Формулы Шеннона и типы линий передачи, в которых используются модемы

Линии на основе оптоволоконного кабеля практически снимают скоростные ограничения для всех видов информации (включая динамические изображения высокого разрешения). Это – технология будущего, которая не нашла широкого применения в районах с уже сложившейся инфраструктурой. Причина в том, что необходимо вкладывать дополнительные средства в организацию "последней мили". Зачастую прокладку оптических сетей делает невозможной архитектура построенных несколько лет назад зданий. В таких случаях гораздо дешевле применять старый и проверенный xDSL. При строительстве же новых зданий оптические технологии "последней мили" прочно заняли свою нишу и реально используются в странах Юго-Восточной Азии и континентальной Америки.

Беспроводные (радио-) линии привлекательны для тех пользователей, которые не имеют фиксированного рабочего места (учащиеся институтов и университетов, инженеры на производстве и т.д.). Обычно в локальной сети стационарные проводные участки (сегменты) сочетаются с удаленными пользователями или сегментами, обслуживаемыми с помощью радио-модемов (radio modems). Высокая частота несущей (2000...2500 МГц) выбирается из условия малого влияния на передаваемую информацию погодных условий. Возможны также варианты с использованием других диапазонов, расположенных как ниже, так и выше по оси частот. Полоса используемых частот, которая определяет достижимую скорость передачи, ограничена как из-за влияния помех, так и вследствие общей занятости радио-диапазонов. В результате максимальная скорость передачи по беспроводным линиям составляет примерно 2 Мбит/с. Следует заметить, что беспроводная связь на высоких частотах (свыше ~ 900 МГц) устойчиво работает только в условиях прямой видимости абонентов (отсутствия препятствий для радиоволн) на расстоянии до 50 км.

Линии передачи с использованием искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов сигналов в глобальных или региональных компьютерных сетях в целом напоминают наземные варианты беспроводных линий. Для передачи в разных направлениях теперь используются две частоты несущей: 6/4 ГГЦ (другой вариант – 14/12 ГГц). Однако скорость передачи обычно не превышает 50 Мбит/с. Основная проблема в таких линиях связана с заметной временной задержкой сигналов, передаваемых по длинному маршруту. Например, при числе работающих абонентов, равном 100, применяемый алгоритм временного разделения каналов (TDMA) приводит к величине временной задержки 100*2*(37100 км/300000 км/с) 24 с. Для компенсации этой задержки, создающей дискомфорт при "живом" общении, используются специальные наземные станции-накопители информации SDU (Satellite Delay compensation Unit).

Перечисление линий передачи, в которых применяются модемы, можно продолжить. Стоит упомянуть технологии HPNA (Ethernet на телефонной линии) и Bluetooth (высокоскоростная беспроводная технология). Однако разрешение вопроса о том, какая из упомянутых или еще "не заявившая" о себе технологий найдет широкое применение на практике – это проблема прогнозирования, которое не может дать ответ со 100-процентной гарантией по определению. Кроме ограниченной развитости линий (например, отечественные телевизионные кабельные сети), сдерживающими факторами могут быть технические особенности отдельных линий (в частности, ограничение области действия сети на основе силовой проводки пределами тех помещений, которые "питаются" от одного силового трансформатора). Как уже отмечалось, стоимость специфических модемов (типа power line modems, cable modems или radio modems) в настоящее время достаточно высока в сравнении со стоимостью обычных телефонных модемов. Наконец, такие глобальные линии передачи, которые используют искусственные спутники Земли, не всегда доступны рядовому пользователю, хотя неявно их эксплуатируют многие пользователи Интернет.

С достаточной уверенностью можно утверждать, что в ближайшие несколько лет в отечественных условиях будут преобладать решения на основе обычной телефонной линии, то есть модемы, удовлетворяющие стандартам V.34, V.90 и V.92. Более производительные подключения по цифровым линиям xDSL сначала станут широко использоваться в корпоративных сетях, а затем, по мере снижения цен – также и рядовыми пользователями. Этот прогноз может скорректировать появление в ближайшем будущем доступных (в том числе по цене) оптоволоконных линий и аппаратуры для передачи по ним данных (как у провайдеров, так и у конечных пользователей), что в настоящее время представляется маловероятным.

Среди наиболее распространенных при модемной связи телефонных линий есть такие их разновидности и такие режимы работы, которые, опять же, не всегда доступны на практике. Ниже в двух колонках представлены желательные типы и режимы работы телефонных линий, а справа – доступные широкому кругу пользователей (применительно к отечественным условиям).

В современных стандартах для модемов (например, в стандарте V.34) предусматривается возможность работы на двухпроводных переключаемых двухточечных линиях, широко распространенных во всем мире. При работе на выделенных линиях, аренда которых из-за высоких цен считается оправданной только при достаточно высокой и постоянной во времени загрузке (трафике), а также при использовании довольно популярных (но не в России) линий с тональным набором номера существенно снижается уровень помех, и более полно реализуются скоростные возможности модемов. Многоточечные линии обеспечивают дополнительный сервис – возможность одновременного подключения к линии нескольких пользователей для проведения так называемых "селекторных совещаний", в отличии от случающегося иногда многоточечного соединения в обычной линии с прослушиванием посторонних абонентов.

В отношении качества отечественных телефонных линий высказываются обоснованные претензии, связанные с искажениями сигналов из-за множества факторов.

Значительную долю искажений вносят абонентские линии:

• затухание (уменьшение мощности) полезного сигнала;
• изменение амплитудно-частотной характеристики по сравнению со стандартными требованиями (изменение мощности сигнала в зависимости от частоты), причем высокочастотные сигналы затухают более сильно;
• импеданс линии при нормативе 600 Ом ±20% в реальных линиях может лежать в диапазоне от 400 до 1800 Ом. Это означает, что в российских условиях преимущество имеют модемы с перестраиваемым выходным сопротивлением;
• постоянное напряжение смещения (то самое, благодаря которому работают микрофоны) может иметь значительные отклонения от номинала.

При междугородней связи наибольшее влияние оказывают участки переприема, в которых происходит преобразование сигналов из высокочастотных, передаваемых по магистральным линиям с использованием частотного уплотнения каналов, в сигналы звукового диапазона 300..3400 Гц и наоборот. Общее число таких участков может доходить до 8....12. Вносимые искажения во многом зависят от качества настройки полосовых фильтров на телефонных станциях. Основные искажения:

• фазочастотные искажения (отклонение группового времени прохождения относительно его значения на частоте 1900 Гц);
• дополнительные амплитудно-частотные искажения (затухание на краях полосы пропускания);
• смещение несущей частоты (спектр сигнала равномерно смещается на несколько герц);
• джиттер фазы (дрожание фазы по периодическому или случайному закону);
• скачки фазы (случайный поток скачкообразных изменений начальной фазы сигнала).

Существует еще целый ряд искажений, которые могут возникнуть на всем пути сигнала: шумы, импульсные помехи, замирание сигнала – временное уменьшение его мощности до уровня ниже распознавания модемом, колебания амплитуды и др.

"Ответ" модема на все эти искажения, независимо от их природы и места возникновения, один и тот же – снижение реальной скорости передачи, вплоть до временного прекращения связи в процессе автоматической адаптации модема к характеристикам линии (см. последующие пункты данного раздела). Так, если рассматривать влияние на скорость передачи только отношения сигнал-шум по мощности S/N, то, как следует из графика на рис. 17.2, даже для достижения сравнительно "скромной" скорости на уровне 10 Кбит/с в соответствии со стандартом V.34 требуемое отношение сигнал-шум должно быть больше 15 дБ. Измерения на реальных отечественных телефонных линиях, особенно при междугородней связи, показывают возможность снижения отношения сигнал-шум и до меньших величин.