Классификация модемов

Строгой классификации модемов не существует по причине их большого разнообразия. Тем не менее, выделяется ряд признаков, по которым можно произвести условную классификацию.

К этим признакам можно отнести:

- поддерживаемый модемом протокол взаимодействия;

- метод передачи;

- область применения;

- используемый тип модуляции;

- используемый метод исправления ошибок и сжатия данных;

- интеллектуальные возможности.

Функции современных модемов относятся к наиболее далеким от пользователя уровням – физическому и канальному.

Физический уровень определяет интерфейсы системы с каналом связи, а именно, механические, электрические, функциональные и процедурные параметры соединения. Физический уровень выполняет три основные функции: установление и разъединение соединений; преобразование сигналов; реализация интерфейса.

Типовой профиль протоколов при использовании модема, поддерживающего только функции физического уровня, выглядит следующим образом (рис. 4.2).

Рисунок 4.2. Типовой профиль протоколов физического уровня

При этом считается, что ООД (компьютер) соединен с модемом посредством интерфейса RS-232, а модем для подключения к каналу тональной частоты КТСОП использует протокол модуляции в соответствии с рекомендациями V.21.

Возможный профиль протоколов для модема, поддерживающего функции физического и канального уровней выглядит следующим образом (рис. 4.3).

В этой схеме компьютер соединяется с модемом посредством интерфейса RS-232, а модем реализует протокол модуляции V.34 и аппаратную коррекцию ошибок согласно рекомендациям V.42.

С функциональной точки зрения модемные протоколы могут быть разделены на следующие группы:

1. Протоколы, определяющие нормы взаимодействия модема с каналом связи – V.2, V.25.

2. Протоколы, регламентирующие соединение и алгоритмы взаимодействия модема и ООД – V.10, V.11, V.24, V.25, V.25 bis, V.28.

Рисунок 4.3. Типовой профиль протоколов физического и канального уровней

3. Протоколы модуляции, определяющие основные характеристики модемов, предназначенных для коммутируемых и выделенных телефонных каналов – V.17, V.21, V.22, V.23, V.26, V.32, V.33, V.34 и другие.

4. Протоколы защиты от ошибок – V.41, V.42.

5. Протоколы сжатия передаваемых данных – V.42 bis и другие.

6. Протоколы согласования параметров связи на этапе их установления – V.8.

По методу передачи модемы делятся на асинхронные и синхронные. Следует напомнить, что говоря о синхронном, либо асинхронном методе передачи обычно подразумевают передачу по каналу связи между модемами. Однако передача данных по интерфейсу «компьютер - модем» тоже может быть синхронной и асинхронной. Модем может работать с компьютером в асинхронном режиме и одновременно с удаленным модемом – в синхронном режиме и наоборот. В таком случае говорят, что модем работает в синхронно-асинхронном режиме.

Контрольные вопросы к лекции 13

13-1. Что является главной функцией модема?

13-2. Какие функции выполняет универсальный процессор в составе современного модема?

13-3. Где хранятся микропрограммы управления модемом?

13-4. Для чего используется ППЗУ в составе модема?

13-5. Для чего используется ОЗУ в составе модема?

13-6. Какие функции в составе модема исполняет цифровой сигнальный процессор?

13-7. Какие функции в составе модема исполняет модемный процессор?

13-8. Перечислите признаки по которым можно классифицировать современные модемы.

13-9. Функции каких уровней ЭМВОС реализует современный модем?

13-10. Как выглядит типовой профиль протоколов при использовании модема, поддерживающего только функции физического уровня?

13-11. Какой интерфейс используется для соединения компьютера с модемом в типовом профиле протоколов?

13-12. Как выглядит типовой профиль протоколов при использовании модема, поддерживающего функции физического и канального уровней?

13-13. На какие функциональные группы могут быть разделены модемные протоколы?

13-14. На какие группы модемы могут быть разделены по методам передачи?

13-15. Что означает синхронно-асинхронный режим работы модема?

Лекция 14. Области применения модемов

По областям применения современные модемы можно подразделить на:

1. Модемы для коммутируемых телефонных каналов.

2. Модемы для физических соединительных линий.

3. Модемы для цифровых систем передачи.

4. Пакетные радиомодемы.

5. Модемы для сотовых систем связи.

1. Модемы для коммутируемых телефонных каналов. Коммутируемые телефонные каналы предоставляются потребителям коммутируемой телефонной сети общего пользования (КТСОП) на время соединения по их требованию. Такие каналы принципиально содержат в своем составе коммутационное оборудование автоматических телефонных станций (АТС), следовательно, модем для такого канала должен уметь различать их сигналы и передавать свои сигналы набора номера. Большинство современных модемов для КТСОП обеспечивают синхронную передачу данных по каналу.

В общем виде структура синхронного модема (рис. 4.4) содержит приемник, передатчик, эхо-компенсатор и схему управления.

Рисунок 4.4. Структура синхронного модема

Схема управления, как правило, реализуется в виде микропроцессора универсального назначения и предназначена для обеспечения интерфейса с ООД и управления работой остальных частей модема.

Эхо-компенсатор предназначен для ослабления влияния помехи в виде электрического эха, т.е. собственного отраженного сигнала. При использовании коммутируемых каналов с двухпроводным окончанием организация дуплексной связи является не простой задачей. Для организации двусторонней связи используются два встречных канала, каждый из которых имеет двухпроводное окончание. При этом возникает необходимость соединения четырехпроводного окончания двустороннего канала с двухпроводной местной связью.

Это соединение осуществляется с помощью специальных переходных устройств (ПУ) (рис. 4.5).

Рисунок 4.5. Схема включения переходных устройств

При этом образуется цепь обратной связи b–c^*–b^*-c, которая и является причиной возникновения электрического эха.

Чтобы избежать этого необходимо в переходном устройстве обеспечить достаточно большое затухание в направлениях c – b и c^* – b^*, то есть «развязать» направления передачи и приема четырехпроводной части канала. При этом в направлениях a – b, c^* – a^*, a^* – b^*, c – a затухание переходного устройства должно быть минимальным. Это требование выполняется с помощью развязывающих устройств, входящих в состав переходных устройств.

Одним из наиболее часто используемых развязывающих устройств являются дифференциальные развязывающие устройства. Дифференциальное развязывающее устройство представляет собой уравновешенный мост. В одно из плеч моста включают двухпроводное окончание канала, три других плеча образуются из вспомогательных сопротивлений, а в диагонали моста включают цепи передачи и приема четырехпроводной части двустороннего канала. Подбирая величину одного из вспомогательных сопротивлений, мост уравновешивают или балансируют, обеспечивая тем самым отсутствие передачи сигнала из одной диагонали в другую, то есть создание большого затухания между направлениями передачи и приема. Применяются дифференциальные развязывающие устройства двух типов – резисторные и трансформаторные, причем последние чаще.

Трансформаторное развязывающее устройство (рис. 4.6) представляет собой дифференциальный трансформатор, к зажимам 1-1 которого подключается двухпроводная цепь, а к зажимам 2-2 уравновешивающий ее балансный контур (БК).

Рисунок 4.6. Развязывающее устройство

Зажимы 4-4 подключаются к передающей части четырехпроводного канала, а зажимы 3-3 к его приемной части.

Затухание в направлении от зажимов 3-3 к зажимам 4-4 называется переходным и определяется по формуле:

,

где называется коэффициентом неравноплечности. В аппаратуре в большинстве случаев устанавливаются равноплечие развязывающие устройства с m=1, так что второе слагаемое в последней формуле 20lg2=6 дБ. Символом z_б обозначено входное сопротивление балансного контура, z_л – входное сопротивление линии, подключаемой к зажимам 1-1, а в целом первое слагаемое в приведенной формуле называется балансным затуханием:

.

Балансное затухание тем больше, чем точнее входное сопротивление балансного контура уравновешивает входное сопротивление линии. При z_б = z_л балансное, а следовательно и переходное затухание будет равно бесконечности. Физически это объясняется тем, что ток, поступающий с приемной части канала (зажимы 3-3) при w_б = w_л и z_б = z_л делится пополам, то есть i_б = i_л. Эти токи образуют равные, но противоположно направленные магнитные потоки и, следовательно, во вторичной обмотке w₃ и в сопротивлении z₄ ток равен нулю. Все сказанное справедливо в том случае, когда токи i_б = i_л и направлены точно навстречу друг другу. Если в сопротивлении линии, например, преобладают активная и емкостная составляющие, а в сопротивлении балансного контура – активная и индуктивная, то указанные токи будут иметь разные фазы, во вторичной обмотке трансформатора появится ток и переходное затухание уменьшится. Как известно, входное сопротивление линии, нагруженной на согласованное с ним сопротивление, равно ее волновому сопротивлению. Волновое сопротивление содержит активную и реактивную составляющие, каждая из которых изменяется с изменением частоты, причем характер их изменений разный. В связи с этим подобрать входное сопротивление балансного контура, точно равное входному сопротивлению линии особенно в широкой полосе частот практически невозможно. Поэтому, например, в полосе тональных частот 0,3 – 3,4 кГц переходное затухание дифференциальной системы обычно не превышает 30дБ, а при расширении используемой полосы частот оно будет еще меньше, то есть величина сигнала электрического эха возрастет.

Для борьбы с электрическим эхом возможно использование следующих методов:

1) применение самобалансирующихся дифференциальных систем. Этот метод часто экономически невыгоден из-за большой технической сложности и высокой стоимости систем самобалансировки;

2) частотное разделение каналов. При использовании этого метода полоса канала разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых сигнал передается в одном направлении. Недостаток метода – полоса канала используется не в полном объеме;

3) применение эхо-компенсаторов. Суть метода состоит в том, что на этапе установления соединения модем посылает определенный зондирующий сигнал, принимает вызванный им эхо-сигнал и по нему определяет параметры эхо-отражения: время запаздывания, амплитудные и фазовые искажения, мощность. По этим параметрам настраивается эхо-компенсатор, структурно представляющий собой линию задержки с отводами, в каждом из которых установлен усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, и сумматор, суммирующий сигналы с выходов усилителей. В процессе дальнейшей работы осуществляется вычитание принимаемого сигнала и сигнала с выхода сумматора, который является более или менее точной копией эхо-сигнала. Технология эхо-компенсации позволяет отвести для дуплексной передачи всю ширину полосы канала, однако требует значительных вычислительных ресурсов для обработки сигнала.

Данные, передаваемые ООД, поступают в передатчик модема, который выполняет операции скремблирования, относительного кодирования, модуляции и синхронизации.

Кроме того, он иногда вносит предискажения, компенсирующие нелинейности АЧХ и ФЧХ канала. Эту функцию выполняет эквалайзер. Структуру передатчика можно представить следующим образом (рис. 4.7).

Рисунок 4.7. Структура передатчика модема

Схема синхронизации получает сигнал опорной частоты от внутреннего генератора модема, либо от ООД.

Скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником удаленного модема и получения более равномерного спектра передаваемого сигнала.

Применение относительного кодирования при использовании фазовой модуляции и производных от нее позволяет решить проблему неоднозначности фазы восстанавливаемой на приеме несущей.

Приемник (рис. 4.8) типового синхронного модема в свою очередь содержит адаптивный эквалайзер со схемой управления, промежуточный модулятор с задающим генератором, демодулятор, относительный декодер, дескремблер и схему синхронизации.

Рисунок 4.8. Структура приемника модема

Адаптивный эквалайзер приемника, как и эквалайзер передатчика, позволяет компенсировать нелинейные искажения, вносимые каналом передачи. Адаптивность эквалайзера заключается в его способности подстраиваться под изменяющиеся параметры канала в течение сеанса связи. Для этого сигнал ошибки фазы с демодулятора поступает на схему управления, которая вырабатывает управляющие сигналы для эквалайзера. Сам эквалайзер структурно состоит из линии задержки с отводами и набора управляемых усилителей с изменяемыми коэффициентами усиления.

Промежуточный модулятор приемника совместно с задающим генератором позволяет перенести спектр принимаемого сигнала в область более высоких частот. Это делается для облегчения операций фильтрации и демодуляции.

Относительный декодер и дескремблер выполняют операции, обратные выполняемым относительным кодером и скремблером в передатчике.

Схема синхронизации выделяет тактовую частоту из принимаемого сигнала и подает ее в остальные узлы приемника.

Остановимся более подробно на работе скремблера.

Двоичный сигнал на входе передатчика может иметь произвольную статистическую структуру, которая не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым синхронным способом передачи.

Среди этих требований основными являются следующие:

1) частота смены символов (0 и 1) должна обеспечивать надежное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала;

2) спектральная плотность мощности передаваемого сигнала должна быть по возможности постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.

Приведенные требования должны выполняться вне зависимости от структуры передаваемого сообщения. Поэтому в модемах исходная последовательность часто подвергается определенной обработке. Смысл этой обработки состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, а это позволяет удовлетворить обоим названным выше требованиям. Одним из способов такой обработки является скремблирование (перемешивание).

Скремблирование – это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью придания ему свойств случайной последовательности.

Основной частью скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде линейного n-разрядного регистра сдвига с сумматорами по модулю два в цепи обратной связи, формирующего последовательность максимальной длины с периодом 2ⁿ-1.

Различают два основных типа цифровых скремблеров – дескремблеров: 1) самосинхронизирующиеся и 2) с начальной установкой или аддитивные. Схему пары самосинхронизирующихся скремблера - дескремблера можно представить следующим образом (рис. 4.9).

Особенностью самосинхронизирующегося скремблера является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, т.е. той, которая направляется в канал. Поэтому в этом случае не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера, поскольку они оказываются идентичными в результате записи в их регистры одной и той же скремблированной последовательности. При потере синхронизации между скремблером и дескремблером время ее восстановления не превышает числа тактов, равного числу разрядов регистра сдвига скремблера.

Рисунок 4.9. Структура самосинхронизирующихся скремблера и дескремблера

Одним из недостатков самосинхронизирующегося дескремблера является присущее ему свойство размножения ошибок. В общем случае влияние одного ошибочно принятого бита будет проявляться a раз, где a - число обратных связей регистра. Этот недостаток ограничивает число обратных связей, которое практически не превышает a=2, т.е. полином, описывающий регистр имеет вид xⁿ + x^m + 1. Второй недостаток самосинхронизирующегося скремблера связан с возможностью появления на его входе т.н. «критических ситуаций», когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим периода ПСП. Для предотвращения таких ситуаций согласно рекомендациям ITU-T предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов на входе и нарушают ее.

Недостатки, свойственные самосинхронизирующимся скремблерам, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании. В этой схеме (рис. 4.10) скремблированная последовательность не поступает на входы регистров скремблера и дескремблера.

Рисунок 4.10. Структура адаптивных скремблера и дескремблера

Однако в такой паре требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимости защиты от критический ситуаций делают способ аддитивного скремблирования более предпочтительным, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации (идентичной начальной установки) скремблера и дескремблера.

О влиянии скремблирования на энергетический спектр сигнала можно сказать, что если период ПСП M=2ⁿ-1, то число спектральных составляющих в той же полосе частот увеличивается в М раз, а уровень каждой составляющей уменьшается в такое же число раз.

2. Модемы для физических соединительных линий. Основное отличие этих модемов от модемов других типов состоит в том, что полоса пропускания физических линий не ограничена значением 3,1 кГц, характерным для КТСОП. Однако и она является ограниченной и зависит от типа передающей среды и ее длины.

С точки зрения используемых для передачи сигналов модемы для физических линий могут быть разделены на:

1) модемы низкого уровня или линейные драйверы или модемы на короткие расстояния, использующие для передачи цифровые сигналы;

2) модемы основной полосы, в которых применяются методы модуляции, аналогичные применяемым в модемах для КТСОП.

В модемах первой группы обычно используются цифровые методы биимпульсной передачи, позволяющие формировать импульсные сигналы без постоянной составляющей и часто занимающие более узкую полосу частот, чем исходная цифровая последовательность. В модемах второй группы часто используются различные виды квадратурной амплитудной модуляции, позволяющие радикально сократить требуемую для передачи полосу частот.

Контрольные вопросы к лекции 14

14-1. Перечислите элементы структуры синхронного модема для КТСОП.

14-2. Для чего предназначена схема управления в структуре синхронного модема для КТСОП?

14-3. Для чего предназначен эхо-компенсатор в структуре синхронного модема для КТСОП?

14-4. Для чего предназначены переходные устройства?

14-5. Что является причиной возникновения электрического эха?

14-6. Что представляет собой дифференциальное развязывающее устройство?

14-7. Что представляет собой трансформаторное развязывающее устройство?

14-8. Какое затухание дифференциального развязывающего устройства называется переходным?

14-9. Какое затухание дифференциального развязывающего устройства называется балансным?

14-10. Какие методы используются для борьбы с явлением электрического эха?

14-11. В чем состоит суть метода эхо-компенсации?

14-12. Какую функцию в составе передатчика модема реализует эквалайзер?

14-13. Какую функцию в составе передатчика модема реализует схема синхронизации?

14-14. Какую функцию в составе передатчика модема реализует скремблер?

14-15. Какую функцию в составе передатчика модема реализует относительный кодер?

14-16. Какую функцию в составе приемника модема реализует адаптивный эквалайзер?

14-17. Какую функцию в составе приемника модема реализует промежуточный модулятор?

14-18. Какие требования предъявляет синхронный способ передачи к статистической структуре передаваемой двоичной последовательности?

14-19. Что называется скремблированием?

14-20. Что является основной структурной составляющей цифрового скремблера?

14-21. Назовите основные типы цифровых скремблеров.

14-22. Каковы недостатки самосинхронизирующихся дескремблеров?

14-23. Каковы недостатки аддитивного скремблирования?

14-24. Как скремблирование влияет на энергетический спектр сигнала?

14-25. На какие группы могут быть разделены модемы для физических линий?

14-26. В чем основное отличие модемов низкого уровня от модемов основной полосы?

Лекция 15. Цифровые, пакетные, сотовые модемы

3. Модемы для цифровых систем передачи. Они напоминают модемы низкого уровня, однако в отличие от них должны обеспечивать возможность подключения к стандартным цифровым каналам и поддерживать функции соответствующих канальных интерфейсов.

Для передачи данных по цифровым линиям требуется выполнить определенные преобразования исходной последовательности. Такое преобразование носит название линейного кодирования или кодирования для линии передачи. Рассмотрим подробнее, для чего и как оно осуществляется.

Данные, поступающие от ООД, уже являются цифровыми, представленными в униполярном коде или биполярном коде без возвращения к нулю (NRZ) (рис. 4.11).

При передаче данных на большие расстояния с использованием NRZ возникают следующие проблемы:

1) с течением времени нарастает постоянный ток, блокируемый некоторыми устройствами цифрового тракта, например, трансформаторами, что приводит к искажению передаваемых импульсов;

2) передача длинных серий нулей или единиц приводит к нарушению правильной работы устройств синхронизации на приеме;

3) отсутствует возможность оперативного контроля ошибок на уровне физического канала.

Для решения перечисленных проблем и предназначено линейное кодирование. Параметры сигнала, получаемого после линейного кодирования, должны быть согласованы с характеристиками используемого цифрового канала и отвечать следующим требованиям:

Рисунок 4.11. Методы линейного кодирования

1) в энергетическом спектре линейного сигнала должна отсутствовать постоянная составляющая, что позволяет повысить либо верность, либо дальность передачи;

2) структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность надежного выделения тактовой частоты на приемной стороне;

3) линейный код должен обеспечивать возможность оперативного контроля над ошибками на уровне физической линии;

4) линейные кодер-декодер должны иметь достаточно простую техническую реализацию.

Формирование требуемого энергетического спектра может быть осуществлено соответствующим изменением структуры импульсной последовательности и выбором нужной формы импульсов.

Например, даже сокращение длительности импульсов в два раза, т.е. использование биимпульсного кода с возвратом к нулю (RZ) (рис. 4.11), вдвое уменьшает уровень постоянной составляющей и увеличивает уровень тактовой составляющей в спектре такого сигнала.

Наиболее широкое распространение получили двухуровневые линейные коды с преобразованием одного двухуровневого символа в группу из двух двухуровневых символов. К таким кодам относятся коды Манчестер, DMI, CMI, NEW, код Миллера, код отечественного стыка С1-И или С1-ФЛ-БИ и ряд других.

В качестве примера рассмотрим код Манчестер (рис. 4.11). Он характеризуется тем, что «1» исходного цифрового сигнала передается нулевым импульсом в первом полутактовом интервале и единичным – во втором (т.н. биимпульс 01). Для символа «0» исходного сигнала принимается обратный порядок чередования импульсов (т.н. биимпульс 10). Аналогичный код с обратным соответствием называется кодом Манчестер 2. Код Манчестер удовлетворяет всем названным ранее требованиям.

Действительно, поскольку в исходных сигналах нуля и единицы импульсы одинаковой полярности имеют одинаковую площадь, в спектре такого линейного сигнала отсутствует постоянная составляющая.

То обстоятельство, что в середине каждого битового интервала обязательно присутствует переход, значительно облегчает формирование синхросигналов на приемной стороне.

Это же обстоятельство решает и проблему оперативного контроля над ошибками непосредственно при приеме из линии, поскольку отсутствие очередного перепада через время битового интервала после последнего выявленного перепада свидетельствует об ошибке. Кодер манчестерского кода имеет простую техническую реализацию. Действительно, код Манчестер можно получить, если на один вход сумматора по модулю два подать код NRZ, а на второй – синхросигналы в виде меандра с периодом, равным периоду кода NRZ, и синфазный с ним. Реализация декодера несколько сложнее.

Недостатком манчестерского кода является то, что требуемая полоса частот для его передачи вдвое превышает полосу частот исходной двоичной последовательности. Еще одно ограничение на применение манчестерского кода состоит в том, что сигнал, соответствующий единице, является негативной копией сигнала, представляющего нуль. То есть имеет место ситуация, аналогичная указанной ранее для фазовой манипуляции с теми же последствиями, т.е. возможностью обратной работы.

Метод устранения возможности обратной работы используется тот же и называется он относительным кодированием (рис. 4.11). Так, например, в стандарте С1-И символу «1» входной последовательности соответствует биимпульс 10 или 01, совпадающий с предыдущим, а символу «0» - биимпульс 10 или 01, инверсный по отношению к предыдущему биимпульсу. При обратном преобразовании т.е. декодировании определяется состояние сигнала (направление перехода) в каждом тактовом интервале и сравнивается с предыдущим интервалом. Если произошли изменения, то фиксируется 0, если изменений нет –1.

4. Пакетные радиомодемы. Передача данных по радиоканалу во многих случаях надежнее и дешевле, чем по коммутируемым или арендованным каналам. В зависимости от используемых приемопередатчиков (т.е. радиостанций) сеть с использованием радиомодемов может обслуживать своих абонентов в зоне радиусом до сотен километров.

Типичная станция пакетной связи включает в себя компьютер, собственно радиомодем, часто называемый пакетным контроллером (TNC – Terminal Node Controller) и приемопередатчик – радиостанцию УКВ или КВ – диапазона.

В функции контроллера входит обмен данными с компьютером, управление форматированием кадров, управление доступом к общему радиоканалу в соответствии с тем или иным методом множественного доступа.

Главные отличия радиомодемов от модемов для телефонных каналов КТСОП состоят, во-первых, в используемой передающей среде и, во-вторых, в том, что радиомодемы ориентированы для работы не в канале типа «точка-точка», а в едином радиоканале, общем для многих пользователей, т.е. в канале множественного доступа.

В этом смысле сети, построенные на основе пакетных радиомодемов, похожи на локальные сети с шинной или магистральной архитектурой, когда все пользователи подключены к общему для всех каналу (т.н. моноканалу), для которого в качестве передающей среды в локальных сетях используется кабель. Учитывая эту аналогию, можно сказать, что в пакетных радиосетях используются те же методы управления доступом, что и в локальных сетях с моноканалом.

Моноканалы локальных сетей из соображений надежности строятся в основном по принципу распределенного управления доступом к каналу, поскольку при централизованном управлении выход из строя центра управления является катастрофическим для всей сети в целом. При распределенном управлении все станции, подключенные к каналу, функционируют одинаково, получая информацию о занятости и освобождении канала только исходя из состояния физического канала. Прием данных производится путем селекции, т.е. выделения из множества данных, передаваемых по каналу, каждой станцией тех данных, которые адресованы именно ей.

В таких сетях в основном используются методы доступа к каналу, основанные на соперничестве, когда каждая станция пытается захватить передающую среду в произвольный момент времени. Такие методы называются методами свободного или случайного доступа к каналу. Существует несколько разновидностей свободного доступа, к которым можно отнести:

- свободный доступ с проверкой столкновений;

- свободный доступ с проверкой несущей (прослушиванием канала, контролем занятости);

- комбинация первых двух.

При использовании любого из названных методов для каждой станции канал является равнодоступным средством передачи данных (равноранговая сеть), порядок доступа к которому определяется соответствующим протоколом. Алгоритм функционирования пакетных радиосетей регламентируется рекомендацией АХ 25, которая представляет собой специально переработанную для пакетных радиосетей версию стандарта Х25. Протокол АХ 25 предусматривает свободный доступ в канал с контролем занятости канала.

Прежде чем начать передачу радиомодем проверяет, свободен канал или нет – прослушивает канал на предмет наличия или отсутствия в нем сигналов, используемых для передачи данных. Если канал занят, то передача своих данных откладывается радиомодемом до момента освобождения канала. Если радиомодем обнаруживает канал свободным, он начинает передачу своих данных. Очевидно, что в силу конечного времени распространения сигнала по каналу, в тот же момент времени может начать передачу любой другой радиомодем данной сети.

В этом случае происходит столкновение сигналов двух радиомодемов или коллизия, в результате которой с высокой вероятностью данные обоих радиомодемов серьезно исказятся. Радиомодем-передатчик узнает об этом, получив отрицательную квитанцию на переданный пакет от радиомодема-получателя или в результате превышения времени тайм-аута. В такой ситуации он обязан будет повторить передачу этого пакета. При пакетной связи информация в канале передается в виде кадров. В основном с небольшими отличиями их формат соответствует формату кадров рассмотренного ранее протокола HDLC.

Наличие столкновений приводит к снижению потенциальной пропускной способности канала. Предположим, что для всех пар систем сети время распространения сигнала одинаково и равно а. Это время влияет на вероятность столкновения пакетов. Если одна станция начнет передачу в момент времени t, а другая в момент времени t+d, где d<а, то произойдет столкновение, поскольку в течение времени а после начала передачи занятый канал воспринимается любой другой станцией как свободный. Вероятность того, что ни одна станция не начнет передачу в течение интервала а равна , где называется нормированным временем распространения сигнала по каналу, Т – время передачи одного пакета, G – интенсивность потока запросов на передачу пакетов. Тогда скорость передачи по каналу:

.

Исследование этой зависимости показывает, что при малом времени распространения по каналу, т.е. при а<<T, с увеличением интенсивности потока G скорость передачи пакетов возрастает, приближаясь к потенциальной пропускной способности физического канала. Аналогичная характеристика для метода, использующего только проверку столкновений, располагается значительно ниже.

5. Модемы для сотовых систем связи. Они отличаются компактностью исполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и кодирования, позволяющих эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами.

Под сотовой технологией понимается не только сам принцип сотовой или ячеечной организации связи, но и совокупность прогрессивных технических и программных решений (стандартов, процедур, протоколов, интерфейсов и т.д.) разработанных международными организациями и принятых для реализации архитектуры и интеллектуального обеспечения сотовых систем подвижной радиосвязи.

С топологической точки зрения сеть сотовой связи строится в виде совокупности ячеек или сот, покрывающих обслуживаемую территорию. Сотовая структура сети основана на принципе повторного использования частот – основном принципе сотовой сети, определяющем эффективное использование выделенного частотного ресурса и большую пропускную способность.

Основными элементами технической структуры сотовой системы являются:

- центр коммутации;

- базовые станции;

- подвижные станции или абонентские радиотелефонные аппараты.

Базовая станция обслуживает все абонентские радиотелефонные аппараты в пределах своей ячейки. Ресурс для установления соединения базовая станция предоставляет по требованию абонентов на равноправной основе, что называется методом транкинга.

Под словом «транкинг» понимается метод равного доступа абонентов к общему выделенному пучку каналов, при котором конкретный канал закрепляется для каждого сеанса индивидуально в зависимости от нагрузки в системе. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции сети замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход в единую сеть электросвязи РФ, например, в обычную городскую КТСОП.

Центр коммутации обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений между подвижными и стационарными пользователями. Он аналогичен коммутационной станции ISDN, но включает дополнительный интерфейс между фиксированными сетями и сотовой сетью. Он обеспечивает:

- маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами;

- функции коммутации радиоканалов, к которым относятся «эстафетная передача» для достижения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей;

- постоянное слежение за подвижными станциями.

В РФ организуются две федеральные сотовые сети общего пользования: СРПО-450 и СРПО-900. СРПО-450 действует на основе стандарта NMT для аналоговых сетей, а СРПО-900 построена по стандарту GSM, который предназначен для цифровых сетей.

С точки зрения передачи данных аналоговые сотовые сети принципиально должны мало отличаться от КТСОП. В отличие от каналов КТСОП каналы сотовых сетей обладают рядом особенностей, которые серьезно влияют на качество передачи данных. Эти особенности состоят в следующем:

1. При перемещении радиотелефона из одно соты в другую происходит переключение обслуживающей базовой станции и радиоканала. При изменении расстояния от мобильного телефона до базовой станции происходит переключение мощности передатчика. В результате таких переключений радиоканал, а значит и несущая частота модема, прерываются на 0,2 – 1,2 с. Обычный модем реагирует на это процедурой повторного соединения.

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 отношение сигнал/шум. В результате колебаний амплитуды несущей при передаче данных возникают ошибки.

3. Аналоговые сотовые сети разрабатывались для голосовой связи, в связи с чем в них широко использовалась коррекция АЧХ канала. Высокий уровень несущей в таких каналах приводит к нелинейным искажениям, вызванным ограничением сигнала, а слишком низкий уровень сигнала ухудшает отношение сигнал/шум при приеме.

В цифровых сотовых сетях эти проблемы решаются на уровне системного проектирования, в результате чего пользователь получает высококачественный цифровой канала передачи данных, который по сравнению с аналоговой сотовой сетью 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 сигналов.

Стандарт GSM предусматривает работу передатчиков подвижных станций в диапазоне частот 890... 915 МГц, передатчиков базовых станций в диапазоне частот 935... 960 МГц. Таким образом, между диапазонами приема и передачи предусмотрен постоянный разнос частот 45МГц. Каждый из указанных поддиапазонов разбит на 124 частотных канала с шагом 200кГц. В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA-кадра содержится 8 временных позиций для передачи физических информационных каналов. С учетом наличия 124 несущих общее количество каналов составляет 992. Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Для борьбы с явлением многолучевости распространения радиоволн в условиях города в процессе сеанса связи применяется медленная программная перестройка рабочих частот со скоростью 217 скачков в секунду, а также эквалайзеры, реализующие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Схема синхронизации обеспечивает компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальному радиусу ячейки до 35 км. Увеличение дальности связи приводит к необходимости увеличения защитных промежутков между временными окнами в TDMA-кадре и как следствие – к уменьшению их числа при сохранении общей скорости передачи по частотному каналу. В стандарте GSM обеспечивается высокая степень безопасности передачи сообщений за счет возможности их шифрования по алгоритму шифрования с открытым ключом.

Сеть связи, действующая в стандарте GSM, предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов, подключаться к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией обслуживания.

В своем развитии сотовые СРПО прошли три этапа. К первому поколению относятся аналоговые стандарты (NMT-450), ко второму – цифровые (GSM и др.). Наиболее совершенными в техническом плане можно считать сети второго поколения, использующие кодовый доступ или кодовое разделение каналов (CDMA). В отличие от других цифровых сетей, которые делят отведенный частотный диапазон на узкие каналы по частотному (FDMA) или временному (TDMA) признаку, в стандарте IS-95, который использует CDMA, передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу.

Переход к следующему, третьему поколению, будет происходить постепенно по нескольким направлениям:

- совершенствования методов кодирования речи;

- внедрения новых услуг по передаче различной информации;

- обеспечения глобального роуминга (процесса обслуживания «блуждающего» абонента) и роуминга между спутниковыми и наземными сетями радиосвязи с подвижными объектами.

Контрольные вопросы к лекции 15

15-1. Какие проблемы возникают при использовании для передачи кода без возвращения к нулю (NRZ)?

15-2. Для чего предназначено линейное кодирование?

15-3. Какие преимущества обеспечивает применение кода RZ по сравнению с кодом NRZ?

15-4. Как формируется манчестерский код?

15-5. Почему в спектре сигнала, закодированного манчестерским кодом, отсутствует постоянная составляющая?

15-6. Почем использование манчестерского кода значительно облегчает формирование синхросигналов на приемной стороне?

15-7. Как решается проблема оперативного контроля над ошибками при использовании манчестерского кода?

15-8. Каковы недостатки манчестерского кода?

15-9. Как осуществляется относительное кодирование?

15-10. Что включает в себя типичная станция пакетной радиосвязи?

15-11. В чем состоят главные отличия пакетных радиомодемов от модемов других типов?

15-12. Какие методы доступа к каналу используются в пакетных радиосетях?

15-13. Как реализуется метод доступа в канал с контролем занятости канала?

15-14. Что является причиной коллизий в канал с контролем занятости канала?

15-15. К чему приводит наличие коллизий в канале со свободным доступом?

15-16. Чем модемы для сотовых систем связи отличаются от модемов других типов?

15-17. Что является основными элементами технической структуры сотовой системы связи?

15-18. Что называется транкингом?

15-19. Какие функции реализует центр коммутации сотовой системы связи?

15-20. В чем состоят особенности аналоговых сотовых сетей?

15-21. Какие преимущества обеспечивает применение цифровых сотовых сетей?

15-22. Какие способы разделения каналов используются в цифровых сотовых сетях?

15-23. Какие методы защиты от ошибок используются в цифровых сотовых сетях?

15-24. Какие методы борьбы с многолучевым распространением сигнала используются в цифровых сотовых сетях?

15-25. Какие методы обеспечения информационной безопасности содержит стандарт GSM?

Лекция 16. Методы модуляции и сжатия данных

В модемах для телефонных каналов, как правило, используются три вида модуляции:

- частотная;

- относительная фазовая;

- квадратурная амплитудная.

Частотная модуляция весьма помехоустойчива, но при ЧМ неэкономно используется ресурс полосы частот канала. В связи с этим ЧМ применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

При использовании ОФМ чаще других видов используется ОФМ-4 или двукратная ОФМ (ДОФМ).

Применение многопозиционной КАМ в чистом виде сопряжено с недостаточной помехоустойчивостью. Поэтому в современных модемах КАМ используется совместно со сверточным кодированием и декодированием Витерби.

Согласованные определенным образом варианты многопозиционной КАМ и сврточного кода, обеспечивающие улучшение энергетической и частотной эффективности называются сигнально-кодовыми конструкциями (СКК) или треллис-модуляцией. СКК позволяют повысить помехозащищенность передачи информации наряду со снижением требований к отношению сигнал/шум в канале на 3-6 дБ. При этом число точек в сигнальном созвездии увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Задача поиска наилучшей СКК является одной из наиболее сложных задач теории связи. Современные высокоскоростные протоколы (V.32, V.32 bis, V.34 и др.) предполагают обязательное применение СКК.

Как известно, применениесжатия данных позволяет более эффективно использовать емкость дисковой памяти (архиваторы). Не менее полезно применение сжатия данных при передаче информации в любых системах связи. В этом случае появляется возможность передавать значительно меньшие объемы данных и, следовательно, требуются значительно меньшие ресурсы пропускной способности каналов для передачи той же самой информации.

Теоретической предпосылкой возможности сжатия данных выступает известная из теории информации теорема Шеннона. Она утверждает, что в канале без помех можно так преобразовать последовательность символов источника в последовательность символов кода, что средняя длина символов кода может быть сколь угодно близкой к энтропии источника сообщений H(X). Понятие энтропии источника сообщений также введено Шенноном.

Она определяется в соответствии с выражением

,

где p(x_i) – вероятность появления конкретного сообщения или символа x_i из N возможных символов алфавита источника. N называется объемом алфавита источника. Энтропия источника H(X) выступает количественной мерой разнообразия выдаваемых источником символов или мерой априорной неопределенности выдачи конкретного символа x_i из множества возможных. Чем выше разнообразие алфавита символов источника и порядка их выдачи, тем больше энтропия H(X) и тем сложнее эту последовательность символов сжать.

Энтропия максимальна , если символы выдаются источником независимо друг от друга и с равной вероятностью. С другой стороны, H(X) =0, если один из символов выдается постоянно, а появление других невозможно. Единицей измерения энтропии является бит. 1 бит – это та неопределенность, которую имеет источник с равновероятной выдачей двух возможных символов.

Энтропия источника H(X) определяет среднее число двоичных символов, необходимых для кодирования символов источника. Так, если символами источника являются буквы русского алфавита (N=32), они передаются равновероятно и независимо друг от друга, то , то есть каждую букву алфавита можно закодировать последовательностью из пяти двоичных символов.

Если символы выдаются источником не с равной вероятностью и не независимо, то энтропия источника . В этом случае возможно более экономное кодирование. На каждый символ источника может быть затрачено в среднем символов кода. Для характеристики достижимой или потенциально возможной степени сжатия используется коэффициент избыточности:

.

Для характеристики достигнутой на практике степени сжатия применяют коэффициент сжатия, под которым понимают отношение первоначального объема данных к их объему в сжатом виде.

В качестве примера, поясняющего принцип сжатия, можно привести методы, используемые для построения кодов, называемых эффективными. В чистом виде в современных системах передачи данных они не применяются, однако позволяют проиллюстрировать принципы, заложенные в более эффективных и сложных методах.

Целью эффективного кодирования является устранение избыточности сообщений, поскольку избыточные сообщения требуют большего времени для передачи и большего объема памяти для хранения.

Очевидно, что для уменьшения избыточности кодовых комбинаций, кодирующих символы сообщений, необходимо выбирать максимально короткие кодовые комбинации. Однако для полного устранения избыточности этого недостаточно. При кодировании необходимо учитывать вероятности появления каждого символа в сообщениях и наиболее вероятным символам сопоставлять короткие кодовые комбинации, а наименее вероятным – более длинные.

В качестве иллюстрации – простой пример. Пусть сообщение может состоять из двух слов. Длина первого - один кодовый символ, второго - три кодовых символа. Вероятности появления слов в сообщении соответственно 0,1 и 0,9. Тогда статистически средняя длина слова в сообщении 1*0,1 + 3*0,9 = 2,8 символа. Если слова будут иметь другие вероятности, например, 0,9 и 0,1, то средняя длина слова составит 1*0,9 + 3*0,1 = 1,2 символа. Отсюда видно, что длина кодовой комбинации должна выбираться в зависимости от вероятности появления кодируемого этой комбинацией символа сообщения. Чем чаще он появляется, т.е. чем больше его вероятность, тем более короткую кодовую комбинацию ему следует сопоставить.

Формализуем задачу эффективного кодирования. Пусть входным алфавитом кодирующего отображения является множество сообщений . Пусть выходным алфавитом кодирующего отображения будет множество В, число элементов которого равно m. Кодирующее отображение сопоставляет каждому сообщению а_i кодовую комбинацию, составленную из n_i символов алфавита В. Требуется оценить минимальную среднюю длину кодовой комбинации. Сравнивая ее со средней длиной кодовой комбинации, вычисленной для какого-либо конкретного кода, можно оценить, насколько данный конкретный код находится близко к эффективному, т.е. безизбыточному коду.

Энтропия сообщения А по определению

.

(4.1)

Средняя длина кодовой комбинации

,

(4.2)

где n_i - длина кодовой комбинации, сопоставленной сообщению а_i. Максимальная энтропия, которую может иметь сообщение из n_СР символов алфавита В, число элементов которого равно m, равна

.

(4.3)

Очевидно, что для обеспечения передачи информации, содержащейся в сообщении А, с помощью кодовых комбинаций алфавита В должно выполняться неравенство

(4.4)

или с учетом (4.3) или с учетом (4.1)

.

(4.5)

При строгом неравенстве (4.4) закодированное сообщение обладает избыточностью, т.е. для кодирования используется больше символов, чем это минимально необходимо. Для числовой оценки избыточности в предыдущей главе использовался коэффициент избыточности

.

(4.6)

Поскольку из (4.3) и (4.4) следует, что , то ясно, что

.

(4.7)

Тогда формулу (4.6) для коэффициента избыточности для кода можно переписать в следующем виде

.

(4.8)

Под эффективным кодом понимается код, r_К которого равен 0, т.е. для абсолютно эффективных кодов . Тогда и неравенство (4.5) переходит в равенство , откуда .

Предположив очевидное, что А не содержит элементов с p(a_i) = 0, получим

(4.9)

для всех i. Но отношение (4.9) не всегда дает целочисленный результат. Следовательно, не для любого набора А с заданным распределением вероятностей p(a_i) можно построить абсолютно эффективный код с r_К = 0. Тем не менее, всегда можно обеспечить выполнение неравенства , умножая которое на p(a_i) и суммируя по i, получим

.

(4.10)

Неравенство (4.10) может служить критерием для оценки эффективности какого-либо конкретного кода.

Для построения эффективных кодов используются различные алгоритмы. Одним из них является код Шеннона – Фано. Код Шеннона – Фано строится следующим образом. Символы алфавита источника выписываются в порядке убывания их вероятностей. Затем вся совокупность разделяется на две группы так, чтобы суммы вероятностей в каждой из групп были по возможности одинаковыми. Далее всем символам одной группы в качестве первого кодового символа приписывается 1, а другой группы – 0. Далее каждая из полученных групп в свою очередь разбивается на две подгруппы с одинаковыми суммарными вероятностями и т.д. Процесс повторяется до тех пор, пока в каждой группе останется по одному символу.

Пример 4.1. Закодировать двоичным кодом Шеннона – Фано ансамбль {a_i} (i=1,2,...,8), если вероятности символов a_i имеют следующие значения

ai	a1	a2	a3	a4	a5	a6	a7	a8
pi	0,25	0,25	0,125	0,125	0,0625	0,0625	0,0625	0,0625

Найти среднее число символов в кодовой комбинации и коэффициент избыточности кода.

Решение.

ai	pi	кодовая комбинация	ni	pini	H(ai)
a1	0,25	11	2	0,5	0,5
a2	0,25	10	2	0,5	0,5
a3	0,125	011	3	0,375	0,375
a4	0,125	010	3	0,375	0,375
a5	0,0625	0011	4	0,25	0,25
a6	0,0625	0010	4	0,25	0,25
a7	0,0625	0001	4	0,25	0,25
a8	0,0625	0000	4	0,25	0,25

По формуле (4.2) , по формуле (4.1) , тогда по формуле (4.7) и по формуле (4.8) , таким образом, построен абсолютно эффективный код.

Алгоритм кодирования Шеннона – Фано имеет простую графическую иллюстрацию в виде графа, называемого кодовым деревом. Граф для кода Шеннона – Фано строится следующим образом. Из нижней или корневой вершины графа исходят два ребра, одно из которых помечается символом 0, а другое – 1. Эти два ребра соответствуют разбиению множества символов алфавита источника на две примерно равновероятные группы, одной из которых сопоставляется кодовый символ 0, а другой – 1. Ребра, исходящие из вершин следующего уровня, соответствуют разбиению получившихся групп на равновероятные подгруппы и т.д. Построение графа заканчивается, когда множество символов алфавита источника будет разбито на одноэлементные подмножества. Каждая концевая вершина графа, т.е. вершина, из которой уже не исходят ребра, соответствует некоторой кодовой комбинации. Чтобы сформировать эту комбинацию, надо пройти путь от корневой вершины до соответствующей концевой, выписывая в порядке следования по этому пути кодовые символы с ребер пути.

Рассмотренная методика Шеннона – Фано не всегда приводит к однозначному построению кода, поскольку в зависимости от вероятностей отдельных символов можно несколькими способами осуществить разбиение на группы.

Пример 4.2. Закодировать двоичным кодом Шеннона – Фано ансамбль {a_i} (i=1,2,...,8), если вероятности символов a_i имеют следующие значения

ai	a1	a2	a3	a4	a5	a6	a7	a8
pi	0,22	0,20	0,16	0,16	0,10	0,10	0,04	0,02

Найти коэффициент избыточности кода.