G.Lite: Практичная технология высокоскоростного доступа для массового потребителя

Сеть Интернет стала неотъемлемой частью повседневной жизни миллионов людей. Число пользователей Интернет по всему миру на настоящее время насчитывает более 100 миллионов человек. Причем по оценкам аналитиков количество пользователей к 2005 году должно возрасти примерно в пять раз. При этом пользователи все больше склоняются в сторону современных высокотехнологичных приложений Интернет, таких как дистанционное обучение, видео по запросу, осуществление высокоскоростного дистанционного доступа к различным ресурсам и так далее.

Все эти приложения требуют высокоскоростного доступа в сеть Интернет, который тяжким грузом ложится на существующие телефонные сети. Телефонные кабельные сети, которые использовались в течение многих десятилетий только для передачи телефонного трафика, в наши дни стараются изо всех сил справиться с резко возросшими потоками передаваемых данных. Современные телефонные компании стоят перед пугающей колоссальными затратами перспективой полной замены существующей кабельной сети во всем мире на совершенно новую систему распространения информации. Уже лет десять назад некоторые телефонные компании озвучили идею расширения сети оптико-волоконных кабелей до каждого дома. Но объем необходимых работ и их чрезвычайно высокая цена могут отодвинуть решение этой задачи на десятилетия даже в тех странах, уровню развития телекоммуникационной отрасли в которых можно только позавидовать. Поэтому эволюционный путь внедрения оптико-волоконных кабелей в сеть абонентского доступа FITL (Fiber In The Loop) является, в сочетании с использованием технологий xDSL, работающих на медных абонентских линиях существующей местной телефонной сети общего пользования (ТФОП). По мере развития этого процесса протяжённость оптического участка такой комбинированной медно-оптической сети доступа будет увеличиваться, а протяжённость её медного участка — уменьшаться, что позволит увеличивать пропускную способность сети доступа с использованием сначала технологии асимметричной цифровой абонентской линии ADSL, а затем и сверхвысокоскоростной цифровой абонентской линии VDSL.

Могут ли проблему широкополосного доступа к сетевым услугам решить другие технологии, например, кабельные модемы? Возможно, если речь идет о такой стране, как США, где более 90% домов имеют возможность доступа к кабелю, а более 60% являются абонентами кабельного телевидения. Но, к сожалению, даже там большая часть сетей кабельного телевидения не способна поддерживать надежную двустороннюю передачу данных. Пользователям при этом приходится делить доступный спектр частот с другими активными пользователями (то есть когда количество активных пользователей увеличивается, одновременно уменьшается доступная каждому из них полоса частот). Кроме того, коллективное использование общей среды передачи отрицательно сказывается и на защите передаваемой информации.

Поэтому в настоящее время наиболее доступным носителем для организации широкополосного доступа являются витые пары медных телефонных проводов. Следует помнить, что во всем мире насчитывается уже почти миллиард телефонных линий, а значит и такое же количество потенциальных пользователей.

В наши дни скорость доступа в сеть Интернет рядового пользователя обычно не превышает скромные 28,8 Кбит/с. Возможно такой скорости доступа и хватает для использования электронной почты, но не для мультимедийных приложений, которыми все не прочь воспользоваться. Для таких приложений не совсем хватает даже 128 Кбит/с, которые обеспечивает ISDN. Поэтому пользователям нужна доступная и привлекательная технология, которая обеспечит необходимую скорость доступа и придаст маркетинговый смысл созданию современных мультимедийных приложений в сети Интернет.

Современный потребитель услуг связи предъявляет к современным телекоммуникационным технологиям целый ряд достаточно жёстких требований. Так современный пользователь требует от технологий связи простоты операций при подготовке, установке и настройке системы связи, а также разумного предела платы за высокоскоростной доступ к сетевым услугам. Более конкретно с точки зрения современного пользователя, к любой технологии высокоскоростного доступа сетевым услугам (и, в первую очередь, к услугам сети Интернет) могут быть предъявлены следующие обязательные требования:

• Отсутствие необходимости установки специального оборудования и, разумеется, отсутствие необходимости в наличии второй телефонной линии. Для любого пользователя организация второй телефонной линии только для доступа в сеть Интернет будет непозволительной роскошью. Идеальным решением является использование одной и той же линии для телефонной связи и доступа в Интернет (причем одновременно).

• Совместимость с существующими персональными компьютерами.

• Совместимость с существующими телефонными сетями (то есть отсутствие необходимости кардинального изменения кабельных сетей).

• Невысокая стоимость. Затраты на высокоскоростное соединение должны быть соизмеримы с расходами на аналоговые модемы.

Теперь представьте себе, что современные аналоговые модемы стали работать в сто раз быстрее. Практически любая, даже самая сложная, страница Интернет открывалась бы практически мгновенно. Любые изображения загружались бы за считанные секунды.

Такая фантастическая картина становится вполне возможной при использовании семейства технологий хDSL (где символ «х» зарезервирован для обозначения конкретной технологии высокоскоростной цифровой абонентской линии DSL). Данная технология позволяет максимально использовать полосу пропускания существующих пар абонентских телефонных проводов. Скажем, технология ADSL позволяет передавать по паре телефонных проводов данные со скоростью, в 140 раз превышающей максимальную скорость аналогового модема, причем с сохранением нормальной телефонной связи. В отличие от стандартных аналоговых модемов, использующих узкую полосу частот телефонного канала, технология ADSL позволяет использовать полосу пропускания абонентской линии до 1,1 МГц.

Существует достаточно много типов технологий хDSL, каждый из которых характеризуется своими уникальными требованиями и ограничениями. Рассматривая проблему предоставления конечным пользователям высокоскоростного доступа в сеть Интернет, остановимся на асимметричной технологии ADSL. Данная технология существует в двух вариантах: непосредственно ADSL и «потребительская» версия G. Lite, название которой и вынесено в заголовок данной статьи. Технология G. Lite является компромиссным вариантом, когда скорость соединения приносится в жертву облегчению установки системы.

Технология ADSL позволяет одновременно передавать голос и данные по одной и той же телефонной линии. Это достигается путем использования полосы частот до 4 кГц только для традиционной телефонной связи. Для разделения частотных диапазонов, используемых для передачи голоса и данных, на каждом конце линии устанавливаются специальные фильтры (сплиттеры). Низкочастотные сигналы подаются на коммутационное оборудование телефонной станции и на телефонный аппарат, находящийся у абонента. Высокочастотные сигналы подаются на модемы ADSL. Все это показано на рисунке 1. Необходимость установки сплиттера и внешнего модема ADSL у пользователя требует обязательного выезда к нему квалифицированных специалистов, что само по себе замедляет предоставление обслуживания и делает его более дорогим. Кроме того, в помещении пользователя должна быть проложена новая витая пара, соединяющая сплиттер с модемом. Поэтому только та розетка, к которой проложен кабель от сплиттера, может использоваться для подключения модема ADSL (что является определенным недостатком данной системы).

Рисунок 1. Система ADSL со сплиттером

Кроме обеспечения высокоскоростной передачи данных, технология ADSL имеет следующие преимущества перед аналоговыми модемами:

• Технология ADSL позволяет одновременно передавать аналоговые телефонные сигналы или цифровые сигналы основного доступа ISDN и высокоскоростные данные по одной абонентской линии.

• Технология ADSL предоставляет пользователю постоянно готовые к использованию услуги («always on»): установленное соединение ADSL, в отличие от стандартного модемного соединения через телефонную сеть общего пользования (ТФОП), не нуждается в ресурсах сети, если передача данных отсутствует. Поэтому пока включён РС, такое соединение постоянно находится в состоянии готовности, т.е., пользователь постоянно сохраняет доступ, например, к серверу Интернет.

• Канал высокоскоростной передачи данных типа ADSL организован через специализированную сеть передачи данных, т.е. в отличие от доступа к Интернет через ТФОП/ISDN не использует ресурсы коммутационных станций этих сетей, рассчитанных на среднее время одного телефонного занятия, которое почти на порядок меньше длительности сеанса доступа пользователя к сети Интернет.

Так как реальное состояние существующей сети доступа к сетевым услугам (включая местную сеть доступа, транспортную сеть и собственно сеть Интернет) часто не позволяет добиться тех параметров, которые обещаны технологией ADSL, наиболее эффективным решением проблемы высокоскоростного доступа может стать технология G. Lite. Как и технология ADSL, технология G. Lite позволяет предложить пользователям постоянно установленное высокоскоростное соединение с Интернет или доступ к корпоративной ЛВС по существующей кабельной инфраструктуре. При этом определенный успех у частных пользователей (впрочем, как и у операторов) может иметь простота инсталляции такой системы, связанная в основном с отказом от использования сплиттера в помещении абонента (обратитесь к рисунку 2).

Рисунок 2. Система G. Lite

Отсутствие сплиттера в инфраструктуре системы позволяет отказаться от выезда технических специалистов домой к пользователю для установки оборудования, что снижает затраты и экономит время (как пользователя, так и провайдера). При создании технологии G. Lite также предполагалось, что модем G. Lite будет подключаться прямо к стандартной телефонной розетке, являющейся частью телефонной проводки внутри помещения пользователя.

Благодаря возможности использования существующих телефонных линий и обычных телефонных розеток модемы G. Lite также просты в использовании, как традиционные аналоговые модемы, но при этом обеспечивают скорость передачи данных почти в 30 раз большую, чем у самого быстрого аналогового модема. Данная технология обладает всеми свойствами, которые должны принести ей успех на массовом рынке: соответствие промышленным стандартам, совместимость с персональным компьютером и отсутствие необходимости использовать сплиттер, технология не требует модернизации проводки внутри помещения (если она уже имеет необходимую категорию). При этом технология G. Lite может быть встроена в модем персонального компьютера. Такие модемы DSL по цене сопоставимы со стоимостью традиционных аналоговых модемов и подключаются прямо к существующим телефонным розеткам.

Технология G. Lite имеет значительные преимущества на массовом рынке, потому что позволяет предоставить услуги телефонной связи и высокоскоростной передачи данных по одной линии для частных пользователей (которые обычно имеют только одну телефонную линию). Так как для телефонной связи и передачи данных используются разные частотные диапазоны, технология G..Lite позволяет разделить использование одной телефонной линии между операторами местной и междугородной телефонной связи (для которой используются частоты до 4 кГц) и операторами сетей передачи данных (которые забирают себе частоты от 20 кГц и выше).

Однако несмотря на то, что телефонный сигнал и высокоскоростной сигнал данных разделены по частоте, отсутствие разделительного фильтра этих сигналов в помещении пользователя вызывает нежелательное взаимное влияние этих сигналов, например, из-за нелинейного характера сопротивления телефонного аппарата, проявляющегося при воздействии на последний высокого уровня высокоскоростных сигналов передачи данных.

В технологии G. Lite предусмотрены два специальных алгоритма, которые позволяют существенно ослабить взаимное влияние систем передачи сигналов речи и данных при их одновременной работе.

Первый из упомянутых алгоритмов обеспечивает удовлетворительное качество телефонной связи путём снижения мощности передачи модема G. Lite, установленного в помещении пользователя, что позволяет резко уменьшить нелинейные помехи от канала передачи данных в канале передачи речи. После окончания телефонного разговора модем автоматически восстанавливает номинальную мощность передачи данных. Следует заметить, что данная процедура не оказывает никакого влияния на мощность «нисходящего» потока данных (передаваемого из сети пользователю), которая очень важна для обеспечения нормальной работы в сети Интернет.

Второй алгоритм отвечает за быструю перенастройку («fast retrain») модемов ADSL , что позволяет восстанавливать скорость «восходящего» потока данных, когда пользователь поднимает трубку телефонного аппарата. Данный алгоритм позволяет модемам, установленным на станции и в помещении пользователя, автоматически сохранять параметры передачи, если в доме установлено до 16-ти телефонных аппаратов. Алгоритм позволяет определять, трубка какого телефонного аппарата была поднята, и автоматически восстанавливать параметры передачи менее чем за две секунды.

Для тщательной оценки технологии G. Lite, включая и оценку эффективности двух рассмотренных алгоритмов, корпорациями Fujitsu, Intel и GTE совместно в 1998 — 1999 годах были проведены крупномасштабные испытания модемов G. Lite, которые показали следующее:

1. Возможность достижения максимальных скоростей передачи данных, предусмотренных в модемах G. Lite (440 — 512 кбит/с в направлении от пользователя к сети («upstream») и 1536 кбит/с в направлении от сети к пользователю («downstream»), при длинах абонентских линий (АЛ) до 5 км. При длинах АЛ более 5 км скорость потока данных «upstream» уменьшается, а скорость потока данных «downstream» сохраняется близкой к 1536 кбит/с.

2. Для достижения максимальных скоростей передачи данных линий G. Lite потребовалась в подавляющем большинстве случаев (более 81%) установка микрофильтров низких частот (которые более подробно рассматриваются ниже) в помещениях пользователей.

3. Доказана высокая эффективность применения микрофильтров для решения проблемы устранения переходных влияний и перекрёстных помех между низкочастотным телефонным сигналом (включая сигналы факс-модемов, стандартных телефонных модемов и других низкочастотных устройств помещения пользователя СРЕ)) и высокочастотным сигналом G. Lite при переходе от состояния снятой телефонной трубки к состоянию положенной телефонной трубке или обратно (т.е., при снятии телефонной трубки).

4. Для достижения минимальной стандартной скорости передачи данных по линии

G.Lite (256 кбит/с downstream и 32 кбит/с upstream) при снятой телефонной трубке оказалась необходимой установка микрофильтров в 81 % случаев. В 50% случаев оказалось необходимым установить более 1 микрофильтра (максимум 5). Просто снижение мощности цифрового потока upstream на 20 дБ для предотвращения влияния высокочастотного сигнала G. Lite на низкочастотный телефонный сигнал при снятой телефонной трубке оказывается неэффективным по мере увеличения длины АЛ. Вместе с тем, такая величина снижения уровня сигнала оказалась во многих слишком большой, чтобы повторный запуск модемов G. Lite оказался возможным после снятия телефонной трубки. В таких случаях приходилось ограничивать допустимое снижение уровня мощности потока upstream величиной 10 дБ и устанавливать микрофильтры в тех телефонных розетках, где имело место влияние высокочастотного сигнала G. Lite на низкочастотный телефонный сигнал при снятии телефонной трубки.

5. В 11 из 47 зданий (23%) наблюдалось ухудшение качества передачи высокочастотного сигнала G. Lite при повешенной телефонной трубке. В этих случаях включение микрофильтров позволяло увеличить скорости потоков upstream и downstream, а также исключить появление аварийных сигналов секунд, поражённых ошибками, ES, несмотря на достаточно большой запас по шумам.

6. Существующая проводка в помещениях пользователей СРЕ практически не оказывала влияния на качество передачи сигналов G. Lite.

Как следует из приведенных результатов линейных испытаний, упомянутых двух алгоритмов, предусмотренных в технологии G. Lite для обеспечения удовлетворительной совместной работы по одной АЛ высокоскоростного канала передачи данных и аналогового телефона, недостаточно. Необходимо применение ещё и микрофильтров низких частот. Указанные микрофильтры низких частот представляют собой миниатюрные устройства, размещённые в пластмассовом корпусе с одной розеткой и одним штепселем типа RJ-11. Микрофильтр пропускает низкие частоты аналогового телефонного сигнала или низкоскоростного сигнала данных, передаваемого в этой полосе частот, одновременно препятствуя попаданию на телефон высокоскоростного сигнала передачи данных. Как следует из приведенных выше результатов линейных испытаний модемов G. Lite, применение микрофильтров позволяет существенно снизить взаимное влияние сигналов речи и высокоскоростных данных при использовании системы G. Lite, когда по одной и той же линии передаются голос и высокоскоростные данные.

Подключение модема G. Lite пользователя к розетке без микрофильтра позволяет передать высокочастотный сигнал ADSL в абонентскую линию. Предусмотренный в блоке модема G. Lite пользователя фильтр верхних частот предотвращает возможность появления перекрёстных помех между сигналами аналогового телефона и G.Lite.

Один или несколько микрофильтров, установленных в помещении пользователя, представляют собой по сути дела электрический эквивалент сплиттера, используемого при традиционной инсталляции линии ADSL. Однако микрофильтры могут быть установлены самим пользователем, и поэтому этот способ разделения низкочастотного телефонного сигнала и высокочастотного сигнала G. Lite является более предпочтительным.

Таким образом, технология G. Lite позволяет передавать голос и данные без необходимости установки сплиттера в помещении пользователя, что исключает необходимость выезда к пользователю технических специалистов, снижает затраты и значительно облегчает задачу конечного пользователя, делая данную технологию идеальной для внедрения на массовом рынке. Пользователю, в арсенал которого входят также аналоговое оборудование (телефонные аппараты, факсы или аналоговые модемы) необходимо только установить микрофильтры, которые позволяют оптимизировать работу технологии G. Lite и снизить фоновые шумы (смотрите рисунок 3). Причем установка микрофильтров в каждую телефонную розетку не является строго обязательным условием. Даже если пользователь забыл установить микрофильтр или подключил телефонный аппарат к розетке, не имеющей такого фильтра, G. Lite будет продолжать работать.

Являясь более низкоскоростной технологией по сравнению с ADSL, технология G. Lite обеспечивает более высокую плотность портов на стандартной монтажной плате благодаря меньшей потребляемой мощности чипами G. Lite. Это качество G. Lite, позволяющее экономить занимаемую площадь, особенно важно для альтернативных операторов связи CLEC, арендующих необходимые производственные площади (не более 9 м2) на местных АТС у традиционных операторов связи ILEC.

Таким образом, технология G. Lite имеет ряд преимуществ перед технологией ADSL:

• Использование технологии G. Lite исключает необходимость использования сплиттера для разделения голоса и данных, а также прокладывания отдельной линии в помещении пользователя от сплиттера до модема DSL.

• Технология G..Lite позволяет в некоторых случаях даже исключить необходимость в микрофильтрах, ограничивая их установку только в те телефонные розетки, качество телефонной связи по которым ухудшается при высокоскоростной передаче данных.

• Технология G..Lite позволяет использовать любую розетку в доме для подключения модема DSL, а не только одну определенную розетку, к которой идет отдельная линия от сплиттера.

• Технология G..Lite поддерживает устойчивость работы телефонной сети внутри помещения пользователя, даже если после завершения инсталляции системы к этой сети подключаются новые устройства, например, телефонные аппараты или автоответчики.

• Модемы G. Lite, обеспечивающие высокоскоростную передачу данных, подключаются к телефонной розетке также просто, как обычные аналоговые модемы.

• Технология G..Lite позволяет производителям персональных компьютеров интегрировать модемы G. Lite прямо в персональный компьютер, как обычный аналоговый модем.

• Меньшая потребляемая мощность чипами G. Lite обеспечивает более высокую плотность портов G. Lite на стандартной монтажной плате, что позволяет экономить площадь, занимаемую аппаратурой G. Lite на местных АТС. Последнее особенно важно для альтернативных операторов CLEC, арендующих ограниченную площадь помещения у традиционных операторов ILEC.

Рисунок 3. Система G. Lite с использованием микрофильтров

Установка оборудования G..Lite достаточно проста для того, чтобы большинство пользователей могло справиться с ней самостоятельно. Это относится и к установке модема, и к определению необходимости установки микрофильтров. Конечно же, есть некоторые исключения, вызывающие у рядового пользователя определенные затруднения. Речь идет, например, о решении проблемы телефонных аппаратов, требующих установки фильтров (или отключения), взаимодействия с системами сигнализации, не допускающими установки микрофильтров, или установки системы в помещениях, имеющих более сложную телефонную проводку (более одной абонентской линии).

Потребность в высокоскоростном доступе в сеть Интернет для частных пользователей и небольших офисов растет день ото дня. Настало время прорваться за тот барьер, который установили для пользователей традиционные аналоговые модемы. Кабельные модемы, спутниковые системы, ISDN и технологии DSL призваны решить эту проблему. Конечно же, технологии хDSL обеспечивают наивысший уровень надежности и безопасности, но они упираются в высокую стоимость для провайдеров, определенные ограничения для оборудования, работающего на базе жестких стандартов (часто являющихся собственностью производителя оборудования), а также проблемы с местными операторами, являющимися владельцами абонентской кабельной сети. В то же время технология G. Lite достаточно жёстко регламентирована стандартом MСЭ-Т G.992.2 «Splitterless Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL) Transeivers», что создаёт юридическую базу обеспечения совместимости модемов G. Lite разных производителей.

Технология ADSL, также стандартизованная MСЭ-Т рекомендацией G.992.1 «Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL) Transeivers», предоставляет пользователям соединения с гораздо большей скоростью передачи данных, чем G. Lite (до 8 Мбит/с по сравнению с 1,5 Мбит/с), что делает ее наиболее подходящей для таких приложений, как, например, видео по запросу. Состояние местной кабельной сети и протяжённость абонентских линий (особенно в США, где благодаря широкому использованию пупиновских катушек АЛ имеют максимальную среднюю длину по сравнению с другими странами), однако, в значительном числе случаев уравнивает скорости работы при использовании этих технологий. Когда же разница в скорости практически отсутствует, на первый план выходит стоимость оборудования и сложность его инсталляции. Исключая потребность в использовании сплиттера для разделения сигналов телефонной связи и передачи данных, технология G. Lite значительно экономит время и затраты как телекоммуникационным компаниям, так и самим пользователям.

Несмотря на все достоинства технологии G. Lite, она ни в коем случае не исключает потребности в технологии ADSL. Логичнее всего стоило бы говорить о данной технологии, как о промежуточном этапе между доступными сейчас аналоговыми модемами и «полноскоростной» технологией ADSL.