Основные протоколы модуляции

Протокол V.21

Используется частотная модуляция. Полоса частот телефонного канала делится на 2 подканала – для вызывающего и отвечающего модемов. В 1-м канале: «1» — 980 Гц, «0» — 1180 Гц. Во втором канале: «1» — 1650 Гц, «0» — 1850 Гц. Предусматривается дуплексная передача. Скорость модуляции и скорость передачи в этом случае равны соответственно 300 бод и 300 бит/с.

Э тот протокол применяется в высокоскоростных модемах на этапе установления соединения.

Рис.8.15.

Протокол V.22 bis

И спользуется шестнадцатипозиционная КАМ (КАМ-16) с передачей 4-х бит на один сигнальный отсчет. Скорость — 2400 бит/с. Сигнальная диаграмма показана на рисунке. Первые 2 бита определяют изменение фазового квадранта по отношению к квадранту, в котором находился сигнальный элемент: «01» — 0^o, «00» —90^o, «10» — 180^o, «11» — 270^о. Последние 2 бита определяют один из сигнальных элементов в новом квадранте. Этот протокол стал фактически стандартом для низкоскоростных модемов (рис.8.16.).

Рис.8.16.

Протокол V.32 bis.

Передача ведется с триллис-кодированием. На вход кодека информация подается порциями по 6 бит, формируется 7-битовый код путем сверточного кодирования. Эти 7 бит поступают на устройство сигнального отображения, формирующее элементы сигнального созвездия. Протокол обеспечивает скорость 14400 бит/с.

Протокол V.34 bis.

Этот протокол был принят в 1996 году. Скорость была доведена до 33,6 Кбит/с. Применяется многопозиционная КАМ с решетчатым кодированием. Отображение элементов ведется в 4-мерном пространстве, каждая точка которого отображает сразу блок из 18 бит. Используется триллис-кодирование и сверточный код.

Применяется сложная процедура вхождения в связь.

• Сначала модемы выбирают наивысший протокол серии V, реализованный на обоих модемах.

• Затем производится классификация канала связи. Передатчик модема посылает в канал тестовый сигнал, представляющий собой последовательность из 21 частоты от 150 до 3750 Гц. Приемник удаленного модема, принимая этот сигнал, рассчитывает частотную характеристику канала связи, степень нелинейных искажений, сдвиг частот и другие характеристики канала.

• После этого выбирается номинальная скорость модуляции, значение несущей частоты, уровень передачи, номер шаблона, коэффициенты предкорректора, скорость передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип СКК, параметры нелинейного кодера и т.д.

• Такая же процедура выполняется и в противоположном направлении.

• О ба модема обмениваются этими установками.

В процессе передачи возможно изменение скорости (рис.8.17.).

Рис.8.17.

Протокол ZyX.

Протокол был разработан фирмой ZyXEL Communications специально для работы по телефонным каналам низкого качества. Укажем ряд особенностей этого протокола.

• Применяется метод СКК.

• Используется быстрая повторная синхронизация.

• Применяются как код с исправлением ошибок, так и код с обнаружением ошибок. Последний применяется в том случае, если не хватает способности кода с исправлением ошибок.

• Автоматическое регулирование уровня передачи.

• Динамический выбор скорости передачи.

• Улучшенная процедура вхождения в связь.

• Адаптивное изменение размера передаваемого кадра.

• Процедура селективного повтора кадра (с помощью команды SREJ).

Стандарт 56K

В 1996 году ряд фирм (в том числе Motorola, U.S. Robotics и другие) выпустили модемы, позволяющие работать с телефонной сетью со скоростью 56 Кбит/с. Были предложены 2 рекомендации: K56 flex (Motorola, Rockwell и др.) и x.2 (U.S. Robotics, Texas Instruments и др.). В дальнейшем появилась и компромиссная рекомендация V.90.

И дея метода состояла в следующем. В общем случае модемы V.34 (достигающие наивысшей скорости передачи 33,6 Кбит/с) работают так, как будто вся телефонная сеть является аналоговой (см. рис.8.18.).

Рис.8.18.

Однако даже в России это далеко не так. Большая часть телефонных магистральных каналов в мире являются цифровыми (Т1/Е1). Все время растет число узлов Интернет-провайдеров и предприятий, подключенных к телефонной сети общего пользования цифровыми линиями (Т1 – в Америке, Е1 – в Европе).

Разработчики модемов 56К рассматривали телефонную сеть общего пользования как цифровую магистраль с одним плохим участком (абонентская линия до ближайшей АТС). На этой АТС расположен кодек, имеющий выход в цифровую сеть. Далее сигнал без преобразования следует в цифровом виде до цифрового модема на оконечном узле (см. рис.). Шум квантования возникает только при аналого-цифровом преобразовании. Таким образом при такой структуре скорость передачи в одном направлении (к пользователю), там где стоит только ЦАП, может достигнуть 56 Кбит/с.

В цифровой сети используется метод импульсно-кодовой модуляции. Производится квантование аналогового сигнала на входе 8000 раз в секунду (каждые 125 мкс) и снятые значения передаются 8-битовым кодом. Таким образом скорость передачи составляет 64 Кбит/с. Однако технология 56К была разработана в США, где на каналах системы Т1 младший 8-й бит байта используется для целей синхронизации. Поэтому полезная скорость цифрового канала составляет 56Кбит/с (В Европе теоретически возможна скорость 64 Кбит/с, т.к. здесь для синхронизации введен специальный канал).

Протоколы исправления ошибок.

Вероятность искажения бита на уровне физического канала составляет от 10^-2 до 10^-6. Требования же пользователей к безошибочности — 10^-7  10^-12.

Методы борьбы с ошибками подразделяются на использующие и не использующие обратную связь (ОС). При отсутствии ОС производится декодирование на приемной стороне с исправлением ошибок. В системах же с ОС используются процедуры обнаружения ошибок и переспроса, которые называют решающей ОС или обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения ARQ (Automatic Repeat Request).

В модемах чаще всего используются методы ARQ (но иногда применяются и комбинированные методы, например, исправление ошибок и ARQ в протоколе ZyX).

Д ля организации ARQ передаваемые данные размещаются в кадрах следующего формата (рис.8.18.):

Рис.8.18.

Здесь FCS (Frame Check Sequence) – контрольная последовательность кадра. Часто это поле называют также CRC (Cyclic Redundancy Check) – полем избыточного циклического кода. Flag — это уникальная последовательность 01111110, которая служит для распознавания начала и конца кадра, а также для синхронизации. Control — поле управления кадра. Information — поле данных кадра.

Кодонезависимость протокола достигается за счет использования флаговой комбинации 01111110. Для предотвращения появления в передаваемом кадре этой комбинации битов применяется процедура битстафинга (bit staffing). Это вставка (а затем удаление на приемной стороне) «0» после пяти идущих подряд единиц при передаче в канал связи.

Кроме этого флага HDLC-подобные протоколы используют еще 2 служебных сигнала:

• От 7 до 14 подряд идущих единиц — интерпретируется как сигнал аварийного завершения;

• От 15 и более подряд идущих единиц — сигнал покоя канала (в полудуплексном режиме он означает разрешение на изменение направления передачи).

Обнаружение ошибок. В основном применяется циклический код CRC. Содержимое кадра делится на образующий полином g(x). Остаток от деления помещается в контрольное поле FCS. На приемной стороне производится такое же деление и сравнение результата с FCS.

В основном используют следующие полиномы g(x):

МККТТ-16 — g(x) = x¹⁶+x¹²+x⁵+1

CRC-16 — g(x) = x¹⁶+x¹⁵+x²+1

CRC-32 — g(x) = x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1

CRC-12 — g(x) = x¹²+x¹¹+x³+1

Техническая реализация вычисления CRC основана обычно на сдвиговом регистре с сумматорами по mod 2.

Методы повторной передачи (ARQ).

1. Стартстопный метод (передача с остановкой и ожиданием) SAW (Stop and Wait). Часто называют еще блочным методом передачи.

2. С возвращением на N кадров GBN (Go Back N). Называют также потоковым методом передачи или ARQ типа REJ по названию служебных кадров с отрицательной квитанцией.

3. Метод выборочного (селективного) повтора SR (Selective Repeat). Еще одно название данного метода – ARQ типа SREJ.

Протокол V.42

Э тот протокол был принят в 1988 году и определяет один из вариантов протоколаHDLC – процедуру LAPM (Link Access Procedure for Modems). Она очень близка к LAPB и LAPD,применяемым в сетях X.25 и ISDN. На рисунке 8.19 приведена функциональная схема DCE согласно протоколаV.42. Формат кадров по данному протоколу соответствует HDLC (рассмотренному ранее) .

Рис.8.19.

Обмен по протоколу V.42.

Фаза обнаружения.

Каждый из модемов определяет, к какому классу относится его корреспондент. Один из модемов становится инициатором соединения, а другой – ответчиком. Каждый модем определяет возможности партнера.

Фаза установления соединения.

Производится обмен кадрами XID, содержащими информацию о конкретных возможностях модема. Согласуются значения параметров и ряда необязательных процедур:

• использование селективной повторной передачи (SREJ);

• шлейфовые испытания;

• размер контрольной последовательности (16 или 32 бита).

Фаза испытания канала (не обязательна).

Производится обмен пакетами TEST. По результатам делаются выводы о качестве канала связи.

Фаза передачи данных.

Сигналом перехода к этой фазе является передача кадра SABME. Модем-партнер отвечает кадром UA.

Данные передаются в кадрах типа I, имеющих последовательные номера. На приеме проверяется правильность по FCS. На правильно принятый кадр посылается подтверждение в составе любого кадра. При этом сообщается номер кадра на единицу больший правильно принятого (ожидаемый на приеме). При временной невозможности приема данных модем отвечает кадром RNR (не готов к приему), если свободен – кадром RR (готов к приему).

В кадрах I, RR, RNR сообщается номер ожидаемого кадра — все предыдущие считаются подтвержденными. При обнаружении ошибок в принятом кадре повторная передача запрашивается (в зависимости от режима работы) кадром REJ или SREJ. В REJ указывается номер того кадра, начиная с которого надо повторить передачу. В SREJ — номер конкретного кадра с ошибкой. О приеме кадра с неустранимыми искажениями (недопустимое поле Control, неправильная длина, недействительный номер) модем уведомляет партнера кадром FRNR (неприем кадра). Это ведет к переходу в фазу повторного установления соединения.

Фаза завершения связи.

Начинается с передачи кадра DISC. Ответом могут быть кадры UA или DM.

Фаза разрыва соединения.

Модемы переходят в эту фазу в случае необходимости срочного прекращения связи (до полной передачи данных).

Для этого применяются кадры UI, содержащие в поле информации параметр BRK (разрыв) или BRK ACK (подтверждение разрыва). Соединение при этом сохраняется, но модем игнорирует все кадры, кроме DISC и SABME. Прием SABME вызывает переход в фазу установления соединения (рис.8.20.).

Р ис.8.20.

Управление потоком.

Здесь используется метод скользящего окна (рассмотренный ранее). Обычный размер – до 7 кадров, в расширенной версии – до 127 кадров.

Протоколы сжатия данных

Основные методы сжатия делятся на 2 типа:

• без потерь;

• с потерями (к ним относится, например, метод MPEG, позволяющий сжимать изображения 20:1).

Среди алгоритмов сжатия без потерь выделяют следующие методы:

Кодирование повторов RLE (Run-Length Encoding). Производится замена последовательности повторяющихся символов на строку, содержащую этот символ и число, соответствующее количеству его повторов. Применяется в основном для графических файлов (пример: PCX).

Вероятностные методы сжатия. Основаны на алгоритмах Шеннона-Фано и Хаффмена. Идея — построение дерева, положение символа на ветвях которого определяется частотой его появления. Каждому символу присваивается код, длина которого обратно пропорциональна частоте появления символа. Различают статические и динамические методы. В статических методах используется фиксированная таблица частот появления символов, рассчитанная перед началом сжатия. При использовании динамических (или адаптивных) методов по мере появления нового блока данных происходит перерасчет начальных значений частот. Статические методы используются в архиваторах, таких как ARC, PKZIP. В системах передачи данных эти методы применяются редко.

В модемах применяется в основном метод словарей. Этот метод впервые описан в 1977 году в работах израильских исследователей Якова Зива и Абрахама Лемпеля. Алгоритм получил название LZ. В основе метода лежит идея замены наиболее часто встречающихся последовательностей символов (строк) в передаваемом потоке на «образцы», хранящиеся в специально создаваемой таблице (словаре). Алгоритм основывается на том, что по потоку данных движется скользящее «окно», состоящее из двух частей. В большей по объему части содержится уже обработанная информация, а в меньшей помещается информация, прочитанная по мере просмотра. Во время считывания новой порции информации производится проверка, и если оказывается, что такая строка уже помещена в словарь ранее, то она заменяется ссылкой на нее.

Развитие этого алгоритма было предложено в 1984 году Терри Уэлчем и получило название LZW. Здесь таблица отображает строки символов в коды длиной 12 бит. Метод LZW применяется в протоколе V.42 bis, а алгоритм LZ77 – в утилите Double Space. Метод словарей LZW в протоколе V.42 bis позволяет достичь коэффициента сжатия 4:1.

В протоколах группы MNP применяются другие алгоритмы. Например, протокол MNP5 реализует комбинацию адаптивного кодирования с применением кода Хаффмена и группового кодирования. При этом достигается коэффициент сжатия примерно 2:1. В протоколе MNP7 используется метод Хаффмена в сочетании с марковским алгоритмом прогнозирования. Коэффициент сжатия — 3:1.