1.9 Передача данных по гибридной сети

1.9.1 Принцип кабельной модемной связи [11-14]

Нисходящий трафик. Используемые для ТВ вещания стандартные несущие частоты и ТВ каналы с шириной полосы 8 МГц (в стандарте СЕКАМ^) подходят для передачи нисходящего трафика данных «от сети Интернет – к компьютеру пользователя». Высокая скорость передачи данных достигается за счёт использования эффективных алгоритмов модуляции. Несущая частота канала передачи данных (ПД) выбирается в диапазоне 300…860 МГц. Требуемые полосы частот и алгоритмы модуляции, используемые для ПД при помощи кабельных модемов, определены в европейском варианте спецификации DOCSIS (Data Over Cable Interface Specifications – Спецификации интерфейса передачи данных посредством кабельных модемов).

Возникает вопрос, сколько абонентов (пользователей сети Интернет) можно обслужить при использовании для передачи нисходящего трафика в полосе одного стандартного ТВ канала шириной 8 МГц? Исследования показали, что даже в «часы пик», т.е. часы наивысшей сетевой активности (вечернее время), не более 50% пользователей Интернет работают с сети. По оценкам специалистов при таком уровне Интернет-активности оператор, используя канал передачи с полосой 8 МГц, может по одной коаксиально-кабельной сети обслуживать не менее 400 абонентов (небольшой микрорайон).

Восходящий трафик. Для кабельной модемной связи необходимы каналы под «восходящий» трафик – для ПД от пользователей в сеть. Стандартную сеть КТВ, предназначенную для однонаправленной передачи сигналов необходимо модифицировать под двунаправленную (интерактивную) передачу: сигналы будут передаваться как в направлении «ГС-абонент», так и в обратном направлении «абонент-ГС». В спецификациях DOCSIS определена полоса частот, отведенная под передачу сигналов восходящего потока данных: нижний предел 5 МГц, верхний – 30 МГц (для стран Восточной Европы). Под передачу восходящего трафика отводятся подканалы с шириной полосы 200…3200 кГц каждый в области частот 5…30 МГц.

Модернизация оптической сети под двунаправленную передачу не представляет особых сложностей. В простейшем случае для передачи сигналов в направлении «абонент-ГС» оператору достаточно задействовать свободные оптические волокна в составе ОК. Для этого необходимо установить на оптических узлах передающие, а в помещении ГС – приемные устройства обратного потока (а также оборудование передачи данных), см. п.1.8.

Определенные проблемы возникают при модернизации существующей коаксиальной сети (от оптического узла до помещений абонентов). Для передачи по КК сигналов в обоих направлениях, однонаправленные радиочастотные усилители (ими оборудован стандартный коаксиальный тракт сети КТВ) необходимо заменить двунаправленными, настроенными на работу в соответствующих полосах частот. В направлении «ГС-абонент» эти усилители должны усиливать групповой телерадиосигнал, а также сигналы, несущий данные из Интернет и ОЦК, а в направлении «абонент-ГС» – сигналы, несущие данные в сеть Интернет и ОЦК.

1.9.2 Работа станционного оборудования

Нисходящий трафик. Структурная схема модернизированной для передачи данных головной станции приведена на рис. 1.13. Здесь IP-маршрутизатор связан с сетью Интернет высокоскоростной линией передачи, работающей на скорости 622 Мбит/с (STM-4) или выше. Данные, полученные из сети Интернет, поступают на быстродействующий сетевой Ethernet-коммутатор, который направляет их на модулятор сигнала нисходящего трафика. Используется алгоритм квадратурной амплитудной модуляции (англ. QAM – Quadrature Amplitude Modulation). Согласно этому алгоритму передаваемое сообщение кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной и квадратурной компонент гармонического несущего колебания (обычно с частотой 45 МГц), которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на /2. При QAM каждое сочетание определённого значения фазы с определённым значением амплитуды несущего колебания представляет некоторую кодовою комбинацию. Существуют варианты QAM-х, где х = 4; 16; 32; 64; 128 и 256. Например, для QAM-64 каждое из 64 сочетаний значений амплитуды и фазы несущей представляет комбинацию двоичных символов, состоящую из шести битов (всего возможно 2⁶ = 64 таких комбинаций).

Скорость передачи данных по стандартному каналу с шириной полосы 8 МГц составляет 27 и 40 Мбит/с для алгоритмов QAM-64 и QAM-256 соответственно. Даже если нисходящий поток данных будет передаваться по реальному каналу связи с такой высокой скоростью, компьютер пользователя всё равно не сможет принимать их со скоростью, большей 10 Мбит/с, из-за ограниченности быстродействия Ethernet-трансивера, установленного внутри кабельного модема, и АЧХ соединительных кабелей, которыми модем подключён к компьютеру.

В ТС КМС на рис. 1.13 сформированный QAM-сигнал подается на преобразователь с повышением частоты для переноса его спектра в ВЧ область. Несущая частота нисходящего канала передачи данных выбирается оператором в диапазоне 30…750 МГц (а в случае, если оператор транслирует и цифровое телевидение – до 862 МГц). Номер канала (несущую частоту) для передачи нисходящего трафика оператор выбирает исходя из собственной схемы распределения частот (ведь помимо Интернет-трафика оператор также обеспечивает трансляцию большого числа ТВ каналов). Устройство мультиплексирования каналов (сумматор) объединяет ВЧ-сигнал, несущий Интернет-трафик, с групповым ТВ сигналом. Этот групповой электрический сигнал преобразуется в оптический (Э/О-преобразование) и передаётся по оптическому волокну в сторону оптических узлов. Здесь оптический сигнал преобразуется в электрический (О/Э-преобразование), усиливается и передаётся по коаксиальной сети на модемы абонентов.

Комплекс станционного оборудования передачи данных называют «терминальной системой кабельной модемной связи» – ТСКМС (англ. CMTS – Cable Modem Terminal System). Работу всей сети контролирует специальный блок управления. В нем, в частности, имеется программа-планировщик, а также программа назначения канала ПД (выбирающая, какой из отведённых под Интернет-трафик каналов – от 1-го до N-го – использовать в данный момент). Кабельные модемы, устанавливаемые в домах абонентов, и оборудование ТСКМС должны быть совместимы, т.е. использовать одни и те же протоколы и один и тот же временной отсчёт. Отметим, что временной отсчёт и синхронизация играют важную роль в работе сети кабельной модемной связи.

Восходящий трафик. Механизм передачи восходящего трафика более сложен. Исходя из соображений простоты технической реализации, совместимости с существующим ТВ оборудованием, а также по результатам эксплуатационных испытаний, большинство операторов и производителей оборудования используют для передачи восходящего трафика полосу частот 5…30 МГц (для Европы). Однако этот диапазон подвержен влиянию импульсных помех от бытовых и промышленных электроприборов, а также помех от частной, служебной и любительской радиосвязи. Выяснилось, что метод QAM, используемый для передачи нисходящего трафика и обеспечивающий достаточно высокую скорость передачи данных, не подходит для передачи по такой зашумлённой среде, и поэтому не может быть использован для организации восходящего трафика.

Для передачи данных восходящего потока используется квадратурная фазовая модуляция (англ. QPSK – Quaternary Phase-Shift Keying)^. Она обладает лучшей помехоустойчивостью, но при этом даёт меньшую скорость передачи данных. Однако пониженная скорость не снижает общей производительности сети, поскольку восходящий трафик менее интенсивен, чем нисходящий. Простейший вариант алгоритма QPSK-4 оперирует четырьмя символами, которые могут быть представлены четырьмя точками на амплитудно-фазовой диаграмме – каждая последующая точка смещена на 90° относительно предыдущей. Если каждому из этих символов присвоить свое двухразрядное двоичное число, то таким образом будут представлены четыре возможные двухбитовые комбинации – 00, , 01, 10, 11.

В соответствии с рекомендациями DOCSIS, для канала передачи восходящего трафика, можно выбрать ширину полосы пропускания, равную 200, 400, 800, 1600 или 3200 кГц. Оператор, исходя из используемой им модели трафика, сам выбирает один из пяти приведённых значений полосы. При использовании алгоритма QPSK скорость передачи данных по таким каналам равна 0,32; 0,64; 1,28; 2,56 и 5,12 Мбит/с соответственно.

1.9.3 Функционирование абонентского оборудования

На рис. 1.14 показана структурная схема кабельного модема, устанавливаемого в помещении абонента. Сигнал, поступающий в дом абонента, разветвляется на две части: одна подается на стандартный телеприёмник (видеомагнитофон), а вторая часть – в сетевой интерфейсный модуль кабельного модема.

Нисходящий поток данных. Селектор несущей частоты модема настраивается на несущую частоту ТВ канала, выбранного оператором для передачи данных. Далее сигнал проходит через полосовой фильтр на поверхностно-акустических волнах (ПАВ-фильтр) с крутыми скатами АЧХ, который пропускает полосу частот шириной 8 МГц на выбранной несущей частоте. С выхода ПАВ-фильтра «очищенный» сигнал подаётся на преобразователь с понижением частоты. С его выхода сигнал промежуточной частоты подается на модем физического уровня (англ. PHY – от «PHYsical»). Последний осуществляет демодуляцию сигнала, выделяя из него данные. Контроллер доступа к среде передачи – КДСП (англ. MAC – Media Access Controller) – проверяет целостность потока данных, формирует данные в Ethernet-фреймы формата IEEE 802.3 и передаёт их на трансивер (приемо-передатчик). Трансивер взаимодействует с ПК пользователя на скорости 10 Мбит/с посредством сетевого кабеля стандарта 10Base-T, состоящего из двух витых пар. Кабель обоими своими концами подключается к стандартным разъёмам RJ-45. Микроконтроллер выполняет служебные операции и управляет движением Ethernet-пакетов.

Любой кабельный модем принимает нисходящий трафик, содержащий данные, предназначенные всем абонентам, подключённым к общей коаксиально-кабельной сети, обслуживаемой одним оптическим узлом. Однако КДСП выделяет из общего потока данных только те, которые предназначаются конкретному абоненту. Все прочие данные «теряются».

Восходящий поток данных. Ethernet-пакеты восходящего потока поступают от ПК на трансивер. Ethernet-контроллер направляет эти данные на КДСП, управляющий буферизацией и распределением времени отправки пакетов в соответствии с рекомендациями DOCSIS. Модем физического уровня (PHY) осуществляет QPSK-модуляцию сигнала, частота которого соответствует рабочей частоте канала связи, отведённого под восходящий трафик, после чего сформированный сигнал, пройдя через усилитель мощности, поступает на диплексер^ сетевого интерфейсного модуля для передачи по коаксиальному кабелю в сторону оптического узла (головной станции). Фильтры диплексера отделяет входной сигнал данных (48…862) МГц от выходного (5…30) МГц.

Выбор канала передачи восходящего трафика осуществляется дистанционно блоком управления ТСКМС. Достигнув оптического узла, восходящие сигналы от всех абонентских модемов объединяются, после чего суммарный (групповой) электрический сигнал преобразуется в оптический и передаётся в сторону ГС. На ГС оптический сигнал восходящего потока преобразуется в электрический, после чего сигнал демодулируется и полученный поток данных поступает на быстродействующий сетевой коммутатор. Наконец, в зависимости от конечного адресата, данные отправляются либо в Интернет-маршрутизатор, либо в межсетевой интерфейс коммутируемой телефонной сети общего пользования (ТфОП). Во втором случае коммутационное оборудование ТфОП доводят вызов до адресата.