Технология V.90

Сергей Максимов

Подробнее о процессе кодирования по V.34

Отношение сигнала к шуму

Асимметричное функционирование: нисходящий и восходящий каналы

Шум, вносимый при квантовании аналоговых сигналов

Подробнее о процессе кодирования по V.90

Модемные соединения V.90

Требования V.90

Сравнение технологий V.90 и x2

 

Технология передачи данных V.90, разработанная Study Group 16 Международного Телекоммуникационного Союза (International Telecommunication Union — ITU), предлагает спецификацию для достижения скоростей в линии до 56 Кбит/с. В этой публикации подробно обсуждается технология V.90.

Технология V.90 позволяет модемам получать данные по стандартной телефонной сети общего пользования (public switched telephone network — PSTN) со скоростями до 56 Кбит/с. За счет применения цифровых соединений с сервером, используемых большинством провайдеров Интернет и онлайновых услуг для подключения к PSTN «на своем конце», V.90 преодолевает теоретические ограничения, накладываемые на стандартные аналоговые модемы.

Обычно единственной аналоговой частью телефонной сети является телефонная линия, которая соединяет удаленный узел с центральным офисом телефонной компании. В последние два десятилетия местные телефонные компании заменили часть своих аналоговых сетей на цифровые каналы связи. Но медленнее всего идет процесс замены соединений от дома до центрального офиса. Эти соединения, вероятно, останутся аналоговыми по крайней мере еще несколько лет.

 

Подробнее о процессе кодирования по V.34

PSTN изначально была разработана для голосовых коммуникаций (рис. 1). Искусственно ограничивая звуковой спектр только теми частотами, которые относятся к человеческой речи, сетевые инженеры обнаружили, что они могут сузить необходимую для каждого звонка полосу пропускания, увеличив за счет этого количество одновременно передаваемых звонков. И хотя это правило хорошо работает для голоса, оно накладывает ограничения на передачу данных.

Модемы V.34 оптимизированы для ситуаций, в которых оба абонента подключены к PSTN аналоговыми линиями. И хотя большая часть сети цифровая, модемы V.34 рассматривают ее как полностью аналоговую. Модемы V.34 невероятно устойчивы, но они могут использовать всю полосу пропускания лишь в том случае, если один из концов соединения будет полностью цифровым. Стандарт V.34 был построен на предположении, что оба конца соединения несут потери от шума квантования, появляющегося вследствие использования аналого-цифровых преобразователей (ADC).

 

В начало

В начало

Отношение сигнала к шуму

Соотношение «сигнал/шум» является мерой эффективности соединения и представляет собой результат деления мощности сигнала на мощность шума. Чем выше это соотношение, тем чище соединение и тем больше объем данных, которые можно по нему передать. В тех случаях когда сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию, даже при самых лучших условиях соотношение «сигнал/шум» («порог шума») может быть порядка 38-39 дБ, что ограничивает скорость передачи по V.34 до 33,6 Кбит/с.

 

В начало

В начало

Асимметричное функционирование: нисходящий и восходящий каналы

Соединения V.90 используют один двунаправленный канал — по направлению основного трафика и против него. Канал аналогового модема V.90, работающий по основному направлению трафика (прием данных), способен работать с более высокими скоростями, так как в этом случае отсутствует потеря информации при цифро-аналоговом преобразовании. При посылке данных канал аналогового модема V.90, который в этом случае работает против основного направления трафика, вынужден использовать аналого-цифровое преобразование, что ограничивает скорость передачи до скоростей протокола V.34.

 

В начало

В начало

Шум, вносимый при квантовании аналоговых сигналов

Чтобы аналоговую информацию можно было пересылать по PSTN, она должна быть преобразована в двоичные цифры. Значения амплитуд входящего аналогового сигнала измеряются 8000 раз в секунду, и каждое значение записывается как код импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Система дискретизации использует 256 дискретных 8-битных кодов ИКМ.

Поскольку аналоговые сигналы непрерывны, а двоичные цифры дискретны, цифры, которые посылаются по PSTN и реконструируются на другом конце соединения, могут только примерно воспроизводить исходный аналоговый сигнал. Разница между исходным сигналом и реконструированным оцифрованным сигналом называется шумом квантования, который снижает скорость модема.

 

В начало

В начало

Подробнее о процессе кодирования по V.90

Подробнее о процессе кодирования по V.90 Шум квантования, ограничивающий скорость коммуникационного канала V.34 примерно до 35 Кбит/с, влияет только на аналого-цифровые преобразования, но не на цифро-аналоговые. На этом факте основан стандарт V.90: если между цифровым модемом V.90 и PSTN отсутствуют аналого-цифровые преобразования и если этот подключенный цифровым образом передатчик (трансмиттер) использует только 255 уровней дискретного сигнала, которые доступны в цифровой части телефонной сети, то именно эта неискаженная цифровая информация поступает на приемник (ресивер) аналогового модема, и при этом потери информации при преобразованиях не происходит.

Этот процесс показан на рис. 2.

  1. Сервер по сути цифровым образом подключается к магистрали телефонной компании.
  2. Сигналы сервера таковы, что в процессе кодирования задействованы только те 256 кодов ИКМ, которые используются в цифровой части телефонной сети. Другими словами, отсутствует шум квантования, связанный с преобразованием сигналов аналогового типа в дискретные коды ИКМ.
  3. Эти коды ИКМ преобразуются в соответствующие дискретные аналоговые напряжения и посылаются на аналоговый модем по аналоговой линии (analog loop circuit) без потери информации.
  4. Приемник на стороне клиента реконструирует дискретные сетевые коды ИКМ принятых им аналоговых сигналов, декодируя то, что послано передатчиком.

С цифрового модема V.90 данные в PSTN посылаются как двоичные цифры. Но чтобы соответствовать приведенным выше условиям шага 2, цифровой модем V.90 передает данные (8 бит в одной посылке) на клиентский ADC с той же скоростью, что и телефонная сеть (8000 Гц). Это означает, что частота работы модема должна быть равна частоте дискретизации телефонной сети.

 

В начало

В начало

Модемные соединения V.90

В процессе прохождения последовательности сигналов, используемой для настройки, модем V.90 изучает линию, чтобы определить, имеют ли место аналого-цифровые преобразования по основному направлению трафика. Если такие преобразования обнаружены, модемы V.90 соединяются по V.34. Аналоговый модем V.90 предпринимает попытку соединиться по V.34 и в тех случаях, когда удаленный модем не поддерживает V.90.

Задача аналогового модема V.90 состоит в идентификации 256 различных значений напряжения, чтобы успеть восстановить 8000 кодов ИКМ за одну секунду. Если модему удается справиться с этой задачей, скорость будет близка к 64 Кбит/с (8000 Ѕ 8 бит/код). Однако оказывается, что существует несколько проблем, уменьшающих скорость.

Во-первых, несмотря на то что проблема с порогом шума при квантовании устранена, возникает другой, гораздо более низкий порог шума, налагаемый сетевым оборудованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и абонентской линией в местах расположения клиентов. Этот шум возникает из-за различных нелинейных искажений и сетевых перекрестных помех.

Во-вторых, сетевые цифро-аналоговые преобразователи не являются линейными, а работают по определенному правилу преобразования (m-закон в Северной Америке и А-закон во многих других странах). В результате сетевые коды ИКМ, представляющие малые значения напряжения, вырабатывают очень малые шаги выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, в то время как коды, представляющие большие значения напряжения, вырабатывают большие шаги напряжения.

Подобные проблемы делают невозможным использование всех 256 дискретных кодов, поскольку соответствующие уровни выходного напряжения ЦАП вблизи нуля слишком мало отличаются друг от друга, чтобы точно представлять данные в зашумленном соединении. Отметим, что каждый сетевой код ИКМ соответствует уровню напряжения ЦАП. Поэтому кодировщик V.90 использует различные подмножества 256 кодов, которые устраняют выходные сигналы ЦАП, наиболее чувствительные к шуму. Например, наиболее надежные 128 уровней применяются для 56 Кбит/с, 92 уровня — для 52 Кбит/с и так далее. Использование меньшего числа уровней обеспечивает более надежное функционирование, хотя и при меньшей скорости передачи данных.

 

В начало

В начало

Требования V.90

Для передачи с полной скоростью (56 Кбит/с) необходимо выполнение следующих трех условий:

  1. Цифровой интерфейс на одном из концов. Большинство провайдеров услуг имеет цифровое подключение к PSTN. Конец соединения V.90 с PSTN должен иметь цифровой интерфейс, например (trunk-side) T1, ISDN PRI или ISDN BRI. Line-side T1 не будет работать, так как при этом необходимы дополнительные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования. После того как аналоговый вызов пользователя будет преобразован в цифровой и послан по сети, вызов остается цифровым до тех пор, пока он по линиям T1, PRI или BRI не достигнет цифрового модема.
  2. Поддержка V.90 на обоих концах. Стандарт V.90 должен поддерживаться на обоих концах соединения: как аналоговым модемом пользователя, так и сервером удаленного доступа или модемным пулом на стороне хост-компьютера.
  3. Одно аналого-цифровое преобразование. На пути следования звонка между цифровым модемом V.90 и аналоговым модемом может быть только одно аналого-цифровое преобразование. Если линия — channelized T1, соединение должно быть trunk-side, а не line-side. В случае, если телефонная компания обслуживает по типу line-side, обычно появляется еще одно дополнительное аналого-цифровое преобразование.

 

В начало

В начало

Сравнение технологий V.90 и x2

До недавнего времени единственной возможностью для доступа со скоростью 56 Кбит/с были патентованные реализации производителей. Однако в феврале 1998 года ITU добился определения технологии доступа на 56 Кбит/с, предложив универсальное совместимое решение — стандарт V.90. Решение V.90 корпорации 3Com остается совместимым со схемой передачи для доступа на 56 Кбит/с — технологией 3Com x2.

Все модемы x2 корпорации 3Com, модернизированные для поддержки V.90, по-прежнему поддерживают и технологию x2. Пользователи, не перешедшие на новый стандарт, для выполнения высокоскоростных соединений имеют возможность подключаться к цифровым модемам, используя для этого технологию 3Com x2. Если они обратятся к цифровому модему, первоначально сконфигурированному как K56flex, то не адаптированные к новому стандарту клиентские модемы x2 получат соединение V.34 даже в тех случаях, если цифровые модемы были адаптированы к новому стандарту.

Режимы данных технологии x2 и стандарта V.90 в основном одни и те же. Технические различия между технологией x2 и V.90 в основном заключены в двух областях «рукопожатий», или последовательностей инициализации:

  • Протокол передачи сигналов V.8. Протокол V.8 является международным стандартом, определяющим возможности модемов на обеих сторонах вызова. Применяемый в V.90 протокол передачи сигналов V.8 отличается от собственного метода передачи, использованного в технологии x2.
  • Digital Impairment Learning — это применяемый в технологии V.90 механизм, который позволяет каждому производителю по-своему определить цифровые искажения. Этот метод обеспечивает гибкость и модернизацию без изменений протокола. При выборе технологии модемов V.90 пользователь получает несколько существенных преимуществ:
  • Цифровые соединения. Цифровые модемы 3Com типа тех, что используются в концентраторе удаленного доступа Total Control, уже обрабатывают цифровые сигналы непосредственно с цифровых линий и могут быть реконструированы для функционирования в режиме V.90 путем модернизации программного обеспечения.
  • Программируемая платформа. У 3Com имеется большой опыт поставки программируемых устройств на базе процессоров цифровой обработки сигналов (DSP). Корпорация 3Com первой начала продвигать на рынок продукты с технологией x2 U.S.Robotics.
  • Преодоление цифровых искажений. Разработано несколько технологий для преодоления искажений в телефонных сетях. В предыдущих протоколах — например V.34 — отрасль имела дело с такими аналоговыми искажениями, как эхо, шум в линии и перекрестные помехи. К общим источникам цифровых искажений можно отнести сетевые сигналы, транскодировку (преобразование m-закона в A-закон) и цифровые устройства, называемые сборщиками/разборщиками пакетов (packet assembler/disassembler). Если в алгоритмах ИКМ-модемов их должным образом не компенсировать, подобные цифровые искажения могут до такой степени изменить поток цифровых битов, что это окажет заметное влияние на производительность. Спецификация V.90 устанавливает инфраструктуру и механизм, позволяющие обнаружить и компенсировать цифровые искажения, но оставляет их устранение за индивидуальными производителями.

 

КомпьютерПресс 2'2000