Впрочем, ситуацию можно изменить. В АТС данные преобразуются в цифровую форму для отправки внутри телефонной сети (ядро сети уже давно перешло с аналоговой на цифровую передачу). Ограничение в 35 Кбит/с рассчитано для двух абонентских шлейфов, по одному с каждой стороны. Каждый шлейф добавляет в сигнал помехи. Если же как-нибудь избавиться от одного из них, можно повысить SNR и удвоить максимальную скорость.
Именно на основе такого подхода и работают 56-килобитные модемы. На одну сторону (обычно это ISP) подается цифровой поток высокого качества от ближайшей оконечной станции. Таким образом, благодаря высококачественному, как у большинства современных ISP, сигналу на одной стороне соединения общая скорость передачи данных составляет до 70 Кбит/с. Максимальная скорость передачи между двумя домашними пользователями с использованием модемов и аналоговых линий по-прежнему составляет 33,6 Кбит/с.
Почему же на практике используются 56-Кбит/с модемы, а не 70-Кбит/с? Причина — в теореме Найквиста. Телефонный канал осуществляет передачу данных внутри системы в виде цифровых измерений. Ширина диапазона частот каждого телефонного канала составляет 4000 Гц с учетом защитных полос частот. Таким образом, необходимо восстановить 8000 измерений в секунду. Число битов на измерение в Северной Америке — 8, из которых один используется в целях контроля; это позволяет передавать 56 000 бит/с пользовательских данных. В Европе пользователям доступны все 8 бит, поэтому теоретически можно было бы использовать 64 000-бит/с модемы, но ради единого международного стандарта была выбрана скорость в 56 000 бит/c.
В результате возникли стандарты модемов V.90 и V.92. Они предусматривают 56-килобитный входящий (от ISP к пользователю) канал передачи данных и 33,6- и 48-килобитные исходящие (от пользователя к ISP) каналы. Причина такой асимметрии в том, что от ISP пользователю поступает обычно больше информации, чем в обратном направлении. Вдобавок это позволяет выделить большую часть ограниченной полосы пропускания на нисходящий канал и повысить шансы на то, что скорость передачи данных действительно будет близка к 56 Кбит/с.
Цифровые абонентские линии (DSL)
Когда телефонные компании наконец-то добрались до скорости в 56 Кбит/с, это был повод для гордости. В это же время провайдеры кабельного телевидения уже предлагали скорости до 10 Мбит/с. Предоставление интернет-доступа становилось все более важной частью бизнеса региональных телефонных компаний. Это заставило их задуматься о более конкурентоспособном продукте и предложить новые цифровые услуги по абонентскому шлейфу.
Изначально рынок был наводнен множеством пересекающихся вариантов высокоскоростного доступа в интернет под общим названием цифровых абонентских линий (Digital Subscriber Line), или xDSL, где x меняется в зависимости от конкретной технологии. Сервисы с большей пропускной способностью, чем у обычных телефонных линий, иногда назывались широкополосными (broadband), хотя это понятие скорее из сферы маркетинга, чем технологий. Мы обсудим наиболее популярный вариант, асимметричный DSL, или ADSL. В качестве краткого названия для всех этих вариантов мы будем использовать DSL или xDSL.
Причина медленной работы модемов в том, что телефоны изначально были предназначены для передачи человеческого голоса и вся система максимально оптимизирована под эту цель. Передача данных всегда была на втором месте. В точке подключения абонентского шлейфа к оконечной телефонной станции провод проходит через фильтр затухания, ослабляющий все частоты ниже 300 Гц и выше 3400 Гц. Срез происходит достаточно плавно (300 Гц и 3400 Гц — 3-дБ точки), и обычно указывается, что полоса пропускания равна 4000 Гц, хотя расстояние между 3-дБ точками составляет 3100 Гц. Данные в проводах также ограничиваются этой узкой полосой.
Хитрость, благодаря которой работает xDSL, заключается в том, что при подключении абонента входящий канал связи соединяется с особым сетевым коммутатором без вышеупомянутого фильтра. Это позволяет использовать всю пропускную способность абонентского шлейфа. Теперь ограничивающим фактором становятся физические характеристики линии, а не фильтр, и мы получаем около 1 МГц против искусственно созданного лимита в 3100 Гц.
К сожалению, пропускная способность абонентского шлейфа довольно быстро падает по мере удаления от оконечной станции и ослабления сигнала. Кроме того, она зависит от толщины и общего качества витой пары. График потенциальной пропускной способности как функции расстояния приведен на илл. 2.28. В нем предполагается, что все остальные факторы — оптимальны (новые провода, качественные световоды и т.д.).
Илл. 2.28. Пропускная способность относительно расстояния при использовании для DSL кабелей UTP категории 3
Из графика следует проблема телефонных компаний. Выбирая скорость для своего коммерческого предложения, компания автоматически ограничивает радиус действия услуги. Это значит, что некоторым потенциальным клиентам придется отвечать: «Благодарим за интерес к нашему предложению, но вы живете на сто метров дальше от АТС, чем нужно, и не можете стать нашим абонентом. Не хотите ли переехать поближе?» Чем ниже выбранная скорость, тем длиннее радиус и больше абонентов. Но низкая скорость делает услугу менее привлекательной и меньше людей соглашается за нее платить. Вот так коммерческие соображения сталкиваются с технологическими.
Все услуги xDSL проектировались в соответствии с определенными критериями. Во-первых, они должны работать на уже имеющихся абонентских шлейфах с витыми парами категории 3. Во-вторых, не мешать существующим телефонам и факсам абонентов. В-третьих, их скорость должна значительно превышать 56 Кбит/с. В-четвертых, услуга должна быть всегда доступной и оплачиваться ежемесячно, а не поминутно.
Для удовлетворения технических требований имеющийся диапазон в 1,1 МГц абонентского шлейфа разбит на 256 независимых каналов, по 4312,5 Гц каждый. Эта архитектура показана на илл. 2.29. Для пересылки данных по этим каналам используется схема OFDM, которую мы обсуждали в предыдущем разделе. В связи с DSL ее часто называют дискретной многотональной модуляцией (Discrete MultiTone, DMT). Канал 0 используется для обычной телефонной связи (Plain Old Telephone Service, POTS). Каналы 1–5 не используются, чтобы голосовые и информационные сигналы не мешали друг другу. Из оставшихся 250 каналов один служит для управления входящим трафиком, еще один — для управления исходящим. Остальные каналы доступны для пользовательских данных.
Илл. 2.29. Функционирование ADSL на основе дискретной многотональной модуляции
В принципе, для полнодуплексной передачи данных может использоваться любой из оставшихся каналов, но гармоники, перекрестные помехи и другие эффекты не позволяют реальным системам достичь теоретически возможного предела. Количество каналов, доступных для входящего и исходящего потоков данных, выбирает поставщик услуги. Технически можно распределить их в соотношении 50/50, но большинство ISP отдает около 80–90 % пропускной способности входящему каналу, поскольку большинство пользователей скачивает больше данных, чем отправляет. Отсюда и «A» в ADSL. Распространенный вариант: 32 канала на исходящий поток данных, а остальные — на входящий. Также можно сделать несколько верхних исходящих каналов двунаправленными для повышения пропускной способности, хотя такая оптимизация потребует специального контура подавления эха.
Международный стандарт ADSL — G.dmt — был одобрен в 1999 году. Он допускает входящую скорость до 8 Мбит/с и исходящую до 1 Мбит/с. В 2002 году его заменили более совершенным стандартом второго поколения, ADSL2, с входящей скоростью до 12 Мбит/с и исходящей до 1 Мбит/с. Стандарт ADSL2+ еще в два раза повысил входящую скорость, до 24 Мбит/с, за счет удвоения полосы пропускания (2,2 МГц через витую пару).