Конспект лекций

постоянной составляющей передаваемого сигнала (составляющая спектра сигна ла с частотой = 0). В силу этого данная гармоника не является в полной мере информативной, и её потеря не повлияет на качество восстановленного сигнала. Хотя исключение гармоники fc из передаваемого сигнала ведет к возникновению определенных трудностей при восстановлении сигнала, эта процедура вполне оправдана, поскольку позволяет существенно снизить уровень неинформативного сигнала, передаваемого в линию. Красным цветом на рисунке показан спектр модулированного колебания, который

Отличия указанных алгоритмов заключаются в использовании дополнительных процедур формирования и восстановления спектра САРмодулированного сигнала.

Достоинства: Поскольку алгоритм амплитудно-фазовой модуляции с подавлением несущей является, по сути, алгоритмом типа QAM, ему свойственны все положительные качества, присущие этому классу алгоритмов - относительная простота реализации и высокая спектральная

Именно этот алгоритм теоретически способен обеспечить максимальные значения SNR и, следовательно, передачу сигнала на наибольшие расстояния. Все эти полезные качества алгоритма модуляции CAP позволяют применять его для построения эффективных и экономичных приемопередающих устройств широкого спектра технологий DSL -

от SDSL до VDSL.

Недостатки: Основным недостатком этого метода является отсутствие стандартизирующего документа, который определяет процедуры преобразования сигналов. Отсутствие этого документа объясняется рядом политических и экономических причин. Одной из причин, которые сдерживают внедрение этой технологии, является сильная поддержка альтернативной технологии DMT, которую оказывает комитет T1E1 ANSI. Другой причиной является недостаточная гибкость лицензионной политики, которую проводит обладатель патента на CAP - компания GlobeSpan. Эти причины, которые нельзя назвать техническими, в то же время являются достаточно вескими, для того, чтобы сдерживать процессы внедрения алгоритма САР в перспективные системы DSL.

DMT-модуляция

Многочастотный способ модуляции (DMT - Discrete Multi Tone) не является принципиально новым. Основные положения этого метода модуляции были сформулированы и запатентованы специалистами Amati Communications еще в начале 1990 г. В 1993 г. технология была выбрана ANSI для реализации в перспективных системах передачи данных. Сложность технической реализации данного способа на первоначальном

этапе его развития ограничивала область его возможного применения. Однако в настоящий момент способ DMT имеет многочисленные технические реализации и является одним из основных методов модуляции наиболее перспективны" технологий xDSL - ADSL и VDSL.

Формирование сигналов согласно DMT принципиально иное, чем у представленных ранее способов. В отличие от КАМ-модуляции, в данном случае используется не одна, а группа частот несущих колебаний. Применительно к конкретике xDSL-технологий весь расчетный частотный диапазон делится на несколько участков шириной 4 3125 кГц. Каждый из этих участков используется для организации независимого канала передачи данных.

На рисунке представлен вариант частотной организации входящего потока стандарта G.DMT . Для данного варианта в направлении абонента организуется 249 частотных каналов. Кроме того, для этого варианта характерно перекрытие частотных диапазонов, которые используются для входящего и исходящего

информационных потоков. На приведенном ниже рисунке представлен вариант частотной организации входящего потока G.DMT.

На этапе проверки качества линии передатчик, исходя из уровня помех в частотном диапазоне участка, для каждого из каналов выбирает подходящую модуляционную схему. На чистых каналах с малым уровнем шумов могут быть использованы алгоритмы с большими значениями , например, QAM 64, в то время, как на более зашумленных участках могут применяться более простые алгоритмы модуляции, например ФМ-4. Очевидно, что использование такого принципа регулирования скорости передачи данных, позволяет наиболее точно согласовать параметры модулированного сигнала с параметрами линии, по которой сигнал будет передаваться. При передаче данных информация распределяется между независимыми каналами пропорционально их пропускной способности, приемник выполняет операцию демультиплексирования и восстанавливает исходный информационный поток. На представленном рисунке зеленым

цветом обозначена неадаптированная частотная характеристика DMTпередатчика. Красным цветом выделена кривая зависимости затухания в линии от частоты передаваемого сигнала. Линией синего цвета обозначена частотная помеха, которая постоянно действует в сравнительно небольшом участке в пределах рабочего диапазона частот передатчика. После выполнения операций согласования пропускной способности элементарных каналов с приведенными частотными характеристиками линии зависимость скоростей передачи данных от частотного номера элементарного канала будет соответствовать кривым, которые приведены на предыдущем рисунке.

алгоритмов QAM. В силу этого он, безусловно, способен обеспечить высокую скорость и надежность передачи данных. К дополнительным достоинствам этого алгоритма относятся возможность оперативной и точной адаптации приемо-передающих устройств к характеристикам линии и практически повсеместное признание этого алгоритма стандартизующими организациями (в первую очередь -ANSI).

К недостаткам алгоритма модуляции DMT относятся его громоздкость и недостаточная технологичность. Алгоритм DMT является наиболее сложным для аппаратной реализации среди всех алгоритмов, которые в настоящее время используются для формирования линейного кода устройств DSL. В то же время, дискуссии о том, насколько оправдана эта сложность и насколько способность к адаптации этого алгоритма соответствует характеристикам реальных линий, после утверждения DMT в

OFDM-модуляция

Способ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) является упрощенным вариантом DMT. В отличие от DMT, OFDM-модуляция использует единое значение спектральной эффективности для всех частотных каналов. Основные принципы формирования OFDMмодулированного сигнала соответствуют принципам формирования DMTсигнала Недостатком способа OFDM можно считать невозможность избирательной адаптации пропускной способности элементарных каналов к частотным характеристикам всего частотного канала.

Обобщенное название xDSL включает в себя большое число конкретных технологий, в частности, DSL, HDSL, SDSL, VDSL, G.Lite. Многие технологии хDSL позволяют совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре. Существующие типы технологий хDSL различаются в основном по используемой форме модуляции и скорости передачи данных. Существующие технологии xDSL разработаны для достижения определенных целей и удовлетворения

определенных нужд рынка. Некоторые технологии xDSL являются оригинальными разработками, другие представляют собой просто теоретические модели, в то время как третьи уже стали широко используемыми стандартами.

HDSL (англ: High Data Rate Digital Subscriber Line) — высокоскоростная цифровая абонентская линия. Это первая технология высокоскоростной передачи данных (ПД) по скрученным медным парам телефонных кабелей, использующая высокие частоты. Скорость 768/1024 кбит/с по одной паре.

SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) — симметричная цифровая абонентская линия, является вариантом HDSL, в котором используется только одна пара кабеля. SDSL обеспечивает одинаковую скорость передачи данных как в сторону пользователя, так и от него. Известны две модификации этого оборудования: MSDSL (многоскоростная SDSL, предусматривает коррекцию скорости передачи и за счет этого поддерживает большую дальность на малых скоростях) и HDSL2, имеющие встроенный механизм адаптации скорости передачи к параметрам физической линии. Дуплексная передача по одной паре на скорости 2048 кбит/с

VDSL (англ. Very-high data rate Digital Subscriber Line,

сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) — самое современное xDSL решение, продукт эволюции и конвергенции технологий ADSL и G.SHDSL. По сравнению с ADSL, VDSL имеет значительно более высокую скорость передачи данных: от 13 до 52 Мбит/с в направлении от сети к пользователю (Downstream) и до 11 Мбит/с от пользователя к сети (Upstream) при работе в асимметричном режиме; максимальная пропускная способность линии VDSL при работе в симметричном режиме составляет примерно 26 Мбит/с в каждом направлении передачи. В зависимости от требуемой пропускной способности и типа кабеля длина линии VDSL лежит в пределах от 300 метров до 1,3 км. Предоставление пользователю столь высоких пропускных способностей возможно только в смешанной медно-оптической сети доступа, к которой традиционная сеть доступа на металлических кабелях будет мигрировать по мере появления новых приложений и связанного с этим увеличения числа пользователей, нуждающихся в столь высоких пропускных способностях технологии VDSL.

Технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) — это новая высокоскоростная технология, которая решает проблему пропускной способности абонентской линии ТфОП ("последней мили") — линии связи между поставщиком и потребителем услуг сетей передачи данных. Асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) является наиболее популярной технологией DSL.

Таблица xDSL-технологий

Cкорость

Название технологии Возможности технологии передачи

В настоящее время имеются две основные реализации систем ADSL: с

частотным разделением (FDM - Frequency Division Multiplexing) и с эхо-

подавлением. В системах с FDM прием и передача данных осуществляется в разных частотных диапазонах, в результате чего они не мешают друг другу. В системах с эхо-подавлением сигналы принимаются и передаются на одних и тех же частотах одновременно и успешно разделяются путем реализованных на цифровых сигнальных процессорах алгоритмов эхоподавления. Спектры сигналов для двух описанных подходов представлены на рисунке:

Усовершенствованием ADSL является технология RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line), которая изменяет скорость передачи в зависимости от качества линии.

Большинство технологий xDSL являются фирменными. Каждый производитель xDSL-модемов реализует свой собственный метод передачи данных, соответствующий второму выпуску стандарта ANSI Т 1.413, в котором указаны рекомендуемые шумовые и частотные характеристики оборудования, но не определен метод кодирования данных. При покупке услуги xDSL абонент получает маршрутизатор или модем xDSL, совместимый с оборудованием поставщика услуг. Разработанный стандарт ITU-T G.Lite предназначен для стандартизации параметров передачи, что позволяет пользователям свободно выбирать на рынке совместимые между собой средства xDSL. Технологию G.Lite иногда также называют Universal ADSL (UADSL) или ADSL Lite. При использовании этой технологии данные передаются на более низких скоростях, чем в ADSL. Так, при длине абонентской линии до 3,5 км обеспечивается скорость 1,5 Мбит/с в направлении к абоненту и 384 кбит/с - в обратном направлении. При длине линии до 5,5 км обеспечивается 640 кбит/с в направлении к абоненту и 196 кбит/с - в противоположном. Преимущества устройств G.Lite состоят в простоте их инсталляции.

Применение ADSL предполагает установку модема на обоих концах абонентской телефонной линии на АТС и у абонента. На абонентской линии он называется ADSL модем, на станционной стороне – это оборудование мультиплексора ADSL. Для частотного разделения сигналов по обе стороны бывшей телефонной линии устанавливаются "сплиттеры". Сплиттеры – это пассивные элементы, сделанные на основе двух фильтров :одного – высоких частот, а другого низких частот. Сплиттеры для своей работы не требуют электропитания. Поэтому даже в условиях отключения электропитания

телефонная связь продолжает работать без сбоя. Линия представляет витую пару медных проводников. В случае использования обычно телефонной линии телефонная связь передается в диапазоне от 300 до 3400Гц, ADSL занимает частоты, начиная с 30 кГц.

Типовая схема использования оборудования xDSL применительно к технологии ADSL приведена на рисунке, где DSLAM (DSL Access Module) обычно представляет

Можно отметить следующие преимущества ADSL:

1.ADSL позволяет получать высокоскоростной канал передачи данных по обычной телефонной линии, одновременно оставляя телефонную связь свободной, что создает огромные преимущества для пользователя;

2.ADSL обеспечивает недорогой, высокоскоростной удаленный доступ в Internet и корпоративные сети, а также доступ к online-услугам по обычным телефонным линиям

o более чем в 100 раз быстрее, чем модемы 56 Кбит/с. o в 70 раз быстрее, чем ISDN-модемы 128 Кбит/c.

3.ADSL обеспечивает индивидуальный, выделенный и надежный канал

связи (в отличие от обычного телефона, оборудованного модемом. Так как линия выделенная, то скорость передачи не зависит от того, находятся ли в системе другие пользователи. При использовании обычных модемов скорость передачи значительно падает, если в систему подключаются другие пользователи, так как линия обычно используется коллективно через модемный пул;

4. Линия ADSL "всегда включена" и готова к работе, так же как и закрепленный за этой линией телефон. Это уменьшает потери времени на вызов услуги и установление связи; ADSL находится в режиме ожидания и постоянно готов к работе.

Модемыдлясетейсотовойсвязи

Передача речи все еще составляет 92-96% трафика сетей сотовой связи. Однако объем передачи данных по таким сетям имеет тенденцию к быстрому увеличению.

Виды сотовый сетей: 1)аналоговые 2)цифровые

Все первые системы, или стандарты, сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:

•AMPS (Advanced Mobile Phone Service - усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) - широко используется в США, Канаде, центральной и Южной Америке, Австралии; известна также как «североамериканский стандарт»;

•TACS (Total Access Communications System - общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) - используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS - в Англии и JT ACS/NT ACS -

вЯпонии;

•NMT 450 и NMT 900 (Nordic Mobile Telephone - мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) - используется в Скандинавии и во многих других странах; известен также как «скандинавский стандарт»; стандарт NMT 450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных (второй - цифровой стандарт GSM);

•NTT (Nippon Telephone and Telegraph system - японская система телефона и телеграфа, диапазон 800 - 900 МГц - в трех вариантах) - используется в Японии.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления . Для передачи информации различных каналов используются разные участки спектра частот –п рименяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA - Frequency Division Multiple Access) с шириной полосы частот каналов, 12,5 - 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном множественном доступе. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов - в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах .

Основными стандартами сотовой связи второго поколения являются следующие:

• D-AMPS - цифровой AMPS, диапазоны 800 и 1900 МГц; иногда употребляется наименование NA TDMA - «североамериканский TDMA»;

•GSM - глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц - это уже самый распространенный стандарт в мире;

•CDMA - множественный доступ с кодовым разделением каналов, диапазоны 800 и 1900 МГц.

Особенности передачи данных в сетях сотовой связи

С точки зрения передачи данных аналоговые сети сотовой связи принципиально должны мало отличаться от ТфОП, так как они предоставляют те же телефонные каналы тональной частоты 0,3-3,4 кГц. Однако в отличие от каналов обычной телефонной сети каналы сотовых сетей обладают рядом особенностей, которые серьезно влияют на качество передачи данных. К таким особенностям, в первую очередь, относятся следующие.

1.При перемещении мобильной станции MS (Mobile Station) из одной соты

вдругую происходит переключение обслуживающей базовой станции BTS (Base Transceiver Station) и радиоканала (операция, носящая название хендовера - handover). При изменении расстояния от мобильного телефона до базовой станции также происходит переключение мощности передатчика -> несущая частота модема, прерываются на 0,2-1,2 с. Обычный модем реагирует на это процедурой повторного соединения, которая продолжается в течение 10 с, или даже разъединением.

2.Замирания и многолучевое распространение радиосигналов оказывает существенное влияние на качество связи. Из-за различия фаз сигналов, пришедших различными путями, возникает интерференция, которая в зависимости от места расположения приемника изменяет уровень принимаемого сигнала (отношения сигнал/шум) -> ошибки.

3.Аналоговые сети сотовой связи первоначально разрабатывались для голосовой связи. Поэтому в них широко используется компандирование (позволяет передавать сигналы с большим динамическим диапазоном через среду с меньшим динамическим диапазоном) и предварительная коррекция АЧХ канала. Высокий уровень несущей в таких каналах приводит к искажениям, вызванным ограничением сигнала. А слишком низкий уровень сигнала ухудшает отношения сигнал/шум при его приеме.

Вцифровых сетях сотовой связи перечисленные проблемы в основном решаются на уровне системного проектирования, что закономерно, так как в них голос передается в цифровом виде, то есть в том же виде, что и данные. В результате пользователь получает высококачественный цифровой канал (в стандарте GSM - со скоростью 13 кбит/с), который и используется для

передачи его оцифрованного голоса. Этот цифровой канал тем либо иным образом можно использовать и для передачи данных от компьютера или другого DTE.

В общем случае передача данных по цифровым сотовым сетям, по сравнению с передачей данных по аналоговым сотовым сетям, обеспечивает значительно большую надежность и устойчивость к шумам и задержкам при переходе абонента из одной соты в другую, а также к замираниям и многолучевому распространению радиосигналов.

Применение модемов в аналоговых сетяхсотовой связи

Для успешной передачи данных через аналоговую сеть сотовой связи на стороне подвижного абонента требуется наличие, как минимум, сотового модема, поддерживающего один из сотовых протоколов передачи. Такие протоколы, как правило, описывают функции протокола модуляции, протокола исправления ошибок и, иногда, сжатия данных. Наиболее известны следующие сотовые протоколы: MNP10, MNP10EC, ZyCELL, ETC, TX-CEL.

С помощью специализированных модемов по сотовому соединению пользователи могут получить коммутируемый канал передачи данных со скоростью 9,6 кбит/с (без сжатия), а при хороших радиоусловиях - до 14,4 кбит/с. Недостаток такого подхода состоит в необходимости использования сотовых модемов на обоих концах соединения. Если на одном конце установлен обычный модем, то надежность и производительность соединения могут серьезно пострадать по причине невозможности использования в этих условиях специализированных протоколов.

Приходится заметить, что за последние годы проблема передачи данных в аналоговых сетях значительно потеряла актуальность по причине их вытеснения цифровыми сетями, где передача информации в цифровом виде наиболее естественна. По этой причине практически не получили дальнейшего развития перечисленные сотовые протоколы и специализированные модемы. Тем не менее ряд производителей модемов ТфОП все еще поддерживает реализацию сотовых протоколов в своих продуктах.

ПередачаданныхвсетяхGSM

В цифровых сетях сотовой связи подключение модема к аналоговому окончанию телефонного канала мобильной станции практически невозможно. Это обусловлено тем, что аналоговый канал, образуемый цифровыми сетями сотовой связи, не является каналом тональной частоты. Сигнал с микрофона мобильной станции преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровую форму и вся последующая обработка и передача сигнала речи ведутся в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования. По этой причине передача данных в цифровых сетях поддерживается на системном уровне.