумеется, наилучшим решением было бы использование на абонентском участке волоконно-оптических кабелей, которые способны интегрировать все мыслимые и немыслимые виды трафика. И конечно, оптическое волокно хорошо бы довести до квартиры каждого абонента. Но, увы, в России пока трудно найти примеры организации доступа на базе оптики для массового клиента.

Наконец, для нашей страны весьма актуальны технологии беспроводного доступа. Довольно значительные территории России вообще не имеют каких-либо проводных систем связи, а их организация потребовала бы немалых капиталовложений. Здесь-то и способны помочь технологии беспроводного доступа, — впрочем, они используются как дополнение к существующим сетям, а также позволяют быстро развертывать системы связи.

Семейство xDSL

Для того чтобы у читателя не сложилось неверное представление о возможностях решений на базе xDSL, сразу же отмечу, что они могут быть использованы не только для организации высокоскоростного доступа. Такие решения нашли широкое применение в корпоративных и публичных сетях. С их помощью организуются соединительные линии между телефонными станциями, состыковываются фрагменты сетей передачи данных, подключаются базовые станции сотовых сетей связи и т. д.

К современному семейству xDSL относятся следующие достаточно широко применяющиеся технологии:

  • HDSL (High data rate Digital Subscriber Line) — высокоскоростная цифровая абонентская линия;
  • SDSL (Single line Digital Subscriber Line) — высокоскоростная цифровая линия по одной физической паре. Иногда под буквой S подразумевают термин «симметричная»;
  • ADSL (Asymmetric data rate Digital Subscriber Line) — асимметричная высокоскоростная абонентская линия.

Оборудование, базирующееся на технологии HDSL, на телекоммуникационном рынке появилось прежде других устройств xDSL. Оно обеспечивает одинаковую скорость в обоих направлениях, которая обычно не превышает 2 Мбит/с. Чаще всего для организации линии HSDL используются две пары медных жил. Дальность связи составляет 5 - 7 км. Наиболее широко данная технология применяется в корпоративных сетях (для объединения локальных сетей или подключения УАТС к городским телефонным сетям), а также для организации связи между базовыми станциями сотовых сетей.

Технология SDSL сродни HDSL как по скорости, так и по назначению. Единственное, но очень значимое отличие заключается в числе используемых пар: в SDSL скорость 2 Мбит/с обеспечивается по одной медной паре. Сейчас оборудование HDSL постепенно заменяется устройствами SDSL.

Наибольший интерес вызывает технология ADSL, так как область ее применения гораздо шире, чем у HDSD и SDSL. Благодаря заложенной в ней асимметричности (до 8 Мбит/с в сторону абонента — так называемый поток downstream и до 1 Мбит/с в сторону сети — поток upstream) эта технология идеально подходит для подключения к Internet и применения в других системах типа клиент-сервер. Она способна обеспечить связь на расстоянии до 5,5 км, что точно совпадает с типичной длиной абонентских линий городских телефонных станций.

Варианты xDSL-доступа

На рис. 1 приведены схемы организации линий связи с помощью HDSL и ADSL. Как видите, на каждом конце линии HDSL используются одинаковые устройства. В случае применения модемов ADSL требуется дополнительное оборудование — сплиттеры (они представляют собой фильтры и служат для разделения каналов данных и голоса) и используемые для подключения к сетям передачи данных мультиплексоры DSLAM (Digital Subscriber Loop Access Multiplexer).

Существуют и другие члены семейства xDLS, которые либо не нашли широкого применения, либо пока не оформились в качестве стандартов. К ним можно отнести, скажем, технологию ISDL (ISDN DSL), которая позволяет подключать абонентские устройства ISDN непосредственно к сетям передачи данных. Этот вариант DSL создавался для обеспечения плавной миграции от распределительных сетей ISDN к высокоскоростным цифровым абонентским линиям — при сохранении установленного абонентского оборудования ISDN, предназначенного для передачи данных.

Были разработаны решения, позволяющие подстраивать скорость передачи в зависимости от характеристик линии и потребностей абонента. Ныне существуют две такие технологии. Одна из них — RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) — является разновидностью ADSL и обеспечивает скорость от 1 до 6 Мбит/с. Другая является развитием SDSL и носит название MSDSL (Multirate SDSL). В данной технологии используется одна пара и поддерживается подстройка скорости в диапазоне от 64 до 1152 кбит/с.

Если скорости 8 Мбит/с недостаточно, можно попытаться прибегнуть к помощи технологии сверхвысокоскоростной цифровой линии — VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line). Она поддерживает передачу к абоненту на скорости до 52 Мбит/с, а в обратном направлении — до 2 Мбит/с. Правда, в отличие от своих «сестер», VDSL способна работать лишь на малых дистанциях, до 500 м. Сферой ее применения могут стать абонентские участки комбинированных сетей «оптоволокно-медь», расположенные в пределах здания.

Такие характеристики устройств xDSL, как скорость передачи и дальность действия, во многом определяются используемыми методами линейного кодирования. В устройствах HDSL применяется модуляция 2B1Q (т. е. каждое значение амплитуды несущей соответствует двум передаваемым битам). Сигнал, модулированный таким способом, не способен обеспечить большую дальность передачи, так как обладает достаточно широким спектром. При передаче по медной телефонной паре высокочастотные составляющие ослабляются значительно сильнее низкочастотных. К тому же первые гораздо чувствительнее к помехам, которых в условиях города предостаточно (например, работающие электродвигатели, проезжающие трамваи, электросварка и т. п.

Более узкий спектр имеет сигнал, модулированный по методу САР (Carrierless Amplitude-Phase), амплитудно-фазовая модуляция без несущей. Существуют две ее разновидности — CAP64 и CAP128. В первом варианте каждое модуляционное изменение несет информацию о 6 бит информации, во втором - о 7 бит. В отличие от 2B1Q этот вид модуляции не чувствителен к высокочастотным помехам и его спектр не занимает полосу разговорного канала (от 0 до 4 кГц). К сожалению, данная технология пока не стандартизована.

В последнее время все чаще применяется модуляция DMT (Discrete MultiTone). Она описана в стандартах американского национального института по стандартизации ANSI Т1.413 и ITU-T G.922.2. Если при модуляции САР используется одна несущая частота, пусть даже и подавленная, то в DMT формируется сразу 256 несущих с шагом в 4 кГц.

Кабельные модемы

Кабельные модемы представляют собой альтернативу решению ASDL при организации доступа в Internet. Они могут обеспечивать скорость потока downstream до 40 Мбит/с, а upstream - до 10 Мбит/с. Достаточно серьезные цифры, чтобы внимательно присмотреться к данной технологии. Другим стимулом для применения кабельных модемов стало распространение гибридных сетей, представляющих собой магистральные оптические сети с коаксиальными ответвлениями.

Используются две схемы работы кабельных модемов (рис. 2). Здесь CMTS (Cable Modem Termination System) представляет собой систему, решающую задачи как маршрутизации, так и поддержки абонентских модемов.

Сети доступа на основе кабельных модемов

Первый из приведенных на рисунке вариантов напоминает доступ в Internet через спутниковые каналы: пользователь также вынужден отправлять запросы через традиционное модемное соединение по коммутируемой телефонной сети. Эта схема позволяет минимизировать затраты оператора кабельного телевидения при организации доступа в Internet, поскольку в данном случае не требуется замены линейного оборудования. Но для клиента такой сервис не слишком удобен: приходится устанавливать дополнительное соединение, занимая телефонную линию, и серьезный дисбаланс скоростей между прямым и обратным каналами затрудняет интерактивную работу. Для него более удачен вариант организации канала upstream по тому же коаксиальному кабелю (см. рис 2), но тогда требуется частичная замена оборудования кабельной сети (в частности, необходимо использовать двунаправленные промежуточные усилители).

Общим недостатком кабельных модемов является ограничение на число абонентов, подключающихся к каждому коаксиальному сегменту кабельной сети. В таком сегменте допускается наличие до 500 точек подключения оконечного оборудования. Существующие сети были спроектированы с ориентацией на телевизионные приемники. Обычно на квартиру предусматривается две точки подключения, но в наше время двумя телевизорами на квартиру уже трудно кого-то удивить. Таким образом, снова могут возникнуть позабытые было споры домочадцев о том, («в новой редакции»), что лучше — сериал или серфинг по Internet.

Другой проблемой кабельных модемов является совместное использование полосы пропускания прямого и обратного каналов пропорционально всеми подключенными пользователями. Даже если во всех точках подключения коаксиального сегмента будут задействованы кабельные модемы, получаемые значения (до 80 кбит/с downstream и до 20 кбит/с upstream) окажутся значительно более высокими, чем обеспечиваемые традиционным dial-up-соединением. Но и в том случае, когда таких модемов задействуется на порядок меньше, их пользователи могут столкнуться с проблемой использования интерактивных мультимедийных приложений. А ведь приведенные расчеты основывались на максимальных скоростях передачи, достигаемых кабельными модемами. Реальные возможности оборудования большинства производителей несколько скромнее.

Решения в области кабельных модемов стандартизованы. В 1998 г. была принята рекомендация ITU-T J.112, в которой описываются методы передачи данных по сетям кабельного телевидения. Правда, в настоящее время довольно широко распространены решения, основанные на фирменных протоколах связи и методах модуляции. С этим связаны многочисленные проблемы обеспечения совместимости оборудования различных фирм. Чтобы решить их, производители кабельных модемов объединились в консорциум CableLabs, который на основе рекомендации J.112 разработал отраслевой стандарт DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification). В данном стандарте учтены различия между телевизионными системами и, следовательно, сетями кабельного телевидения различных стран. На европейский рынок должны поставляться кабельные модемы, передающие информацию в полосе

8 МГц. В этом случае при использовании модуляции 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation — многопозиционной амплитудной модуляции) можно достичь скорости 38 Мбит/с. В стандарте же оговорено применение модуляции 256QAM, что позволит добиться скорости 52 Мбит/с.

Стандарт DOCSIS предусматривает передачу информации, чувствительной к задержкам (видео, речь). Для этого используются механизмы QoS, аналогичные применяемым в сетях передачи данных.

Беспроводные системы

Популярность использования беспроводных решений для «последней мили» обусловлена возможностями существенного снижения затрат и быстрого развертывания систем связи на их основе. Самым главным достоинством беспроводных систем является отсутствие необходимости в прокладке медных или оптических кабелей к каждому из абонентов.

Немалая доля смонтированной номерной емкости городских АТС (по некоторым оценкам — до 10%) в нашей стране фактически простаивает. Подключить абонента не предоставляется возможным именно в силу отсутствия свободных пар в кабельной инфраструктуре. В этих случаях оптимальными могут стать решения, основанные на стандарте DECT. Данный стандарт подробно описан в статье Л. Невдяева «Все о DEst» («Сети», 2000, №12, 2001, №1).

Если решения DECT в основном ориентированы на голосовую связь (хотя большинство производителей анонсируют и возможность передачи данных), то системы RadioEthernet в первую очередь предназначены для транспортировки данных. В нашей стране накоплен достаточный опыт создания таких радиосетей, позволяющих как подключать абонентов к Inernet, так и строить корпоративные территориально распределенные сети.

Стандарт IEEE 802.11 (RadioEthernet) описывает организацию беспроводной связи в таком режиме, в котором абоненты имеют равноправный доступ к общему каналу (именно в нем обычно функционирует сеть Ethernet). Общий канал связи допускается организовывать с помощью нескольких технологий. Согласно стандарту IEEE 802.11, для этого могут использоваться оптические сигналы (в инфракрасной части спектра) и широкополосные сигналы, формируемые двумя способами.

Системы связи на основе широкополосных, или шумоподобных, сигналов применяются достаточно давно. Первоначально эта технология применялась исключительно в военных целях и в некоторых профессиональных системах, например в гидроакустике. Лишь в последнее десятилетие благодаря успехам микроэлектроники появилась возможность выпускать оборудование связи, приемлемое по габаритам и по ценам. Это сразу открыло дорогу для массового применения шумоподобных сигналов (ШПС). Например, ШПС являются основой стандарта CDMA.

Известно, что длительность импульсного сигнала и ширина его спектра тесно связаны между собой и что их произведение равно единице. У ШПС эта величина, называемая базой, много больше единицы. По своим характеристикам ШПС очень схож с «белым шумом», поэтому и получил наименование - «шумоподобный». Такие сигналы формируются несколькими методами, два из которых, используемые в RadioEthernet, мы рассмотрим чуть позже. На приемной стороне в результате обработки по заданному правилу всех спектральных составляющих ШПС получается исходный импульс. Обработка осуществляется с помощью корреляторов и согласованных фильтров.

Применение ШПС позволяет достичь характеристик, которые с помощью традиционных решений сложно, а порой и невозможно обеспечить. Это, во-первых, высокая помехозащищенность. В основном помехи сосредоточены по спектру, поэтому они поражают лишь незначительное число составляющих ШПС. Благодаря корреляционной обработке на приемной стороне сигнал успешно восстанавливается при потере части составляющих. Во-вторых, системы ШПС не создают помех другим средствам связи, так как спектральные составляющие имеют малые амплитуды. Это же свойство обеспечивает скрытность, конфиденциальность работы систем связи, использующих ШПС, что и обусловило распространение таких систем для военных целей. В-третьих, кодовое разделение каналов связи позволяет многократно задействовать единый частотный диапазон. Именно на этом принципе строятся системы CDMA.

В системах RadioEthernet применяются два метода формирования ШПС — DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — формирование спектра прямой последовательности) и FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — формирование спектра с помощью скачков частоты). Первый из них подразумевает разбиение полосы частот на 11 каналов. В терминах ШПС это означает, что база данного сигнала равна 11. Второй метод основан на использовании псевдослучайного одновременного переключения передатчика и приемника на один из 79 каналов (согласно стандарту IEEE 802.11). Данный метод не приводит к формированию классического ШПС, но способен обеспечить высокую помехозащищенность и скрытность связи. Однако в этом случае сигнал не «размазывается» по выделенному диапазону, а сосредоточивается в одном из каналов, что является источником помех для других систем связи.

Сети RadioEthernet работают на частотах 915 МГц и 2,4 - 2,4835 ГГц. На частоте 915 МГц используется метод формирования сигнала DSSS. Скорость передачи составляет порядка 2 Мбит/с. В диапазоне 2,4 ГГц обычно применяется метод FHSS, но может задействоваться и DSSS. Тогда весь диапазон делится на ряд каналов, в каждом из которых способна автономно работать система передачи на базе DSSS. Метод FHSS чаще всего используется устройствами, работающими внутри помещений, так как данный метод является менее помехоустойчивым и создает помехи для других систем.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает возможность применения оптических систем связи, однако, в силу их сильной подверженности влиянию погодных условий, такие решения допускается использовать лишь в помещениях. Вместе с тем оптические системы связи привлекательны тем, что для их работы не требуется лицензии, они не создают помех и сами не подвержены помехам со стороны радиопередающих устройств. Эти системы могут служить основой временных сетей или в качестве резервных вариантов стационарных сетей.

###

Превращение Internet в бизнес-среду, появление новых видов сервиса, таких как мультимедийная связь и интерактивное телевидение, - все это приводит к необходимости скорейшего внедрения высокоскоростных сетей доступа, ориентированных на массового пользователя. Поэтому многие операторы связи считают создание таких сетей своей первоочередной задачей. Выбор конкретной технологии зависит от множества факторов, поэтому небезынтересными окажутся рекомендации по этому вопросу, с которыми можно будет ознакомиться на предстоящей конференции «Сетей», посвященной данной проблеме.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями