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 B = 3100 Hz, P/N = 35 db B C 36 000 bit/s C. log2 1 P N
GSTN Modemy Standardizace organizací ITU (International Telecommunication Union) ITU-T V.21-110, 150, 300 bit/s ITU-T V.22-600, 1200 bit/s ITU-T V.22 bis - 2400 bit/s ITU-T V.32-2400, 4800, 9600 bit/s ITU-T V.32 bis - 7200, 9600, 12000, 14400 bit/s ITU-T V.34-2400 33600 bit/s ITU-T V.90 - max. 33600 bit/s, max. 56000 bit/s ITU-T 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 { Q Q Q } i, j, k, 1, i, j, k, 2,..., i, j, k, q { S S } 0 0 i, 1,..., i, K1 Data I2 i, j Data S i,k SWP (K > 0) I3 i, j Shell Mapper Differential Encoder { m i, j, k } Z(m) MAP u(n) Precoder x(n) Non-linear Encoder x(n) SWP (K = 0) c(n) y(n) Primary Auxiliary I1 i, j U 0 ( m) AMP Trellis Encoder T1400640-94/d04
Příklad modemu V.34 konstelační diagram QAM modulace 39 35 31 27 23 19 15 11 7 3 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 37 33 29 25 21 17 13 9 5 1 3 7 11 15 19 23 27 31 35 222 229 177 189 135 234 156 102 206 131 77 (lm) 236 224 216 212 218 228 185 110 201 160 126 98 79 64 58 54 62 71 90 112 141 180 221 55 173 96 41 164 87 35 162 170 181 226 193 165 146 133 123 121 125 137 154 179 207 83 31 203 158 119 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 88 124 166 217 199 232 152 183 113 149 205 80 115 176 52 89 150 33 68 130 19 53 114 12 46 107 39 35 31 27 23 19 15 11 7 3 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 10 210 167 128 94 67 47 34 27 23 29 40 57 81 111 147 182 237 44 239 92 37 100 48 105 109 120 197 117 65 136 233 211 200 192 188 196 204 223 220 140 91 161 172 118 51 61 78 99 132 191 215 184 169 153 145 143 151 159 178 202 231 208 155 134 168 227 198 174 209 214 175 139 116 95 82 74 70 76 86 104 129 157 195 235 14 26 42 66 97 225 37 33 29 25 21 17 13 9 5 1 3 7 11 15 19 23 27 31 35
Příklad modemu V.34 Průběh navázání spojení 1s Te 7 5 ± 5 m s Volající DCE (modem) CI, CI, CI,... CM, CM, CM,... CJ INFO oc Odpovídající DCE (modem) ANSam JM, JM, JM,... INFO oa 0.2 s 7 5 ± 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 INFO 0C a INFO 0A sekvencí podporované modulační rychlosti, nosné frekvence vyslání testovacích signálů výměna INFO 1A a INFO 1C 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 downstream Frekvenční multiplex POTS upstream downstream 0 4 138 1100 f [khz] 0 4 138 1100 f [khz]
TA LK /DA TA TA LK TA LK /DA TA TA LK RS CST R RD TD CD RS CST R RD TD CD RS CST R RD TD CD TALK / DAT A TA LK RS CS TR RDT D CD 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) GSTN Telefonní ústředna účastnické přípojky Internet splitter splitter Servery (DHCP, SMTP...) router DSLAM TA LK /DA TA TA LK splitter splitter další účastníci 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