Systémy pro sběr a přenos dat
• Modemy – PSTN, kabelové, GSM, PLC, xDSL, rádiové
Modemy
Modem slouží k přenosu číslicových dat kanálem, který – je pro jejich přímý přenos nevhodný – obvykle využívá nějaký druh modulace • MODulator – DEModulator – vhodný typ modulace umožňuje přiblížit se kapacitě kanálu – koncová zařízení často komunikují prostřednictvím vložené technologie (např. PSTN nebo GSM síť) – rozhraní mezi modemem a koncovým zařízením (typicky počítač, ale také mobilní terminál, PLC …) odpovídá maximální dostupné přenosové rychlosti • RS232 (422, 485), USB, Ethernet … • v případě průmyslových modemů mohou podporovat přímo konkrétní PDS standardy (FF, Profibus, Modbus …)
GSTN (General Switch Telephone Network) Modemy
Slouží k přenosu dat prostřednictvím veřejné telefonní sítě (DTE a DCE nejčastěji propojeno rozhraním EIA/TIA 232)
M1
PSTN
M2
– frekvenční rozsah kanálu 300 – 3400 Hz – teoretická kapacita kanálu P C B. log2 1 – B = 3100 Hz, P/N = 35 dB • C 36 000 bit/s
N
GSTN Modemy
Standardizace organizací ITU (International Telecommunication Union) – – – – – – – –
ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T
V.21 - 110, 150, 300 bit/s V.22 - 600, 1200 bit/s V.22 bis - 2400 bit/s V.32 - 2400, 4800, 9600 bit/s V.32 bis - 7200, 9600, 12000, 14400 bit/s V.34 - 2400 ÷ 33600 bit/s V.90 - max. 33600 bit/s , max. 56000 bit/s V.92 - max. 48000 bit/s , max. 56000 bit/s
Jednotlivá doporučení využívají různé základní modulace – frekvenční, fázovou, kvadraturní amplitudovou
Většinou podporují i nižší modulační standardy kvůli zpětné kompatibilitě – tzv. modulation fallback – definován standardem V.8, např. • V.90 V.34 V.32bis V.32 V.22bis V.22
Příklad modemu V.34
Zpracování dat před jejich vysláním na linku má několik stupňů – – – – –
vstupní kódování (scrambling) dělení dat do rámců (framing) mapování dat do konstelačního diagramu QAM modulace plně duplexní přenos, využívá se metody potlačení echa
Zabezpečení vůči chybám – protokoly MNP1 – 4 – protokol V.42
Komprese dat – protokol MNP5 (kompresní poměr až 2 : 1) – protokol V.42bis (kompresní poměr až 4:1) – protokol V.44 (jen u modemů V.92, kompresní poměr až 6:1) • tzn. u modemu V.92 přenosová rychlost více než 300 kbit/s
Příklad modemu V.34
Průběh zpracování dat v modemu {Qi,j,k,1,Qi,j,k,2,...,Qi,j,k,q } {Si,1,...,Si,K1} Shell Mapper
Data Si,K
{mi,j,k } x(n)
0
I2i,j
u(n)
SWP (K > 0)
Data
I3 i,j
Differential Encoder
Z(m)
Non-linear Encoder
Precoder
MAP
0 SWP (K = 0)
c(n)
Primary
I1i,j
Auxiliary
U0(m) AMP
Trellis Encoder T1400640-94/d04
y(n)
x(n)
Příklad modemu V.34 – konstelační diagram QAM modulace –39 –35 –31 –27 –23 –19 –15 –11 –7 37
25 21 17 13 9 5 1 –3 –7 –11 –15 –19 –23 –27 –31
1
5
9
13
17
21
25
29
33
37 37
(lm) 236 224 216 212 218 228
33 29
–3
33
234 206 185 173 164 162 170 181 197 220
29
226 193 165 146 133 123 121 125 137 154 179 207
25
229 189 156 131 110 96
87
83
92 100 117 140 172 208
201 160 126 98
79
64
58
54
62
71
90 112 141 180 221
222 177 135 102 77
55
41
35
31
37
48
65
91 118 155 198
203 158 119 84
60
39
24
17
15
20
30
49
72 101 138 182 230
194 148 108 75
50
28
13
6
4
8
21
38
63
93 127 171 219
238 186 142 103 69
43
22
9
1
0
5
16
32
56
85 122 163 213 (Re)
190 144 106 73
45
25
11
3
2
7
18
36
59
88 124 166 217
199 152 113 80
52
33
19
12
10
14
26
42
66
97 134 174 225
210 167 128 94
67
47
34
27
23
29
40
57
81 111 147 182 237
232 183 149 115 89
68
53
46
44
51
61
78
99 132 168 209
214 175 139 116 95
82
74
70
76
86 104 129 157 195 235
21 17 13 9 5
–3 –7 –11 –15 –19
205 176 150 130 114 107 105 109 120 136 161 191 227
–23
215 184 169 153 145 143 151 159 178 202 231
–27
233 211 200 192 188 196 204 223
–31
239
–35 –39 –35 –31 –27 –23 –19 –15 –11 –7
–3
1
1
–35 5
9
13
17
21
25
29
33
37
Příklad modemu V.34
Průběh navázání spojení 1s
Volající DCE (modem)
Te
CM, CM, CM, ...
CI, CI, CI, ...
Odpovídající DCE (modem) 0 .2 s
75 ± 5 m s
ANSam
CJ
INFO oc
JM, JM, JM, ...
INFO oa
75 ± 5 m s
Příklad modemu V.34
Průběh navázání spojení – standard V.8 – – – –
„vyvěšení sluchátka“ a vytočení čísla CI (Call Indicator) ANSam (Answer) CM (Call Menu) • obsahuje informaci o podporovaných modulačních protokolech
– JM (Joint Menu) • modulační protokol zvolený volaným
– CJ (CM Terminator) • indikuje úspěšné přijetí JM
– až posud je využit modulační protokol V.21 • stejné pro všechny typy modemů
Příklad modemu V.34
Průběh navázání spojení – specifické pro V.34 – výměna INFO0C a INFO0A sekvencí • podporované modulační rychlosti, nosné frekvence …
– vyslání testovacích signálů – výměna INFO1A a INFO1C sekvencí • • • •
nastavení vysílacího výkonu parametry preemfáze nosné pro jednotlivé modulační rychlosti frekvenční posuv modemů
– testovací sekvence pro nastavení parametrů ekvalizéru – trénovací sekvence pro parametry kodéru a mapování
Modemy V.90 a V.92
teoretická kapacita telefonního kanálu je cca 36 kbit/s – jak je tedy možné přenášet více?
jeden z modemů je připojen k PSTN číslicově – odpadá A/D konverze – vyšší odstup P/N – 45 dB – to dává při šířce pásma 3100 Hz teoretickou kapacitu kanálu cca 46 kbit/s
dále se uvažuje kanál s šířkou pásma až 3800 Hz – teoretická kapacita kanálu je pak téměř 57 kbit/s
V.90 využívá pro upstream standard V.34, pro downstream PAM (pulsně amplitudová modulace) – až 56 kbit/s
V.92 využívá PAM v obou směrech – upstream až 48 kbit/s, downstream až 56 kbit/s
Příkazová sada modemu
Z pohledu DTE pracuje modem (DCE) ve dvou režimech – datový režim • přijatá data posílá beze změn protějšímu modemu – příkazový režim • přijatá data interpretuje jako příkazy, neodesílá je • v tomto režimu je modem po zapnutí
Přechod mezi režimy je vyvolán – příkazem pro vytočení čísla (příkazový datový) – „escape“ sekvencí pauza- „+++“ pauza (datový příkazový) • modem nadále udržuje spojení na lince – příkazem ATO (příkazový datový) • návrat do datového režimu po předchozí „escape“ sekvenci
Příkazová sada modemu
Standardem jsou tzv. AT příkazy – někdy také nazývané podle firmy kde vznikly Hayes sada – začínají dvojicí písmen AT (Attention) – následující znaky a čísla definují konkrétní příkaz
Pouze základní příkazy jsou shodné pro všechny výrobce – ATA – manuální přijetí volání při detekci vyzvánění – ATD – vytočení telefonního čísla • ATDP pulsně, ATDT tónově • čárka značí pauzu – ATD0,285697444 – vyžadují některé pobočkové ústředny
Příkazová sada modemu
Pouze základní příkazy jsou shodné pro všechny výrobce (zde nejsou uvedeny všechny !!!) ATH – vyvěšení (ATH1) nebo zavěšení (ATH0) sluchátka ATM – nastavení hlasitosti reproduktoru modemu ATO – návrat z příkazového do datového režimu ATP, ATT – přepnutí na pulzní resp. tónovou volbu ATS – zápis obsahu registru (ATSn = xx) nebo jeho čtení (ATSn?) – ATV – přepnutí typu odpovědi modemu (číselné kódy nebo textové řetězce) – ATX – nastavení parametrů průběhu vytáčení (např. ATX3 ruší čekání na oznamovací tón) – ATZ – reset nebo nahrání konfigurace modemu – – – – –
Příkazová sada modemu
Další skupiny příkazů začínají AT&, AT%, AT\ … – umožňují zvolit typ komprese, zabezpečení, modulační schéma atd.
Některé parametry modemů se nastavují prostřednictvím obsahu tzv. S registrů (viz příkaz ATS) – standardně např. obsah registru S0 určuje, po kolika vyzváněních modem „zvedne sluchátko“ • 0 znamená, že je třeba zvednout ho manuálně (ATA)
Základní odpovědi na příkazy jsou standardní – – – –
provedení příkazu – „Ok“ (0) chyba – „Error“ (4) detekce vyzvánění – „Ring“ (2) obsazená linka – „Busy“ (7) …
Kabelové modemy
Tento termín se používá ve dvou významech – modemy pro kabelové rozvody v obytných domech • distribuce audia, videa, přístup k Internetu • máte ho doma, pokud vám přístup k Internetu poskytuje kabelový operátor • médiem je obvykle koaxiální kabel • používají se mnohastavové modulace vysoká přenosová rychlost ( jednotky až desítku Mbit/s) • rozhraní k DTE je buď Ethernet nebo USB
– modemy pro provoz na pronajatých nebo vlastních linkách mimo PSTN („leased line modem“) • pracují obdobně jako PSTN modemy • vzhledem k vyšší šířce pásma lze dosáhnout vyšších přenosových rychlostí
GSM modemy
Namísto PSTN komunikují prostřednictvím GSM sítě Sériové nebo USB rozhraní k DTE Dva základní režimy – CSD (Circuit Switched Data) • vytvoření vyhrazeného okruhu • obvyklá časová platba – GPRS • paketový přenos • obvyklá platba za data
Lze komunikovat i prostřednictvím SMS – výhodné pro řídké přenosy malých objemů dat – podpora ve všech terminálech – není zaručeno doručení do určité doby
GSM modemy
CSD (Circuit Switched Data) – standardní rychlost 9600 bit/s – komunikace prostřednictvím jednoho časového slotu TDMA v rádiovém kanálu – nejedná se v pravém smyslu o modem • data jsou GSM sítí přenášena digitálně • v případě cílového volání na modem v PSTN jsou data konvertována v MSC (Mobile Switching Center) uzlu
HSCSD (High Speed CSD) – vzhledem k nižšímu možnému zabezpečení vůči chybám je základní rychlost až 14400 bit/s – lze sdružit více časových slotů (max. 4) a dosáhnout tak přenosové rychlosti až 57.6 kbit/s
GSM modemy
GPRS (General Packet Radio Service) – pro paketový přenos jsou využity volné TDMA sloty • nevyužité pro hlasovou službu – fyzický subkanál může být sdílen více uživateli • obvykle nelze zaručit konstantní (minimální) přenosovou rychlost – podporuje IPv4, IPV6 a PPP (poslední 2 většinou nejsou podporovány operátory) – dle podpory současného GSM a GPRS provozu rozpoznáváme • typ A – zařízení je schopné současné komunikace • typ B – zařízení je schopné udržet GPRS spojení zatímco probíhá GSM hovor • typ C – zařízení komunikuje buď prostřednictvím GSM nebo GPRS (při změně režimu je dosavadní spojení ukončeno)
GSM modemy
GPRS (General Packet Radio Service) – maximální přenosová rychlost je různá pro upstream a downstrem (ta je obvykle vyšší) – závisí na třídě zařízení (tabulka obsahuje nejpoužívanější) Třída
Downstream slotů
Upstream slotů
Současně aktivních
2
2
1
3
4
3
1
4
6
3
2
4
8
4
1
5
9
3
2
5
10
4
2
5
11
4
3
5
12
4
4
5
GSM modemy
GPRS (General Packet Radio Service) – skutečná přenosová rychlost souvisí s použitým chybovým kódováním • kódovací schémata CS1 (nejodolnější) – CS4 • CS4 umožňuje až 20 kbit/s na časový slot • CS1 cca 8 kbit/s na časový slot
Za běžných podmínek nelze navázat IP komunikaci s mobilním terminálem, který není aktivně připojen – síť sama nezavolá – komunikaci musí aktivovat terminál – problémem mohou být i IP adresy, které jsou standardně přidělovány dynamicky – statickou IP adresu lze získat pouze v úzké (a obvykle nadstandardní součinnosti s operátorem)
GSM modemy
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) – někdy také označováno jako Enhanced GPRS – implementace v síti vyžaduje pouze modifikaci základnových stanic operátora – kromě GMSK modulace využívá i modulaci 8PSK, kde jeden symbol nese 3 bity • při zachování ostatních parametrů dochází vlastně ke ztrojnásobení maximální přenosové rychlosti
– během přenosu je vyhodnocována kvalita kanálu a dynamicky se mění jak modulační schéma, tak úroveň zabezpečení – maximální přenosová rychlost je 59,2 kbit/s na slot
xDSL modemy
Existuje celá řada DSL (Digital Subscriber Line) technologií Byly navrženy s cílem využít kabeláž určenou pro klasickou telefonní službu pro vysokorychlostní datové přenosy HDSL (High bit-rate DSL) - pracuje v základním pásmu (nejedná se tedy v pravém slova smyslu o modem) – využívá kroucené 2 – 3 páry, všechny plně duplexně • potlačení echa – symetrická technologie (stejná rychlost v obou směrech) – 2B1Q kódování (4 úrovně – 2 bity informace), později CAP (Carrier-less Amplitude Phase) modulace – modulační rychlost 584 kBd (2 páry) nebo 392 kBd (3 páry) – rychlost 2048 kbit/s až na 4 km (2 páry) nebo až 5,5 km (3 páry) – lze využít jako vysokorychlostní alternativu kabelových modemů
xDSL modemy
HDSL2 – shodné aplikační parametry, stačí jediný pár SHDSL (Symmetric High bit-rate DSL) – – – –
na rozdíl od HDSL umožňuje přizpůsobení se komunikačnímu kanálu využívá se jako symetrická přístupová technologie TC-PAM modulace na jediném páru maximální přenosová rychlost 2,3 Mbit/s na vzdálenost až 4 km
VDSL (Very high data rate DSL) – přenosová rychlost až 55 Mbit/s downstream a 15 Mbit/s upstream na vzdálenost do 300 m, s rostoucí vzdáleností pokles rychlosti • 113,8 Mbit/s při 1500 m – využívá QAM nebo DMT modulaci (4096 nosných), pásmo 12 MHz
VDSL2 – varianta „long reach“ – upstream až 30 Mbit/s – varianta „short reach“ – obousměrně až 100 Mbit/s – DMT modulace s 4096 nosnými (šířka pásma až 30 MHz)
xDSL modemy
ADSL (Asymmetric DSL) – – – –
typická asymetrická přístupová technologie využívá jeden pár s délkou 4 – 8 km downstream až 9 Mbit/s, upstream až 640 kbit/s umožňuje (na rozdíl od předešlých) současný provoz klasické telefonní přípojky nebo ISDN – DMT modulace, 256 nosných Potlačení echa POTS upstream
0
4
138
Frekvenční multiplex POTS upstream
downstream
1100
f [kHz]
0
4
138
downstream
1100
f [kHz]
xDSL modemy ADSL (Asymmetric DSL) – na straně uživatele i poskytovatele je nezbytné oddělení ADSL a telefonního kanálu – splitter – na straně poskytovatele jsou datové toky uživatelů soustředěny v DSLAM (DSL Access Multiplexer) Telefonní ústředna
GSTN
Internet router Servery (DHCP, SMTP ...)
DSLAM
účastnické přípojky
TA LK / D A TA TA LK
RS C S T R RD TD CD
TA LK / D T AATL AK
RS C S T R RD TD CD
splitter
splitter
splitter T A LK / DAT A TA LK
TA LK / D A TA TA LK
RS C S T R RD TD CD
splitter
další účastníci
RS CS T R R DT D C D
ADSL modem
xDSL modemy
ADSL2 – – – –
zahrnuje podporu pro sdružování více linek /multi-pair bonding) nízkopříkonový režim modemu lepší podpora pro paketové přenosy (Ethernet, IP) podpora pro hlasové služby přes ADSL (vyhrazené nosné, není třeba paketizace) – vyšší rychlost a dosah (až 12 Mbit/s na 1,5 km) – neustálá kontrola linky a rychlá adaptace na změny
ADSL2+ – šířka pásma až do 2,2 MHz – možnost dosáhnout výrazně vyšších rychlostí na krátkou vzdálenost • až 24 Mbit/s až na 1000 m
RE ADSL (Reach Extended) – zvýšený dosah až na 6 km, nižší přenosová rychlost (nad 500 kbit/s)
PLC (Power Line Communication) modemy
Je třeba rozlišovat širokopásmové a úzkopásmové PLC komunikace Úzkopásmová PLC – aplikace pro HDO, odečty měřičů (elektroměrů) atd. – frekvence do cca 150 kHz • tři pásma (A, B, C)
– většinou FSK nebo PSK – přenosové rychlosti do 9600 bit/s – jsou definovány maximální vysílací úrovně a další parametry (např. max. doba trvání nepřetržitého vysílání uzlu apod.) – nelze provozovat bez souhlasu dodavatele energie • primárně jsou určeny právě pro ně
– fyzická vrstva je poměrně nespolehlivá • vyžadují dopřednou chybovou korekci na vyšších vrstvách
PLC (Power Line Communication) modemy
Širokopásmová PLC – aplikace pro přístup k Internetu, náhrada samostatné kabeláže např. pro Ethernet apod. – obvykle v pásmu 2 – 30 MHz – využívá OFDM modulaci (řádově stovky nosných) • lze se přizpůsobit lokálním podmínkám vypuštěním těch nosných, které by kolidovali s jinými službami (např. krátkovlnné vysílání rozhlasu) – modulační schéma na jednotlivých nosných a úroveň FEC se dynamicky mění dle šumových poměrů v kanále • optimální datová propustnost – přenosové rychlosti dosahují až desítek Mbit/s • ovšem pouze na krátké vzdálenosti – obvykle rozhraní Ethernet • možnost párování, šifrování …
Radiomodemy
Široká škála úzko i širokopásmových spojů – neexistují obecné standardy • pokud sem nepočítáme IEEE802.x – FSK, PSK, QAM, různé varianty rozprostřeného spektra, UWB (Ultra Wide Band) … – ISM pásma • podmínky provozu dané tzv. všeobecným oprávněním (dříve generální povolení) • omezený vysílací výkon, kanálová rozteč, klíčovací poměr – ostatní frekvence • individuální licence, specifikující konkrétní podmínky – výkony, kanály, modulace …
– rozhraní k DTE obvykle sériová linka, USB, Ethernet, E1 … • průmyslové radiomodemy často podporují přímo protokoly PDS
Radiomodemy
Existují i soukromé radiomodemové sítě – v ČR provozuje např. firma RACOM • nabízí globální pokrytí republiky • přenosová rychlost je cca 20 kbit/s • široká škála protokolů podporovaných na sériových rozhraních (asynchronních i synchronních) • vhodné např. pro aplikace sběru dat z poboček, dálkové odečty měřicích ústředen apod.
Aplikační omezení modemů
Interní zpoždění – může dosahovat hodnot desítek až stovek ms – limituje možnosti nasazení v řídicích smyčkách (např. kabelových modemů) – čím složitější technologie, tím obvykle vyšší zpoždění
Interakce s infrastrukturou (PSTN, GSM) – doba potřebná k navázání spojení – dopravní zpoždění sítě – zpoždění sítě je významnější u paketových přenosů !!!! • neexistuje zde vyhrazený kanál • zpoždění může velmi kolísat • významně delší je při využití již navázaného spojení po delší pauze (řádově až jednotky sekund)
Aplikační omezení modemů
Spotřeba energie je významná zejména (ale nejen) pro – bateriově napájená zařízení – tam, kde se předpokládá provoz 24 hodin denně – v aplikacích s vysokým počtem modemů • PLC, DSLAM …
Přenosová rychlost není často konstantní a není zaručeno krátkodobé minimum – typické zejména pro PLC modemy • může docházet k totálním výpadkům
– i pro radiomodemy v ISM pásmech – s určitou úrovní kolísáním přenosové rychlosti je třeba počítat vždy
