Илл. 2.29. Функционирование ADSL на основе дискретной многотональной модуляции
В принципе, для полнодуплексной передачи данных может использоваться любой из оставшихся каналов, но гармоники, перекрестные помехи и другие эффекты не позволяют реальным системам достичь теоретически возможного предела. Количество каналов, доступных для входящего и исходящего потоков данных, выбирает поставщик услуги. Технически можно распределить их в соотношении 50/50, но большинство ISP отдает около 80–90 % пропускной способности входящему каналу, поскольку большинство пользователей скачивает больше данных, чем отправляет. Отсюда и «A» в ADSL. Распространенный вариант: 32 канала на исходящий поток данных, а остальные — на входящий. Также можно сделать несколько верхних исходящих каналов двунаправленными для повышения пропускной способности, хотя такая оптимизация потребует специального контура подавления эха.
Международный стандарт ADSL — G.dmt — был одобрен в 1999 году. Он допускает входящую скорость до 8 Мбит/с и исходящую до 1 Мбит/с. В 2002 году его заменили более совершенным стандартом второго поколения, ADSL2, с входящей скоростью до 12 Мбит/с и исходящей до 1 Мбит/с. Стандарт ADSL2+ еще в два раза повысил входящую скорость, до 24 Мбит/с, за счет удвоения полосы пропускания (2,2 МГц через витую пару).
Следующим шагом, в 2006 году, стал VDSL. Входящая скорость передачи данных по коротким абонентским шлейфам достигала 52 Мбит/с, а исходящая — 3 Мбит/с. В период с 2007 по 2011 год появился ряд новых стандартов под общим названием VDSL2. При полосе пропускания 12 МГц на высококачественных абонентских шлейфах входящая скорость достигала 200 Мбит/с, исходящая — 100 Мбит/с. В 2015 году для шлейфов короче 250 м был предложен стандарт Vplus. Теоретически он позволяет достичь входящей скорости до 300 Мбит/с и исходящей до 100 Мбит/с, но реализовать это непросто. Вероятно, из уже существующих кабелей категории 3 больше выжать нельзя, разве что на более коротких расстояниях.
Внутри каналов используется модуляция QAM на скорости примерно в 4000 символов/с. При этом непрерывно отслеживается качество связи в каждом канале, с подстройкой скорости за счет использования больших или меньших схем модуляции, как на илл. 2.17. Скорость передачи данных в различных каналах отличается: до 15 бит/символ для канала с высоким SNR и 2, а то и 1 бит/символ для канала с низким SNR в зависимости от стандарта.
Типовая схема работы ADSL показана на илл. 2.30. Согласно этой схеме специалист телефонной компании устанавливает в помещении абонента устройство сопряжения с сетью (Network Interface Device, NID). Эта маленькая пластмассовая коробочка отмечает точку, где заканчивается оборудование, принадлежащее телефонной компании, и начинается собственность абонента. Неподалеку от NID (а иногда они даже совмещаются) располагается разделитель (splitter) — аналоговый фильтр, отделяющий полосу POTS (0–4000 Гц) от каналов данных. Сигнал POTS направляется к телефону или факсу, информационный сигнал — в ADSL-модем, реализующий OFDM при помощи цифрового обработчика сигналов. А поскольку большинство ADSL-модемов — внешние, компьютер подключается к модему по высокоскоростному соединению. Обычно для этого используется Ethernet, USB-кабель или 802.11.
Илл. 2.30. Типовая конфигурация оборудования ADSL
На другом конце провода, на стороне телефонной станции, устанавливается аналогичный разделитель. Сигнал с частотой выше 26 кГц направляется к специальному устройству — мультиплексору доступа к цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM), включающему такой же цифровой сигнальный процессор, как и ADSL-модем. DSLAM преобразует сигнал в биты и отправляет пакеты в сеть интернет-провайдера.
Благодаря полному разделению системы передачи голоса и ADSL, развертывание ADSL для телефонной компании упрощается. Достаточно закупить DSLAM и разделитель и подключить абонентов ADSL к разделителю. Прочие сервисы с высокой пропускной способностью, предоставляемые по телефонной сети (например, ISDN), требуют от компаний куда больших изменений в коммутационном оборудовании.
Следующая вершина, которую предстоит покорить DSL, — скорости передачи данных в 1 Гбит/с и более. Для этого применяется множество вспомогательных методов, включая связывание (bonding) — создание единого виртуального DSL-соединения за счет объединения двух или более физических DSL-соединений. Разумеется, при объединении двух витых пар пропускная способность также удваивается. В некоторых регионах в здания проводят телефонные кабели, состоящие из двойных витых пар. Изначально идея была в использовании двух отдельных телефонных линий с разными номерами в одном помещении. Но с помощью парной сцепки можно сделать на их основе одно высокоскоростное подключение к интернету. Все больше ISP в Европе, Австралии, Канаде и США развертывает технологию G.fast, в которой используется парное связывание. Как и в случае с остальными DSL, быстродействие G.fast зависит от расстояния, на которое передается сигнал. Недавние тесты показали, что на расстоянии 100 м скорость передачи по симметричному каналу приближается к 1 Гбит/с. В сочетании с оптоволокном это дает технологию FTTdp (Fiber to the Distribution Point — «оптоволокно до точки распределения»). Оптоволокно прокладывается до точки распределения между несколькими сотнями абонентов, а на оставшемся участке (в случае VDSL2 — до 1 км, хотя и с меньшей скоростью передачи) используются медные провода. FTTdp — лишь один из вариантов использования оптоволокна не только в ядре сети, но и ближе к ее периферии. Ниже представлены другие системы такого типа.
Оптоволокно до точки X (FTTX)
Скорость на последнем участке сети часто ограничена медными проводами, которые используются в обычных телефонных сетях. Они не способны на высокоскоростную передачу данных на столь большие расстояния, как оптоволоконный кабель. Следовательно, необходимо проложить оптоволокно как можно ближе к домам абонентов, то есть реализовать FTTH (Fiber to the Home — «оптоволокно до дома»). Телефонные компании стремятся повысить быстродействие абонентского шлейфа, для чего зачастую прокладывают оптоволокно максимально близко к домам. И если даже не прямо в дом, то хотя бы поблизости. При использовании технологии FTTN (Fiber to the Node/Neighborhood — «оптоволокно до узловой точки/микрорайона») кабель заканчивается в коммутационном шкафу на улице, иногда в нескольких километрах от дома абонента. В случае FTTdp оптоволокно оказывается еще ближе к домам, иногда буквально в нескольких метрах. Промежуточное положение между этими вариантами занимает FTTC (Fiber to the Curb — «оптоволокно до бордюра»). Все эти виды FTTX иногда называют «оптоволокном в абонентском шлейфе», поскольку часть абонентского шлейфа составляет оптоволокно.
Существует несколько вариантов FTTX: X может означать подвал, бордюр или микрорайон. Все эти названия используются, чтобы указать на возможность прокладки оптоволокна ближе к дому абонента. В этом случае медные провода (витая пара или коаксиальный кабель) обеспечивают достаточно высокую скорость на последнем коротком участке. Насколько далеко прокладывать оптоволокно — вопрос экономический, выбор зависит от соотношения затрат и ожидаемой прибыли. В любом случае смысл в том, чтобы оптоволоконный кабель перешел границу «последней мили». В нашем обсуждении мы сосредоточимся на технологии FTTH.
Как и медные провода, оптоволоконный абонентский шлейф пассивен, то есть не требует никакого оборудования для усиления или другой обработки сигналов. Оптоволокно просто переносит сигналы между жилищем абонента и оконечной станцией, снижая таким образом затраты и повышая надежность. Как правило, ведущие из домов кабели объединяются, так что от группы из 100 зданий к оконечной станции доходит только один оптоволоконный кабель. В исходящем направлении передаваемый из коммутатора сигнал разбивается оптическими разделителями, чтобы попасть во все дома. Если сигнал предназначается только для одного абонента, в целях безопасности используется шифрование. Во входящем направлении оптические сумматоры соединяют сигналы от всех домов в один, который и поступает в оконечную станцию.
Подобная архитектура, представленная на илл. 2.31, называется пассивной оптической сетью (Passive Optical Network, PON). Обычно для входящей передачи данных все дома совместно используют одну длину волны, а для исходящей — другую.
Илл. 2.31. Пассивная оптическая сеть для технологии FTTH
Даже при разделении колоссальная пропускная способность и незначительное затухание оптоволоконного кабеля позволяют PON работать на высоких скоростях при расстоянии до 20 км. Фактическая скорость передачи данных и другие нюансы зависят от типа PON. Наиболее распространены два вида: гигабитные PON (GPON) и Ethernet PON (EPON). GPON пришли из мира электросвязи, а потому описаны в стандарте МСЭ. EPON больше связаны с компьютерными сетями и описываются стандартом IEEE. Обе разновидности работают на скорости около гигабита и могут передавать трафик для различных нужд, включая интернет, видео и голосовые сервисы. Например, сети GPON обеспечивают входящую скорость 2,4 Гбит/с и исходящую — 1,2 или 2,4 Гбит/с.
Чтобы несколько зданий могли совместно использовать возможности одного оптоволоконного кабеля, идущего из оконечной станции, необходимы дополнительные протоколы. Во входящем направлении проблем нет. Оконечная станция может отправлять сообщения в разные дома в любом порядке. А вот одновременная передача данных из нескольких домов в исходящем направлении приведет к конфликту сигналов. Вдобавок различные дома не могут принимать передаваемые другими домами сигналы, а значит, и не могут прослушивать, прежде чем передавать, не передает ли кто-то еще. Для решения этой проблемы устройства оконечной станции выделяют домовому оборудованию, по запросу последнего, интервалы времени для работы. Для успешного функционирования такой схемы необходимо выстроить хронометраж передачи данных от различных домов, чтобы синхронизировать все получаемые на оконечной станции сигналы. Такая архитектура аналогична архитектуре кабельных модемов, которую мы рассмотрим далее в этой главе. Больше информации о PON можно найти в работах Гроуба и Элберса (Grobe and Elbers, 2008), а также Де Андраде и др. (De Andrade et al., 2014).