Сравнение вариантов передачи данных в системах связи на "последней миле" Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сравнение вариантов передачи данных в системах связи на "последней миле"

Туляков ЮМ., Шакаров Д.Е., Калашников А.А.,

ВВФ МТУСИ

В настоящее время большинство систем связи ориентировано на передачу данных. Одним из важнейших и проблемных звеньев в таких системах является "последняя миля".

При возможном взаимодействии систем связи различного класса или их дублировании и замещении друг другом, а также при обосновании параметров передачи данных важно аналитическое сопоставление характеристик этой передачи на "последней миле". В данной работе в обобщённом виде рассматривается сравнительная оценка таких характеристик.

Последняя миля (от англ. last mile) — это условное наименование участка линии связи между точкой доступа телекоммуникационной службы и оборудованием абонента [1].

Организация "последней мили" для передачи данных может реализовываться как на основе простейшей соединительной абонентской линии или телефонного радиоудлинителя, так и с использованием современных технологий xDSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонент-ская линия), с использованием спутниковых каналов или пейджинговой и сотовой связи, DECT (Digital Enhanced Cordless Те1есоттипюаНопсистем — стандарт цифровой микросотовой связи) систем, а также при помощи высокоскоростного широкополосного радиодоступа по техноло-гиям Wi-Fi (Wireless Fidelity) и WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Например, при xDSL в качестве оборудования для "последней мили" могут использоваться модемы, мультиплексоры доступа, оптоволоконные модемы и т.д.

На рис.1 в обобщённой виде показаны возможные варианты реализации "последней мили" для указанных технологий, где: УДСпС — узел доступа спутниковой связи, УДПС — узел доступа проводной связи, УРД — узел радиодоступа, АОДСпС — абонентское оборудование доступа спутниковой связи, АОДПС — абонентское оборудование доступа проводной связи, АОРД — абонентское оборудование радиодоступа.

Спутниковые каналы связи могут быть как однонаправленными: их используют для ТВ и радиовещания или для получения данных из сети Ыете^ так и двунаправленными: это спутниковая телефонная связь или также доступ в сеть 1п1ете1. Спутниковые каналы достигают скорости до 4-16 Мбит/с [4]. УДСпС состоит из спутниковой антенны, спутника, конвертора, подключённого к необходимым услугам. АОДСпС состоит из спутниковой антенны и конвертора, подключённого к соответствующему оборудованию пользователя (ТВ, телефону, персональному компьютеру).

"Проводные линии" строятся, в основном, на медньх или оптоволоконных кабелях. В состав УДПС могут входить модемы, мультиплексоры, уплотнители каналов, конверторы, маршрутизаторы и другое коммуникационное оборудование. АОДПС — это чаще всего модем.

На основе проводных линий на медном кабеле реализуются аналоговые или цифровые каналы связи. До конца 80-х годов прошлого века население пользовалось только услугами аналоговой телефонной связи. Для передачи речи достаточен диапазон частот от 300до 3400 Гц. Для передачи данных в этой полосе используют модемы. Максимальная скорость передачи данных всегда напрямую связана с полосой пропускания и отношением сигнал/шум. В настоящее время максимальная скорость аналоговых модемов может достигать 33,6 Кбит/с. Аналоговые линии редко обеспечивают максимальную пропускную способность. При аналоговой передаче

Рис.!. Варианты реализации "последней мили"

трудно достичь больших скоростей. Сжатие, кэширование и другие способы повышения скорости не могут значительно повысить скорость. Средние скорости таких модемов колеблются в пределах 9,6-19,2 Кбит/с.

Замена аналогового способа передачи информации в цифровой позволила предложить населению услуги ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интеграцией служб). Была разработана "Технология цифровых абонентских линий" (Digital

Таблица

Варианты реализации "последней мили" Максимальная скорость приёма/ передачи (Мбит/с) Максимальная дальность до провайдера(км) Количество используемых пар(каналов) Метод модуляции; кодирования Полоса пропускания среды (линии) передачи данных (диапазон радиочастот для радиодоступа)

Модемы для аналоговых линий 0,0336 5 ! QAM'2' 3,1 кГц

ISDN 2,048 5,5 2 HDB3<3* 4 кГц / 1МГц"*

Модемы для цифровых линий (xDSL) HDSL 2,048 4,5 2 2BIQ,4); QAM11' 1МГ ц

SDSL 0,768 2,3 !

ADSL 24/3,5 5,5 ! QAM{2); DMT™

RADSL 0,128-6 3,5 !

VDSL 55/11 1.3 ! QAM'2'

UADSL 1,5/0,384 3,5 1 DMT™

Волоконно- оптические линии Много- модовое 0,256 8 1 NRZr\ MLT-l<7), HDB30> 4B/5B"" 500 МГЦ

Одно- модовое 44,736 70 1

0,256 140 1

Телефонные радио удлинители 0,0012-0,0024* 20 (1) FM 25 кГц (160/350 МГц)**

С р о Спутниковые каналы 4; 16 Сотни - тысячи км. (2) QAM<2) до 72МГц (4-18 ГГЦ)

§ X ч га Пейджинг (СПРВ) 0,0024-0.0064 регион (город, область) (1) FM- 2; FM-4 "2) 25 кГц (160/450 МГц)

DECT 0,552 20 (1-24) GMSK<|4) 2 МГц(1890 МГц)

GSM 0,000782; 0,00038; 0,0096*п) 35 (1) GMSK"4) 200 кГц (900/1800 МГц)

GSM/GPRS 0,0214-0,1712 35 (1-8)

GSM/EDGE 0,0592 - 0,384 35 (1-8) GMSK"4’; 8 PSKW 200 кГц (900/1800 МГц)

С р WCDMA 2 35 (1) QPSK"" 5 МГц (1950/2050 МГц)

о п о X ч а а. WI-FI 54 0,1 (1) DSSS1'0'- OFDMm 22 МГц (2,4/5 ГГц)

WiMAX 15; 32; 75; 135 1-10 (1) QPSK0"; OFDM4)\ 64 QAMot) 20; 25; 28 МГц (2/3/6/11 ГГц)

Замечания к таблице: 111 - зависит от типа используемого кабеля: САТМСАТ2; 121 - QAM (Quadrature Amplitude Modulation) -квадратурно-амплитудной модуляцией;<3>- HDBi (High Density Bipolar 3) - биполярное кодирование, вариант 3;141 -2B\Q (2 Binary, I Quaternary) - амплитудно-импульсная модуляция с четырьмя уровнями выходного напряжения без возвращения к нулевому уровню; 1 * - DMT (Discrete multi tone ) - дискретное многочастотное (тональное) кодирование; <61 — NRZI (Non Return to Zero Invertive) - инверсное кодирование без возврата к нулю;|7)- MLT-3 ( Multi Level Transmission 3)- код трехуровневой передачи;(81 -4В5Д (используется 5-битовая основа для передачи 4-битовых информационных сигналов);<9) - OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) - технология ортогонального частотного разделения со многими поднесущими; ||0) - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — модуляция с прямым расширением спектра; <М) — QPSK — (Quadrature Phase-Shift Keying) — квадратурная фазовая модуляция; ’ - FM-2/FM-4 (Frequency Modulation) - частотная манипуляция 2-х/4-х уровневая; (|3) - скорости передачи данных зависят от способа передачи (SMS по каналам управления или по голосовому каналу; модемная передача); *|4> GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом; 1151 - 8PSK (8Phase Shift Keying) -восьмипозиционная фазовая манипуляция;<|6>- 64 QAM (64 позиционная квадратурно-амплитудной модуляция).

*) - Зависит от типа модема, подключаемого к радиоудлинителю, и качества радиоканала; экспериментально установлено, что надежная передача данных возможна при скорости 1200 бит/с.

**) — В столбце "диапазон радиочастот” указаны средние значения этих диапазонов.

Subscriber Loop—xDSL). Этот способ связи дал возможность организовать высокоскоростную передачу данных, не прибегая к замене старых абонентских линий и прокладке новых выделенных каналов. Разработанные устройства позволили увеличить скорость передаваемой информации. Широкое распространение получили следующие варианты организации DSL технологии:

• HDSL — высокоскоростные (High) цифровые абонентские линии;

• ADSL — асимметричные (Asymmetric) цифровые абонентские линии;

• ISDL — ISDN цифровые абонентские линии;

• SDSL—симметричные высокоскоростные цифровые абонентские линии;

• VDSL — (Very HDSL) сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия;

• RADSL — цифровые абонентские линии с подстройкой скорости (Rate Adaptive) передачи данных;

• UADSL — универсальные (Universal) асимметричные цифровые абонентские линии [2].

В последнее время широкое распространение получило применение волоконно-оптических кабельных линий для организации "последней мили". Это связано с растущими требованиями заказчиков к скорости передачи. Оборудование позволяет организовывать как низкоскоростные каналы от 32 кбит/с, так и высокоскоростные со скоростью до 1 Гбит/с и более. Причём в одном потоке данных могут совмещаться разноскоростные каналы с возможностью распределения скоростей между абонентами [3].

Радиодоступ (беспроводной) — это технологии с использованием радиотелефонных удлинителей, пейджинга, GSM, GPRS, EDGE, CDMA, WCDMA, Wi-Fi, WiMax, которые позволяют передавать информацию на последней миле, используя радиоволны. УРД — это приёмопередающие базовые станции, линии связи до коммуникационного оборудования провайдера и другое оборудование для подключения к доступным сервисам. АОРД — абонентский полу-комплект телефонного радиоудлинителя, мобильный телефон, модемы Wi-Fi и WiMAX абонентское оборудование, беспроводные точки доступа.

Для пояснения ряда параметров, приводимых в таблице, отметим ряд особенностей рассмотренных вариантов реализации "последней мили".

Скорости передачи на участке последней мили зависят от типа среды передачи. Так, например, применение на этом участке кабеля САТ1 (телефонная пара с полосой частот 0,1 МГц) и абонентского оборудования, характеристики сигналов которого "вписываются" в полосу частот пропускания 3,1 кГц, обусловливало использование аналоговых модемов с весьма скромными, как отмечалось выше, скоростными характеристиками.

Использование стандарта ISDN позволяет передавать данные со скоростью до 64 кбит/с по проводной линии с полосой пропускания до 4 кГц и обеспечивает реализацию интегри-рованных телекоммуникационных услуг (телефон, факс и пр.). Применение кабелей САТ2 (полоса частот1 МГц) поддерживает передачу данных на скоростях до 2 Мбит/с, используя 2 пары проводников (1 пара — прием, другая — передача)[1].

Более современные методы модуляции и кодирования сигналов позволили создать модемы хDSL, которые по таким линиям обеспечивают более высокие скорости передачи данных (см. табл)

Производство оптоволоконных (ОВ) кабелей позволило повысить скорости и даль-ность передачи данных. Повышение этих характеристик определено физическими свойствами ОВ, такими как шириной полосы пропускания до 400-500 МГц [5] и малым затуханием сигнала в проводнике. Для построения каналов связи, независимо от среды передачи, всё оборудование стандартизировано и ориентировано на стандартный телефонный канал (скорость передачи — 64 кбит/с и ширина полосы пропускания — 4 кГц).

При беспроводном (радио) доступе скорости передачи данных зависят от ширины полосы частот пропускания радиоканала, качества канала, в зависимости от которого выбираются тип модуляции (см. табл.) и канальное кодирование (в отдельных системах это делается адаптивно — автоматически). Возможные изменения качества канала в таких системах [6] в значительной степени зависят от размеров зоны действия радиодоступа и мобильности абонентской станции (абонента).

Подводя итог сравнению различных вариантов организации "последней мили", произведём оценку эффективности использования выделяемой полосы частот канала для рассмотренных вариантов реализации последней мили. Эффективность использования полосы частот у определяется:

у= Втах/АР,

где Втах — максимальная скорость передачи; АР — полоса пропускания канала на "последней миле".

Полученные результаты показаны на рис. 2. При определении эффективности использования частотного спектра учитывались максимальные скорости и использование всех потенциально возможных каналов.

Вывод

Приведенные в обобщенном виде характеристики реализации "последней мили" для различных систем (см. таблицу) позволяют на-

глядно сопоставить эти характеристики и определить возможности совместимости не только проводных, но и радио (мобильных) систем, а также обоснованно подойти к выбору требований к скоростным характеристикам передачи данных при интенсивно внедряемых системах абонентского радиодоступа.

Литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki

2. http://gitgroup.ru/fin_mil.php

3. http://www.telesputnik.ru

4. http://www.mysat.ru/

5. www.aboutphone.info

6. Сюваткин В.С и др. WiMAX в беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение/ Под ред. В.В.Крытова. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 368 с.

7. http://tlsgroup. ru/dect/dect.html.