Кабельная сеть
Кабельное телевидение появилось как способ доставки десятков, а затем сотен аналоговых видеоканалов на 6 МГц в квартиры и дома. С технической точки зрения выделить канал на 6 МГц для цифровых данных и с помощью известных методов модуляции передавать их со скоростью 30 Мбит/с по коаксиальному кабелю не составляет труда. (Общий диапазон рабочих частот коаксиального кабеля близок к 1 ГГц.) Канал на 20 Мбит/с способен поддерживать любую мыслимую информационную услугу, и при этом еще останется место для поддержки видеоконференций и одного-двух каналов видео по запросу. Однако на практике пропускная способность кабельных информационных систем ограничена 10 Мбит/с ввиду использования ими интерфейсов Ethernet.
Применение систем кабельного ТВ для интерактивного обмена данными осложняют следующие два архитектурных вопроса. Во-первых, в большинстве своем они предназначены для передачи сигналов только в одном направлении, а во-вторых, используются обычно совместно десятками, а то и сотнями пользователей в одном доме.
Бум сетей кабельного ТВ в Америке пришелся на 80-е годы. Однако только после 1990 года операторы КТВ стали устанавливать усилители для разделения используемого диапазона частот кабеля на два - прямой и обратный, чтобы обратный трафик не блокировался ранее установленными однонаправленными усилителями. Такие усилители необходимо размещать через каждые полкилометра, или даже чаще, так что подобная задача оказывается весьма непростой.
Кроме того, сети кабельного ТВ и, в частности, частотный диапазон между 5 МГц и 42 МГц, выделенный для обратных информационных каналов, чрезвычайно чувствительны к внешним помехам со стороны радиопередатчиков, бытовых приборов и регуляторов освещенности. Усилители обратного трафика вместе с сигналом усиливают и шум, так что иерархическая "шинная" топология способствует концентрации шумов по мере приближения сигнала к распределительному устройству (см. Рисунок 1).
Рисунок 1. В гибридной оптической/коаксиальной сети КТВ оптический
кабель прокладывается между распределительным устройством и блоком оптической
сети (Optical Network Unit). Оставшуюся часть пути сигнал передается по
коаксиальному кабелю.
Некоторые операторы КТВ просто отступили перед таким количеством проблем организации обратного потока и устанавливают кабельные модемы со встроенными аналоговыми модемами для передачи обратного трафика по обычным коммутируемым телефонным линиям. Но такое решение увеличивает общую стоимость, вносит обычную задержку на ожидание ответа модема на другом конце и ограничивает максимальную скорость прямого канала (в общем случае, подтверждениям TCP о приеме требуется обычно 10% от пропускной способности прямого соединения; таким образом, прямой поток не может быть больше 288 Кбит/с, если обратный представляет собой модемное соединение на 28,8 Кбит/с). Однако данное решение может рассматриваться только в качестве временной меры. Для пользователей оно имеет целый ряд неудобств. Для работы в Internet им по-прежнему нужна будет телефонная линия, а это не может не вызывать недовольство других домочадцев. Кроме того, им придется ждать какое-то время, пока будет установлено модемное соединение, тем самым они лишатся такого преимущества использования кабельных модемов, как мгновенный доступ. Наконец, это решение недостаточно или вообще непригодно для симметричных приложений — ICQ, видеоконференции и т. п. Использование обратной телефонной линии может причинять неудобства и самому оператору. Это и усложнение конфигурации системы, и необходимость выделения двух портов маршрутизатора для одного клиента, и усложнение диагностирования и поддержки системы.
Вместе с тем внешние шумы (шумы ингрессии) ограничивают пропускную способность обратного канала рамками 200-2000 Кбит/с.
Опасность представляют:
· небрежно инсталлированные или корродированные домовые и распределительные разъемы;
· абонентские кабели низкого качества;
· абонентские терминалы;
· прокладка кабеля самими абонентами;
· поврежденный распределительный кабель;
· поврежденное распределительное оборудование, недостаточно надежное заземление системы.
Основными источниками шумов ингрессии являются:
· системы радиокоммуникаций;
· электромоторы;
· переключатели;
· выключатели;
· высоковольтные линии передач;
· электростатические разряды.
Наиболее широко используемый метод модуляции, Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), недостаточно эффективен, но его применение зачастую неизбежно, ввиду высокой зашумлённости. QPSK модуляция теоретически обеспечивает эффективность использования канала 2 Мбит/Гц. Так как шум создает помехи передаче данных, то необходимо устранить его влияние. Механизм, используемый для этой цели, называется канальным кодированием FEC (forward error correction). Так как канальное кодирование предполагает избыточность, то на него тратится часть пропускной способности, и скорость передачи полезных данных ниже эффективности канала. Механизмы канального кодирования и требования к избыточности в разных системах СКМ различны. СКМ, использующие QPSK, обычно обеспечивают эффективность передачи полезной информации от 1.5 до 1.8 Мбит/Гц.
Одна из наиболее неприятных особенностей шумов ингрессии — случайный характер их появления. Это значит, что и в тех случаях, когда удается обнаружить чистый участок спектра при установке СКМ, нет гарантии, что шумы ингрессии не поразят этот участок позже. В этом случае может быть поврежден канал передачи данных и даже полностью нарушена связь. Шумы ингрессии могут негативно влиять даже на СКМ с мощным канальным кодированием, так как корректирующие возможности любой системы все же ограничены. Единственный способ избежать разрушающего действия этих шумов заключается в перемещении канала связи на чистый участок спектра. Эта способность СКМ называется механизмом уклонения от шумов ингрессии, или частотной отстройкой (frequency hoping). СКМ с частотной отстройкой обладает гораздо большей устойчивостью к разрушению канала во время появления шумов ингрессии.
Во избежание конфликтов в общем кабеле, доступ каждого узла требуется контролировать в обратном направлении. В большинстве случаев операторы КТВ используют механизмы контроля доступа к среде с подачей команд о выделении пользовательской системе квантов времени для передачи трафика.
Другие методы
устранения шума:
·
Фильтр блокировки
шума, управляемый кабельным модемом. Фильтр представляет собой прибор,
блокирующий сигналы обратного канала все время, за исключением моментов
передачи данных. Фильтр обычно устанавливается около абонентского ответвителя и
предохраняет от шумов ингрессии, наводимых через абонентский отвод или из
квартиры абонента.
· Комбайнер обратного канала. Комбайнер обратного канала представляет собой многопортовый переключатель радиосигналов, способный объединять несколько обратных каналов в единый поток, не накапливая при этом шум из индивидуальных обратных каналов. Для этого можно использовать и пассивный комбайнер, однако такое решение не позволяет объединять более 4 индивидуальных каналов без превышения допустимого уровня аккумулируемого шума.
· Прокладка оптического кабеля. Одно из решений проблемы внешних помех состоит в прокладке оптического кабеля от распределительных устройств как можно ближе к абонентам. Помимо всего прочего, это позволяет увеличить совокупную емкость кабельной сети, снизить стоимость владения и устранить необходимость использовать множество усилителей для восстановления сигнала. Однако лишь сравнительно небольшая доля кабельной инфраструктуры США (вероятно, менее 20% от всех домов, к которым она была проложена) модернизирована с помощью оптических кабелей. С технической точки зрения модернизация не представляет трудностей, но с финансовой - она оказывается весьма обременительной.
· Сокращении числа подключённых к данному сегменту кабеля. Другое потенциальное решение для уменьшения внешних помех состоит в сокращении числа подключенных к данному сегменту кабеля квартир (домов). Трудности здесь все те же - чисто экономические, потому что при прочих равных условиях кабельным операторам выгоднее иметь крупные разделяемые сегменты.