DSL: szerokie pasmo przez telefon

RAPORT SPECJALNY
DSL: szerokie pasmo
przez telefon
George T. Hawley
C
zy zwyk∏a linia telefoniczna – wynalazek czasów wiktoriaƒskich, który zmieni∏ Êwiat – odegra wa˝nà rol´
w kszta∏towaniu Êwiata w trzecim tysiàcleciu? Czy
przez par´ zwyk∏ych cienkich miedzianych drutów skr´conych ze sobà1 mo˝na przesy∏aç dane z i do Internetu z pr´dkoÊcià zapewniajàcà oglàdanie ruchomego obrazu wysokiej
jakoÊci, s∏uchanie dêwi´ku i dostarczanie ogromnych iloÊci
informacji do komputera lub telewizora? Odpowiedê brzmi:
tak – pokazuje to rosnàca popularnoÊç cyfrowych linii abonenckich (digital subscriber line – DSL).
Dobrze sprawdzone kable miedziane doprowadzone do
600 mln telefonów na Êwiecie zapewniajà du˝à niezawodnoÊç i wysokà jakoÊç us∏ug przesy∏ania g∏osu. Ale przez sto
lat wi´kszoÊç mo˝liwoÊci transmisyjnych tych kabli nie by∏a
wykorzystywana. Technika DSL u˝ywa tych zasobów, oferujàc 50-krotne zwi´kszenie pr´dkoÊci transmisji milionom
u˝ytkowników tradycyjnych ∏àczy telefonicznych. A to b´dzie ju˝ stymulowaç rozwój handlu elektronicznego i zmieni sposób komunikowania si´.
PojemnoÊç kana∏u komunikacyjnego zale˝y od jego pasma
(zakresu przepuszczanych cz´stotliwoÊci) i stosunku sygna∏u do szumu (który uwarunkowany jest jakoÊcià ∏àcza).
Dla ustalonych wartoÊci tych parametrów nie mo˝na przekroczyç fizycznych granic przepustowoÊci. Wzór opisujàcy t´
zale˝noÊç poda∏ w 1948 roku Claude E. Shannon, znany naukowiec z Bell Labs. Po∏àczenie g∏osowe przez zwyk∏à sieç telefonicznà korzysta z pasma o szerokoÊci oko∏o 3000 Hz, zazwyczaj
300–3300 Hz. Modem analogowy przesy∏ajàcy dane z pr´dkoÊcià 33.6 kb/s wymaga nieco szerszego pasma – 3200 Hz –
i bardzo dobrego po∏àczenia, z du˝ym stosunkiem sygna∏u
do szumu. Wzór Shannona mówi, ˝e taki modem zbli˝a si´
do teoretycznej pojemnoÊci kana∏u, która wynosi oko∏o 35 kb/s.
Osiàgni´cie tego etapu rozwoju modemów wymaga∏o 30 lat.
Modemy pracujàce z pr´dkoÊcià 56 kb/s osiàgajà t´ przepustowoÊç, korzystajàc z po∏àczeƒ cyfrowych, które omijajà niektóre êród∏a szumów podczas transmisji do u˝ytkownika2.
Modemy takie sà jednak nadal ograniczone do 33.6 kb/s w czasie transmisji od u˝ytkownika do us∏ugodawcy.
Te przepustowoÊci sà jednak dalekie od mo˝liwych do osiàgni´cia podczas transmisji danych parà skr´conych drutów.
Jednym ze zjawisk ograniczajàcych pasmo jest t∏umienie sygna∏u, zmniejszajàce jego poziom, gdy jest przesy∏any wzd∏u˝
linii. Wy˝sze cz´stotliwoÊci sà t∏umione bardziej i w zwiàzku
z tym pasmo maleje. Wysokà przepustowoÊç osiàga si´ wi´c,
gdy linie sà krótkie.
Joseph W. Lechleider, in˝ynier, który przeszed∏ ostatnio
na emerytur´ z Telcordii (poprzednio Bellcore), w 1980 roku
zaproponowa∏ u˝ycie zwyk∏ej linii telefonicznej jako kana∏u
szerokopasmowego na krótkim odcinku mi´dzy u˝ytkownikiem koƒcowym i centralà. Zaproponowa∏ równie˝ wielopoziomowe kodowanie sygna∏u dodatkowo zwi´kszajàce wydajnoÊç. Ta technika przesy∏ania zosta∏a nazwana cyfrowà linià
abonenckà. Na poczàtku lat dziewi´çdziesiàtych kilka firm,
z PairGain Technologies z Kalifornii na czele, opracowa∏o
szybszà wersj´ DSL (zwanà HDSL – High-bit-rate DSL), która pozwala przesy∏aç prawie 800 kb/s na odleg∏oÊç 4 km.
Oprócz symetrycznego HDSL pojawi∏o si´ te˝ inne rozwiàzanie. John Cioffi ze Stanford University zademonstrowa∏ technik´ kodowania sygna∏u zwanà Discrete Multitone (dyskretna
wielotonowa), u˝ywajàc jej do przesy∏ania ponad 8 Mb/s przez
kabel telefoniczny o d∏ugoÊci przekraczajàcej 1.6 km. Technika
ta dzieli ca∏e pasmo o szerokoÊci oko∏o 1 MHz na 256 podkana∏ów, ka˝dy o szerokoÊci 4 kHz. Dzia∏a to mniej wi´cej jak 256 modemów u˝ywajàcych jednoczeÊnie tej samej linii.
Jak ADSL przesy∏a dane i g∏os linià telefonicznà
2 W centrali multiplekser dost´powy DSL ∏àczy dane z
sygna∏em g∏osowym ze zwyk∏ej centrali telefonicznej.
1 Dane z Internetu sà przenoszone
przez Êwiat∏owody do osiedlowej
centrali firmy telefonicznej.
CENTRALA
TELEFONICZNA
IAN WORPOLE
MULTIPLEKSER
30 ÂWIAT NAUKI Marzec 2000
Wszechobecne kable miedziane zak∏adane jeszcze przez
Alexandra Grahama Bella pozostanà medium komunikacyjnym
w trzecim tysiàcleciu – i to o du˝ej pojemnoÊci
Poczàtkowo technika Discrete Multitone mia∏a s∏u˝yç do
przesy∏ania filmów przez kable telefoniczne. Poniewa˝
transmisja taka wymaga przekazu informacji tylko w jednà
stron´, wi´kszoÊç podkana∏ów zosta∏a przeznaczona dla sygna∏ów „w dó∏” (do klienta), co umo˝liwi∏o przesy∏anie oko∏o 6 Mb/s, pozostawiajàc kana∏ o przepustowoÊci 0.6 Mb/s na
komunikacj´ w odwrotnym kierunku. Asymetryczna DSL
jest znana jako ADSL, a sposób kodowania to teraz Êwiatowy
standard.
Chocia˝ zastosowanie do przesy∏ania wizji nie przynios∏o
jeszcze oczekiwanych rezultatów, transmisja asymetryczna
nadaje si´ doskonale do oglàdania stron WWW. W ciàgu ostatnich dwóch lat ∏àcza ADSL zainstalowano w wielu sieciach telefonicznych. Sà to stale czynne po∏àczenia z Internetem, zwykle dzia∏ajàce z przepustowoÊcià setek kilobitów na sekund´
przez kable telefoniczne d∏ugoÊci do 5.5 km. W przeciwieƒstwie do HDSL, w którym zastosowano kodowanie wielopoziomowe, ADSL przesy∏a dane przez kana∏y le˝àce powy˝ej
pasma cz´stotliwoÊci g∏osowych – linia telefoniczna mo˝e
wi´c równoczeÊnie przesy∏aç g∏os i dane.
Dla prywatnych u˝ytkowników przysz∏oÊcià jest G.lite, odmiana ADSL – ju˝ te˝ Êwiatowy standard. Ogranicza on pr´dkoÊci transmisji do 1.5 Mb/s w kierunku do klienta i 0.5 Mb/s
z powrotem. Dzi´ki temu urzàdzenia G.lite mogà dzia∏aç niezawodnie na ponad 70% istniejàcych ju˝ zwyk∏ych linii bez
˝adnych ich modyfikacji, pobierajàc przy tym mniej energii.
Komputery domowe z wbudowanymi uk∏adami obs∏ugujàcymi urzàdzenia G.lite sà ju˝ w sprzeda˝y.
ADSL ma wiele zalet w porównaniu z systemami u˝ywajàcymi sieci telewizji kablowej. Sygna∏y ka˝dego u˝ytkownika
sà przesy∏ane osobnà linià. Modemy kablowe dzia∏ajà podobnie jak gigantyczny telefon towarzyski: kiedy ktoÊ odbiera sy-
Prawo Shannona–Hartleya
PojemnoÊç kana∏u komunikacyjnego
w bitach na sekund´ wyra˝a wzór:
gna∏, ty nie mo˝esz, chocia˝ i ty, i inni majà do niego dost´p,
jednak bez mo˝liwoÊci odkodowania, je˝eli jest zaszyfrowany.
Natomiast kable telefoniczne sà odseparowane i bezpieczne3.
Sieci szkieletowe przenoszà sygna∏y kilkuset klientów
pod∏àczonych przez ADSL, zapewniajàc przepustowoÊç
155 Mb/s i wi´cej. Kana∏ telewizyjny ma efektywnà przepustowoÊç tylko oko∏o 24 Mb/s, co bardzo ogranicza jego efektywnoÊç, gdy jest u˝ywany przez setki klientów z modemami
kablowymi. Transmisja przez ADSL korzysta z efektów du˝ej
skali przedsi´wzi´cia: na przyk∏ad 1550 osób dzielàcych si´
siecià szkieletowà o przepustowoÊci 155 Mb/s dysponuje lepszà wydajnoÊcià ni˝ 240 osób z siecià szkieletowà 24 Mb/s.
Chocia˝ sieci telewizji kablowej sà doprowadzone do 90%
domów w USA, to przewa˝nie s∏u˝à tylko do przesy∏ania sygna∏ów TV. Sieci telefoniczne sà wsz´dzie i zawsze pod r´kà. W∏àczenie modemów w sieci telewizji kablowej wymaga miliardowych inwestycji, by mog∏y w niej efektywnie pracowaç.
Niezb´dne jest zainstalowanie ∏àczy Êwiat∏owodowych i urzàdzeƒ pozwalajàcych przeprowadzaç transmisj´ w obu kierunkach. ADSL korzysta z tych samych drutów telefonicznych,
których Alexander Graham Bell u˝ywa∏ w XIX wieku.
Modemy kablowe wyprzedzi∏y DSL o dwa lata. To ma∏o.
Przewiduje si´, ˝e liczba abonentów DSL przewy˝szy liczb´
u˝ytkowników modemów kablowych ju˝ po roku lub niewiele póêniej. Jest jeszcze wiele ˝ycia (i pojemnoÊci) w starych miedzianych drutach.
T∏umaczy∏
Rafa∏ Maszkowski
Przypisy t∏umacza:
1
W celu zmniejszenia zak∏óceƒ.
2
Unikajà wprowadzajàcej szum kwantyzacji konwersji cyfrowo-analogowej.
3
Pods∏uch sygna∏u cyfrowego jest w tym przypadku znacznie trudniejszy ni˝
w sieciach modemów kablowych lub Ethernetu.
4 Modem ADSL przetwarza
dane dla komputera u˝ytkownika, filtr zaÊ przepuszcza sygna∏ g∏osowy do telefonu.
FILTR
C = B ´ log2 (S/N +1),
gdzie B jest szerokoÊcià kana∏u w Hz,
S/N jest stosunkiem sygna∏u do szumu.
Przekroczenie tej granicy jest niemo˝liwe.
3 Dane i g∏os sà przesy∏ane jednà zwyk∏à linià telefonicznà (para skr´conych lub równoleg∏ych miedzianych przewodów) do
u˝ytkownika na odleg∏oÊç zale˝nà od jakoÊci linii (do 5–6 km).
ÂWIAT NAUKI Marzec 2000 31