Технология HomePNA

Сергей Пахомов

Конец тысячелетия ознаменовался стремительным ростом как числа локальных сетей, так и общего числа пользователей Интернета. Так, в 1995 году число Интернет-пользователей составляло всего 20 млн., а в 1998 году — возросло уже до 160 млн. По прогнозам, в 2003 году количество пользователей Интернета достигнет 500 млн. По мере увеличения числа подключений совершенствуются и технологии, реализующие доступ к Всемирной паутине.

На сегодняшний день для подавляющего большинства конечных пользователей остается актуальным использование низкоскоростного подключения к Сети по коммутируемым телефонным линиям с использованием аналоговых модемов. В то же время корпоративные пользователи могут позволить себе аренду выделенных каналов связи, обеспечивая значительно более скоростной доступ с помощью xDSL-модемов. Естественно, что в домашних условиях использование выделенных каналов представляется весьма сомнительным. Однако использование коммутируемых каналов связи все меньше отвечает требованиям дня ввиду своей низкой пропускной способности.

Альтернативой использованию модемных соединений в какой-то мере можно считать коллективное подключение к Интернету целыми домами, когда все рабочие станции объединяются в локальную сеть с организацией высокоскоростного выхода в Интернет (аналог корпоративного подключения, но в домашних условиях). Впрочем, основной проблемой в этом случае становится организация самой локальной сети. Действительно, для этого приходится прокладывать новую кабельную систему, так как существующая изначально телефонная проводка не годится для создания сетей Ethernet. Наряду с этим потенциал телефонной проводки, которая существует в каждом доме, используется далеко не полностью, что является, как минимум, расточительством.

Дело в том, что телефонные линии связи используют достаточно узкую ширину полосы пропускания — от 300 до 3400 Гц. Для передачи голоса ширины полосы в 3100 Гц вполне достаточно, именно поэтому аппаратура, применяемая на телефонных станциях, ограничивает посредством частотных фильтров ширину полосы пропускания абонентских каналов связи. Делается это еще и для обеспечения возможности эффективного использования технологий временного или частотного уплотнения каналов при межстанционном обмене, то есть когда сигнал распространяется между двумя АТС.

Однако если предположить, что сигналы не будут обрезаться с помощью частотных фильтров, то можно попытаться использовать намного более широкий спектр для передачи сигналов. Такой подход позволяет достичь значительно более высоких скоростей по сравнению с узкополосными коммутируемыми каналами связи, так как максимально возможная скорость передачи сигнала напрямую зависит от ширины полосы пропускания канала связи. К тому же использование существующей телефонной проводки позволяет достаточно просто и без дополнительных капиталовложений строить локальные сети.

Первая попытка использовать телефонную проводку для создания локальных сетей была предпринята в середине 90-х годов компанией Tut Systems. Достигнутая скорость передачи была не слишком высокой — всего 1 Мбит/с, однако и этого оказалось вполне достаточно, чтобы заинтересовать новой технологией ведущие компьютерные компании. В результате в 1998 году был образован альянс HomePNA (Home Phoneline Networking Alliance) и на основе технологии от Tut Systems разработан стандарт передачи данных по телефонным проводам HomePNA 1.0.

При разработке технологии передачи данных по телефонным проводам необходимо было учесть некоторые специфические особенности реализации телефонной проводки в жилых домах. Так, структура телефонных проводов внутри каждого дома заранее не известна и даже может со временем меняться. Например, такое простое действие, как включение в розетку телефона или факса, добавляет еще одну «ветвь» к «дереву» телефонных проводов. Неопределенная кабельная топология накладывает дополнительные требования на возможность работы сети в условиях больших по величине затуханий. Нерегулярность импеданса, возможное отсутствие окончания кабелей (например, оканчивающихся розеткой без подключенного телефонного аппарата), перемешанные петли телефонных кабелей и их скрутки — все это приводит к возникновению значительных затуханий и отражений сигналов. Кроме того, необходимо учитывать возможность высокого уровня помех, создаваемых бытовыми устройствами.

Поэтому основная задача новой технологии заключалась в обеспечении максимально возможной скорости передачи данных при минимально подходящих для этого условиях. При этом необходимо было максимально совместить новую технологию с широко распространенной технологией построения локальных сетей Ethernet. В этом смысле различия между технологиями HomePNA и Ethernet заключаются только в способе передачи данных, то есть затрагивают только MAC Media Access Control- и PHY-уровни. Это и понятно, так как технология Ethernet изначально не предназначена для передачи данных в условиях сильного затухания сигнала и постоянно изменяющейся помеховой обстановки. Как известно, для построения сетей Ethernet требуется специализированный кабель категории 3 или выше, состоящий из четырех перекрученных пар проводов. При этом из четырех пар задействуются только две: одна «работает» на передачу данных, а другая — на прием. Для передачи по такому кабелю с приемлемой скоростью данные предварительно подвергаются логическому кодированию, основное назначение которого — повышение информационной скорости (по сравнению с обычным потенциальным кодированием) и обеспечение необходимой помехоустойчивости. Повышение помехоустойчивости основано на принципе избыточности. Для этого последовательность бит-данных разбивается на отдельные порции, называемые символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который содержит уже большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4B/5B, используемый в сетях Fast Ethernet, означает, что каждому символу из четырех бит ставится в соответствие символ из пяти бит. Использование одного избыточного бита позволяет рассматривать некоторые комбинации последовательностей бит как запрещенные. Действительно, исходный символ длиной в 4 бита имел 16 различных битовых комбинаций, а результирующий символ длиной в 5 бит имеет 32 различных битовых комбинаций. Из этих 32 комбинаций отбираются только 16, которые и ставятся в соответствие исходным символам. Естественно, возникает вопрос: к чему такие сложности и какое преимущество дает такая подмена символов? Дело в том, что из 32 различных битовых комбинаций можно выбрать 16, в которых не встречалось бы более двух нулей подряд. Следовательно, в передаваемой последовательности бит исключается возможность появления длинных последовательностей нулей, что улучшает самосинхронизирующие свойства кода. Кроме того, поскольку часть битовых комбинаций является запрещенной, повышается вероятность распознавания приемником искаженных символов. Если приемник принимает запрещенный код — значит, на линии произошло искажение сигнала.

Другим способом логического кодирования, который в сети Fast Ethernet применяется совместно с кодом 4B/5B, является скрэмблирование. Скрэмблирование — это «перемешивание» исходных данных с целью улучшения логического кода. Основная цель процесса скрэмблирования — представить данные в таком виде, чтобы избежать длинных последовательностей повторяющихся битов.

Если с длинной последовательностью нулей успешно справляются с помощью логического кодирования 4B/5B и скрэмблирования, то для устранения длинных последовательностей единиц в стандарте Fast Ethernet используют потенциальный код с инверсией при единице NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted). В данном коде используются два уровня сигнала. При передаче нуля потенциал не меняется, а при передаче единицы сигнал инвертируется на противоположный. Такой подход позволяет решить проблему синхронизации при приеме сигнала.

С целью еще большего улучшения самосинхронизирующих свойств передаваемого сигнала и уменьшения ширины спектра, что влечет за собой возможность увеличения скорости передачи и уменьшения мощности передатчика, данные подвергают еще одному типу линейного трехпозиционного кодирования — MLT-3 (Multi-Level Transition). В этом коде используются три уровня сигнала: –1, 0 и +1. Сам по себе код похож на NRZI — при передаче нуля потенциал сигнала не меняется, а при передаче единицы сигнал инвертируется. Единственное отличие заключается в том, что уровень потенциала, представляющего единицу, зависит не от одного, а от двух предыдущих значений потенциалов, представляющих единицу. Так, три последовательные единицы всегда передаются тремя различными потенциалами (–1, 0, +1), и при этом не важно, имеются между этими единицами нули или нет.

Несмотря на кажущуюся сложность механизма передачи данных, реализуемого в сетях Ethernet, его нельзя применять для передачи данных по телефонным проводам в силу недостаточной помехоустойчивости и ширины спектра. Поэтому в технологии HomePNA используется принципиально иной подход, позволяющий передавать сигналы в условиях неблагоприятной помеховой обстановки.

Методов кодирования и модуляции сигналов на сегодняшний день разработано достаточно много, причем для передачи данных в условиях помех с успехом используется технология расширения спектра (Spectrum Spread, SS).

Основная идея заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру. Именно это позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Рассмотрим, как это происходит, более детально.

При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений. Из курса математики и физики хорошо известно, что любую функцию и соответственно любой сигнал (ограничения, накладываемые на функцию, мы для простоты опускаем) можно представить в виде дискретного или непрерывного набора гармоник — синусоидальных сигналов с определенным образом подобранными весовыми коэффициентами и частотами. Такое представление называют преобразованием Фурье. Сами частоты гармонических сигналов образуют спектральное разложение функции.

К примеру, при передаче прямоугольного импульса длительностью T спектр сигнала описывается функцией:

,

где f — частота спектральной составляющей (рис. 1).

Несмотря на бесконечный спектр сигнала, наиболее весомые гармоники, то есть дающие значительный вклад в результирующий сигнал, сосредоточены в небольшой частотной области, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса. То есть с хорошей степенью точности исходный сигнал можно представить как суперпозицию гармоник в спектральной полосе шириной, равной длительности импульса T. Соответственно, чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Для того чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, то есть, чтобы увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит «встраивают» определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов (рис. 2).

Фактически информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно уширяется, так как ширину спектра можно с хорошей степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Дело в том, что вместе с уширением спектра сигнала уменьшается и спектральная плотность энергии. То есть энергия сигнала как бы «размазывается» по всему спектру. Результирующий сигнал становится шумоподобным, то есть его действительно становится трудно отличить от естественного шума. Возникает вопрос: для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают одним уникальным свойством — свойством автокорреляции. Чтобы не запугивать читателей этим сложным математическим термином, постараемся на интуитивном уровне пояснить, в чем смысл корреляции. Под корреляцией в математике понимают степень взаимоподобия двух функций, определяющую, насколько две различные функции похожи друг на друга. Таким образом, под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе. Однако функция рассматривается в различные моменты времени. Например, если некоторая функция меняется (зависит) от времени и эта зависимость выражается в виде f(t), то можно рассмотреть функцию в некоторый момент времени t0 и в момент времени t0+t. Степень соответствия двух функций друг другу в различные моменты времени и называется автокорреляцией. С математической точки зрения функция автокорреляции выражается интегралом:

Оказывается, можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определенный интервал времени, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. То есть функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и будет совсем не похожа на себя для всех остальных моментов времени. Одной из наиболее известных (но не единственной) таких последовательностей является код Баркера длиной в 11 чипов: 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются прямая и инверсная последовательности соответственно.

В целях упрощения вычисления автокорреляционной функции последовательности Баркера можно рассчитать разность между числом совпадений и несовпадений между отдельными чипами последовательности при их почиповом сдвиге друг относительно друга.

Как видно из приведенной таблицы, последовательность Баркера обладает ярко выраженным автокорреляционным пиком, соответствующим наложению функции самой на себя. Проведя аналогичные расчеты, нетрудно убедиться, что другие последовательности не обладают аналогичным свойством, то есть имеют несколько пиков корреляции, значительно снижающими помехоустойчивость передаваемого сигнала.

В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным. Поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, примерно в 11 раз меньшая по мощности помехи, действующей на входе приемника.

Итак, использование кодов Баркера обеспечивает возможность передавать сигнал практически на уровне помех и при этом гарантирует высокую степень достоверности принимаемой информации. В этом основной смысл их применения.

С целью повышения информационной скорости, то есть количества битов, передаваемых в одном символе, дополнительно с техникой использования шумоподобных кодов Баркера используют метод фазоимпульсной модуляции PPM (Phase Position Modulation).

Идея PPM-модуляции заключается в том, что увеличение информационной скорости происходит за счет изменения интервала времени между корреляционными пиками последовательных символов. Применяя код Баркера длиной 11 чипов, можно сдвигать пик корреляции в одну из 11 позиций. Однако всего используется 8 различных позиций для пика корреляции. Эти восемь позиций позволяют закодировать группу из трех информационных бит (23), то есть поднять информационную скорость передачи до трех бит на символ. Учитывая возможность использования инверсных кодов Баркера для логического нуля, получаем еще один бит на символ, то есть всего 4.

К сожалению, описание стандарта HomePNA остается закрытым, то есть доступно только для членов альянса. Поэтому мы не можем с уверенностью говорить о способе модуляции, который используется в стандарте HomePNA версии 1.0. Кроме того, данные, которые можно найти в Интернете, довольно противоречивы. Упоминаются и запатентованная технология многократного кодирования одиночного битового импульса MLCM, и использование фазоимпульсной модуляции PPM со спектральной эффективностью 0,16 бит/символ. В любом случае, известно, что в стандарте HomePNA 1.0 информационная скорость составляет 1 Мбит/с, а спектр сигнала простирается от 5,5 до 9,5 МГц, то есть ширина спектрального диапазона составляет 4 МГц. Исходя из приведенных цифр, нетрудно подсчитать, что речь идет именно о широкополосной системе передачи данных, то есть в том или ином виде используется технология уширения спектра. Действительно, при потенциальном кодировании сигнала со скоростью 1 Мбит/с потребовалась бы полоса пропускания шириной всего 2 МГц.

Другой особенностью технологии HomePNA является адаптация к уровню помех. В дополнение к этому передающая сторона может варьировать уровень сигнала. Обе — принимающая и передающая — стороны постоянно контролируют условия передачи-приема и подстраивают передачу-прием под эти условия.

В более позднем стандарте HomePNA 2.0 c целью повышения информационной скорости передачи используется квадратурно-амплитудная модуляция передаваемого сигнала (QAM). Впрочем, утверждать, что используется QAM-модуляция в чистом виде (то есть так, как это делается в аналоговых модемах), когда информация представляется за счет изменения фазы и амплитуды несущего колебания, мы не можем. Различных вариантов QAM-модуляции существует достаточно много.

К примеру, хорошо известным вариантом QAM-модуляции является DSSS/QAM-модуляция, используемая в широкополосных системах. В этом случае применяется описанная выше технология расширения спектра с использованием шумоподобного спектра, а увеличение информационной скорости передачи дополнительно использует изменение фазы и амплитуды несущего сигнала. По всей видимости (хотя утверждать это однозначно мы не можем), в стандарте HomePNA 2.0 применяется один из подобных способов модуляции. При этом тип модуляции может изменяться, то есть количество различных уровней амплитуды варьируется так, что информационная скорость меняется от 2 до 8 бит/символ. При максимальной информационной скорости (8 бит/символ) используется модуляция типа 256 QAM, а при минимальной информационной скорости — квадратурная фазовая модуляция QPSK.

Повышение информационной скорости передачи и использование иной техники модуляции позволили повысить скорость передачи данных до 10 Мбит/с. При этом возможность использования различных типов QAM-модуляции позволяет осуществлять значительно более гибкую адаптацию к помеховой обстановке.

Заголовок передаваемого пакета всегда кодируется с использованием квадратурной фазовой QPSK-модуляции с информативной емкостью 2 бит/символ, что позволяет при неблагоприятных условиях любому приемнику демодулировать хотя бы заголовок пакета (рис. 3).

В стандарте HomePNA 2.0 используется несущий сигнал с частотой 7 МГц. При этом предусматривается два типа символьной (бодовой) скорости: 2 Мбод и 4 Мбод. Базовой является символьная скорость 2 Мбод. В этом случае информационная скорость при кодировании от 2 до 8 бит/символ составляет от 4 до 16 Мбит/с. На практике, чтобы реализовать производительность, эквивалентную сети Ethernet 10Base-T, необходимо обеспечить информационную емкость 6 бит/символ.

Реально помеховая обстановка на линии может быть такой, что передача сигнала с использованием QAM-модуляции с кодированием 2 бит/символ и символьной скорости 2 Мбод может оказаться нереализуемой в каком-то диапазоне спектра. Нетрудно заметить, что при символьной скорости 2 Мбод спектральная ширина сигнала составляет 4 МГц, то есть в два раза уже полосы, отведенной для передачи сигнала. В этом случае стандартом HomePNA 2.0 предусмотрено использование технологии Frequency Diverse QAM, при которой один и тот же символ передается два раза, но в различных спектральных диапазонах. Фактически, используется все тот же метод QAM-модуляции, но на разных несущих, то есть весь спектральный диапазон канала делится на два подканала, в каждом из которых происходит передача одной и той же информации.

Помимо изощренных технологий адаптации к качеству канала связи в стандарте HomePNA реализованы механизмы управления качеством передачи на уровне доступа к среде передачи данных (MAC-уровне). Как и в стандарте Ethernet, доступ к среде передачи данных основан на методе CSMA/CD, описанном в стандарте IEEE 802.3. Однако реализован несколько иной алгоритм обработки коллизий (Distributed Fair Priority Queuing, DFPQ), для чего предусмотрено использование восьми уровней приоритета передаваемых кадров.

Говоря о реализации стандартов HomePNA на физическом уровне, необходимо упомянуть об ограничениях, накладываемых на физическую топологию самой сети. Регламентируются как максимальный диаметр сети, так и максимальное количество узлов в этой сети. В стандарте HomePNA 1.0 максимальное количество узлов в сети составляет 25 м, а диаметр сети, то есть расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга станциями, — 150 м. Впрочем, диаметр сети — характеристика достаточно условная. Сеть будет оставаться работоспособной и при большем расстоянии между станциями, но с меньшей скоростью передачи. Таким образом, более корректно говорить о зависимости реальной скорости передачи от расстояния между принимающей и передающей станциями. В стандарте HomePNA 2.0 предусмотрены использование до 32 устройств и дальность до 350 м.

В настоящее время готовится новая версия стандарта HomePNA 3.0. Ожидается, что новый стандарт выйдет в IV квартале 2002 года.

Новый стандарт не менее «засекречен», чем его предшественники, поэтому говорить об аспектах его реализации пока не представляется возможным. Известно лишь, что в новом стандарте скорость передачи данных составит уже 100 Мбит/с (чем не конкурент Fast Ethernet?). Кроме того, предполагается обеспечение совместимости с предыдущими версиями, адаптации под качество канала связи и, естественно, возможности одновременной работы с телефонной сетью, ISDN и xDSL-устройствами за счет использования различных частотных диапазонов.

КомпьютерПресс 1'2002