Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt

Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THUÊ BAO NỘI HẠT

1.1 Sự phát triển của DSL

1.1.1 Xu hướng toàn cầu

Trong “muà đông hạt nhân” năm 2001 sau sự kiện ngày 9 tháng 11 thị trường viễn thông đi xuống nhưng DSL vẫn phát triển mạnh và tăng 78% DSL vào đầu năm 2002 đã vươn lên dẫn đầu trong các phương pháp truy xuất tốc độ cao trên toàn thế giới đạt 18,7 triệu thuê (theo Point Topic) bao vượt qua mặt đối thủ truyền kiếp cable modem 15 triệu thuê bao (theo Kinetic Strategies) Tuy nhiên, ở thị trường Bắc Mỹ thì số thuê bao DSL vẫn còn thua xa số thuê bao cable modem Số đường dây thuê bao số trên toàn thế giới đã tăng 36% trong 6 tháng đầu năm 2002, từ 18,7 triệu lên đến 25,6 triệu So ra thì đây là sự sút giảm so với 6 tháng cuối năm 2001 khi tỷ lệ tăng trưởng đã là 78% với 8,2 triệu đường dây mới được lắp đặt Đây cũng là 6 tháng có tỷ lệ phát triển thấp nhất trong lịch sử ngắn ngủi của DSL

Hình 1.1 DSL đã tăng từ 880 000 đường dây năm 1999 lên 25,5 triệu đường dây vào cuối tháng 6 năm 2002

Hình 1.2 Phân bố DSL trên thế giới tính đến 30 tháng 6 năm 2002

Nhưng nhìn vào quá trình phát triển của DSL từ con số 880 000 đường dây vào cuối năm 1999 đến 25,5 triệu đường dây vào cuối tháng 6 năm nay thì có thể thấy đó là kết quả của thời kỳ suy thoái và khủng hoảng tài chính trong ngành viễn thông toàn thế giới và nó không phải là dấu hiệu của sự chựng lại lâu dài của DSL Sự phát triển chậm lại của một vài vùng chỉ có tính thời vụ vì loại thị trường dịch vụ này có xu hướng mạnh lên trong 6 tháng cuối năm Hai cường quốc DSL là Hàn Quốc và Hoa Kỳ cũng ở tình trạng chững lại theo thời vụ Thị trường Hàn Quốc đã đạt đến trạng thái bão hoà trong khi Hoa Kỳ đang phải đối mặt với khủng hoảng trầm trọng trong ngành viễn thông đã làm suy thoái tài chính đáng kể cho DSL Sự phát triển ở các quốc gia khác đáng chú ý là Nhật Bản và hầu hết các nước Tây Âu vẫn rất mạnh mẽ Tất cả các quốc gia ngoài Hàn Quốc thì còn lâu mới đạt được thị trường bão hoà

1.1.2 Các quốc gia và các vùng phát triển trên thế giới

Vùng châu Á – Thái Bình Dương vẫn là vùng phát triển DSL lớn nhất với 10,7 triệu đường dây Vùng Bắc Mỹ là 6,6 triệu đường dây trong khi Tây Âu đang gần lấp đầy chỗ trống còn lại Kế đó, vùng gây được sự chú ý là Nam và Đông Á bao gồm Trung Quốc và Ấn Độ với tổng số 1,1 triệu đường dây Phần còn lại của thế giới bao gồm Mỹ La Tinh, Trung Đông và châu Phi có tổng số 800 ngàn đường dây Tốc độ phát triển giữa các vùng rất là ấn tượng Bắc Mỹ đã đạt được tốc độ phát triển cao nhất vào 6 tháng cuối năm 2000 nên đang chậm lại Tuy nhiên, các quốc gia châu Á – Thái Bình Dương dẫn đầu là Hàn Quốc đã trở thành đối thủ cạnh tranh với Bắc Mỹ từ cuối năm 2000 và ngày càng phát triển nhanh hơn dù có chậm lại đôi chút trong 6 tháng đầu năm 2002 Hiện nay đã thấy được những dấu hiệu đầu tiên cho sự cất cánh của vùng Nam và Đông Á, đặc biệt là Trung Quốc Sự phát triển của các vùng khác (Mỹ La Tinh, Trung Đông, châu Phi và Đông Âu) vẫn còn đang ở giai đoạn sơ khởi Tuy nhiên Ba Tây, Do Thái và Estonia đã có được mức độ phát triển tương đối

Hình 1.3 Tốc độ tăng trưởng từng vùng: tiềm năng châu Á – Thái Bình Dương

và Tây Âu vẫn mạnh mẽ nhất

Về tổng số đường dây thì Hàn Quốc vẫn dẫn đầu Tuy nhiên, trong tương lai gần có lẽ sẽ bị Hoa Kỳ hay cũng có thể là Nhật Bản qua mặt trong 12 tháng sắp tới Hiện nay, Nhật Bản, Mỹ và Đức đang phát triển nhanh hơn Hàn Quốc Ba Tây cũng cho thấy sự phát triển vượt bậc Trong 10 quốc gia có tỷ lệ phát triển nhanh nhất trong 6 tháng qua thì có đến 7 quốc gia Tây Âu khi chỉ thống kê các quốc gia có trên 100 000 đường

dây DSL Nga và Mễ Tây Cơ cũng có tỷ lệ phát triển cao nhưng con số đường dây lại ở mức thấp

Hình 1.4 Tổng số đường dây DSL của 10 quốc gia dẫn đầu thế giới

1.1.3 Tỷ lệ phổ biến DSL

Hàn Quốc vẫn dẫn đầu thế giới về số đường dây DSL trên 100 dân Về con số này thì Đài Loan đã qua mặt Hương Cảng và Đan Mạch qua mặt Gia Nã Đại Ấn tượng nhất là Nhật Bản chỉ trong vòng 18 tháng đã đi từ chỗ gần như số không đã phát triển nhanh chóng và lọt vào “top ten” trên thế giới về số đường dây DSL trên 100 dân

Hình 1.5 10 quốc gia dẫn đầu về số đường dây được lắp đặt mới trong 6 tháng đầu năm 2002

Hình 1.6 10 quốc gia có tỷ lệ tăng trưởng DSL cao nhất

trong 6 tháng đầu năm 2002

Hình 1.7 10 quốc gia có tỷ lệ phổ biến DSL cao nhất

Trong khi đó thì Hoa Kỳ đã bị loại, đứng vị trí thứ 12 sau Tân Gia Ba Mặt khác Hoa Kỳ là một trong rất ít quốc gia có số thuê bao cable modem cao hơn DSL (các quốc gia khác là Gia Nã Đại, Hà Lan, Tân Gia Ba và Úc Đại Lợi) Nhiều nước nhỏ nhưng lại có số đường dây DSL trên 100 dân khá cao như Iceland với 5,3 còn Estonia ở Đông Âu lại có con số này là 1,5 vượt qua cả Pháp, Ý Đại Lợi và Liên Hiệp Anh

1.1.4 Xu hướng phát triển

Hoa Kỳ dẫn đầu thế giới về thị trường DSL trong nhưng ngày đầu nhưng đã nhanh chóng bị Hàn Quốc bắt kịp và qua mặt Đức và Nhật tiếp cận thị trường bằng nhiều cách khác nhau, bắt đầu cất cánh từ năm 2001 nhưng hiện vẫn đang tụt hậu so với Mỹ, Đại Hàn khoảng 15 tháng

Hình 1.8 10 quốc gia có tỷ lệ đường dây PSTN chuyển sang DSL cao nhất

Cần nhận xét rằng ở Mỹ và Đại Hàn thì 6 tháng cuối năm bao giờ tỷ lệ phát triển cũng cao hơn 6 tháng đầu năm Điều này cũng tương tự như ở thị trường máy tính cá nhân hay điện thoại di động và là yếu tố phải kể đến khi dự báo Tình hình Hàn Quốc cũng cho thấy dấu hiệu của sự bão hoà dịch vụ thông tin tốc độ cao Cuối tháng 6 năm

2002 Hàn Quốc có 3,3 triệu modem cáp đồng trục và 5,7 triệu đường dây DSL, tương đương với 58 đường dây thông tin tốc độ cao trên 100 dân Trong khi đó, số kết nối Internet qua modem dial-up đã giảm xuống còn 520 ngàn hay 3 đường dây trên 100 dân Rõ ràng là sự phát triển thông tin tốc độ cao ở Hàn Quốc rất khó có thể tăng thêm

Hình 1.9 Tình hình phát triển của các cường quốc DSL 1.1.5 Nguyên nhân phát triển của DSL

Với công nghệ DSL thì các trở ngại kỹ thuật đã được khắc phục dần Bên cạnh đó, hạ tầng cơ sở pháp lý cho thông tin tốc độ cao ngày càng phát triển tuy có chậm nhưng đã giảm bớt bất ổn trong đầu tư Khả năng DSL ngày càng phong phú và càng có nhiều phiên bản mới cho DSL như ADSL2 và Splitterless ADSL2 được ITU-T thông qua ở khuyến nghị 992.3 và 992.4 vào tháng 7 năm 2002 Những phiên bản khác nhau của DSL đáp ứng được từng nhu cầu cũng như từng điều kiện đường dây cụ thể

Công nghệ DSL đáp ứng được yêu cầu của các dịch vụ đòi hỏi thời gian thực, tốc độ cao như mua sắm trên mạng, chơi trò chơi trực tuyến, chat, giáo dục, lên kế hoạch đi lại và xem video

1.1.6 Triển vọng DSL

Trong các loại công nghệ truy xuất tốc độ cao thì DSL có tỷ lệ khách hàng là doanh nghiệp cao nhất: 20% Với số đường dây trên 1 tỷ của thế giới thì DSL chỉ chiếm có hơn 2,5% Dự báo đến cuối năm 2005 thì số đường dây DSL có thể đạt được đến con số 200 triệu

1.2 Mạng viễn thông hiện nay

1.2.1 Hiện trạng mạng điện thoại

Các công ty điện thoại trong hơn 120 năm qua đã có một khối lượng đầu tư khổng lồ vào mạng điện thoại Ban đầu thiết kế này chủ yếu dành cho dịch vụ thoại Sau đó, mạng điện thoại đã trải qua vô số lần hiện đại hoá, nâng cấp cơ sở hạ tầng để có được sự tiến bộ lớn trong kỹ thuật truyền dẫn, chuyển mạch Trên thực tế các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao sử dụng cáp quang đang có mặt hầu như trên tất cả các công ty điện thoại hùng hậu trên toàn thề giới Sử dụng cáp quang đã cải thiện chất lượng dịch vụ, nâng cao khả năng lưu thoại và giảm thiểu sự vận hành của con người

Kết quả là giữa các tổng đài điện thoại đã có khả năng cung cấp dịch vụ rất lớn Tuy nhiên, vấn đề có khác khi ta xét đến mạng truy xuất của các vòng thuê bao kết nối người sử dụng và mạng điện thoại Từ vị trí của thuê bao máy thiết bị đầu cuối được kết nối với bộ phận chuyển mạch của tổng đài qua một dàn MDF (Main Distribution Frame)

MDF là điểm trung tâm kết thúc mọi đường dây thuê bao tại tổng đài nội hạt Các tổng đài nội hạt được kết nối với nhau qua mạng liên đài (inter-CO network) Mạng liên đài bao gồm hệ thống kết nối – truy xuất số (DACS: Digital Access and Cross-connect Systems) và các thiết bị truyền dẫn PDH Gần đây mạng liên đài sử dụng các công nghệ truyền dẫn tiên tiến SONET hay SDH Các công ty khai thác điện thoại không đủ khả năng xử lý lưu lượng các cuộc gọi dữ liệu Đó là vì mạng điện thoại được thiết kế để xử lý các cuộc gọi điện thoại với thời gian sử dụng tương đối ngắn, thường chỉ kéo dài vài phút trong khi đó các cuộc gọi số liệu có thể kéo dài đến hàng giờ Hệ quả là người sử dụng thường xuyên bị nghẽn mạch, không thực hiện được cuộc gọi Một thuê bao Internet đang được kết nối có xu hướng muốn giữ chúng mà không chịu log off vì sợ không kết nối lại được gây lãng phí lớn cho tài nguyên của cả phía người sử dụng và mạng

Hình 1.10 Mạng điện thoại điển hình 1.2.2 Hạn chế của vòng thuê bao điện thoại hiện nay

DSL là công nghệ truy xuất và các thiết bị của DSL được sử dụng trên mạng truy xuất nên phải đi từ mạng truy xuất nội hạt Mạng truy xuất nội hạt bao gồm các vòng thuê bao nội hạt và các thiết bị liên quan nối từ vị trí người sử dụng tới tổng đài Mạng truy xuất điển hình gồm các bó cáp mang hàng ngàn đôi cáp đến các tập điểm phối cáp (FDI: Feeder Distribution Interface)

Nhiều thuê bao cách rất xa tổng đài và cần phải có vòng thuê bao rất dài Một vấn đề của vòng thuê bao dài là sự suy hao năng lượng của tín hiệu điện làm cho tín hiệu suy yếu đi Điều này cũng tương tự như tín hiệu vô tuyến, càng cách xa máy phát tín hiệu càng suy hao và tỷ số tín hiệu trên nhiễu càng kém đi

Các công ty điện thoại có 2 cách để xử lý các vòng thuê bao dài:

- Sử dụng các cuộn tải để sửa đổi đặc tính điện của vòng thuê bao cho phép

truyền dẫn thoại chất lượng tốt hơn qua những khoảng cách dài quá

5400m Khi đó các cuộn tải được đặt trên đường dây cách đều đặn 1800m một cuộn

Các cuộn tải không tương thích với các đặc tính tần số cao của truyền dẫn DSL và phải được tháo dỡ trước khi cung cấp các dịch vụ dựa trên cơ sở DSL Mức độ sử dụng cáp có tải trong mạng truy xuất nội hạt của các công

ty điện thoại có thể khác nhau và thường thì khoảng 20% số vòng thuê bao là có dùng cuộn tải

- Thiết lập nhiều thiết bị để tiếp nhận tín hiệu ở các điểm trung gian để tập

hợp về tổng đài nội hạt Các điểm trung gian này có thể bao gồm thiết bị chuyển mạch và thiết bị truyền dẫn dung lượng lớn hay cũng có thể đơn giản chỉ là trung tâm tập trung dây (SWC: Serving Wire Center) không có thiết bị chuyển mạch nhưng lại có các thiết bị truyền dẫn kết nối với tổng đài nội hạt

Trong khi mạng điện thoại lúc đầu kết thúc các vòng thuê bao cáp đồng trực tiếp tại tổng đài nội hạt thì quá trình bảo dưỡng các đường dây thuê bao dài và hậu quả của việc phát triển quá nhiều đường dây thuê bao đã làm tất yếu phát sinh nhu cầu thay đổi kiến trúc mạng truy xuất nội hạt Cáp quang có thể kết nối hiệu quả hàng ngàn thuê bao từ tổng đài này đến tổng đài khác nhưng lại quá đắt tiền để có thể kết nối đến các thuê bao riêng lẻ

Vì vậy một giải pháp dung hoà là kết thúc đường dây thuê bao tại các điểm trung gian gần với thuê bao hơn gọi là các DLC (Digital Loop Carrier: Bộ cung cấp vòng thuê bao số) Những điểm trung gian này gọi là các thiết bị đầu cuối DLC phía khách hàng (RT: remote terminal)

Một trong những thuận lợi khi kết thúc đường dây thuê bao tại các thiết bị đầu cuối từ xa DLC là nó đã giảm được độ dài đường dây đồng của vòng thuê bao và cải thiện được độ tin cậy của dịch vụ Một thuận lợi nữa là các dịch vụ điện thoại thuần tuý (POTS: Plain Old Telephone Service) có thể được ghép lại thành luồng T1 hay E1 để truyền dẫn tới tổng đài nội hạt bằng cáp quang Tuy nhiên, mặc dù RT giải quyết được nhiều vấn đề của dịch vụ điện thoại thuần tuý nó lại tạo ra khá nhiều rắc rối khi triển khai cung cấp dịch vụ dựa trên cơ sở DSL

DSL chỉ được cung cấp qua các đường dây cáp đồng liên tục nên khi một dịch vụ dựa trên DSL kết nối tới một RT thì cổng DSL phải kết thúc tại RT để tín hiệu DSL được biến đổi thành dạng tương thích với DLC Mức độ sử dụng DLC thay đổi tuỳ công ty điện thoại và nó dao động từ không sử dụng hoàn toàn cho tới sử dụng cho khoảng 30% đường dây thuê bao trong mạng truy xuất nội hạt.

Hiện nay có trên 1 tỷ đường dây thuê bao trong mạng PSTN (Public Switched Telephone Network) trên toàn thế giới Hơn 95% trong số đó là cáp xoắn đôi dành cho dịch vụ điện thoại thuần tuý Dịch vụ điện thoại thuần tuý được thiết kế để truyền tải âm thoại cần dải tần để bảo đảm trung thực là từ 300 đến 3400Hz Dịch vụ dải hẹp này vốn được cung cấp cho điện thoại và truyền dẫn tín hiệu modem tương tự ở tốc độ từ 9,6 tới

33,6 kbps và gần đây là 56 kbps Một phần rất nhỏ của PSTN được cung cấp dịch vụ ISDN (Integrated Services Digital Netword) BRI (Basic Rate Interface) Vòng thuê bao tương tự hiện nay sử dụng rất tốt trong hệ thống truyền tải thoại Tuy nhiên, nó không đủ khả năng để truyền tải các ứng dụng khác như dữ liệu và video Dải tần âm thoại là từ

300 đến 3400KHz và nếu được mã hoá PCM (Pulse Code Modulation: điều chế mã hoá xung) sẽ là 64kbps Mạch vòng thuê bao của mạng cáp nội hạt chỉ được thiết kế cho yêu cầu của âm thoại mà hoàn toàn không dành cho các nhu cầu về dữ liệu và video Mạch vòng thuê bao hiện nay rất hạn chế khi dùng cho truyền tải số liệu và video Ví dụ, đôi lúc truyền một file dữ liệu phải mất từ vài phút đến hàng tiếng đồng hồ

Hình 1.11 Cuộn tải

Hình 1.12 UDLC

Hình 1.14 Nhánh rẽ

Hình 1.15 Ảnh hưởng của nhánh rẽ đến sự suy hao của tín hiệu

truyền trên đường dây

Mặt khác, hầu hết các hệ thống xây dựng trên cơ sở điện thoại hiện nay sử dụng khe 64kbps có dung lượng (bandwith) cố định và đối xứng Dung lượng cho cuộc gọi điện thoại không thay đổi trong suốt thời gian điện đàm cho đến khi một trong 2 thuê bao gọi hoặc bị gọi gác máy và dung lượng này được sử dụng cho cuộc gọi khác Nếu trong thời gian cuộc gọi cả 2 thuê bao đều im lặng thì dung lượng sử dụng vẫn là 64kbps Trong khi đó các loại ứng dụng khác như dữ liệu và video lại cần một dung lượng động, biến đổi và bất đối xứng Theo nghiên cứu của hãng Bell Labs (Bell Labs Technical Journal, 2 (2), Spring, 1997, trang 42 – 67) thì hầu hết lưu lượng trên Internet là bất đối xứng: lưu lượng được gởi theo một hướng nhiều hơn hướng ngược lại và dĩ nhiên hệ thống điện thoại có dung lượng đối xứng hiện nay không tối ưu cho lưu lượng Internet

Hình 1.16 Ảnh hưởng của nhánh rẽ đến tỷ số SNR của tín hiệu truyền trên đường

dây

Việc truy xuất Internet bị chậm chạp một phần là do hạn chế của mạch vòng thuê bao và một phần nữa là do hạn chế khả năng cung cấp dịch vụ của nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP: Internet Service Provider) không đáp ứng kịp nhu cầu Internet phát triển tăng vọt làm cho lưu lượng Internet cũng tăng vọt Một ví dụ là lần hạ giá thuê bao của dịch vụ AOL (American Online) vào mùa thu năm 1996 cho phép truy xuất thoải mái Internet mỗi tháng giá $19,95 dẫn tới khả năng đáp ứng truy xuất 30 triệu giờ Internet mỗi tháng của AOL không chịu nỗi lưu lượng tăng lên đến 60 triệu giờ mỗi tháng vào tháng 11 năm 1996 Người sử dụng của AOL phải thường xuyên bị thông báo bận hoặc dịch vụ không thực hiện được làm cho nhiều người đã ngưng thuê bao AOL

1.3 Các phương pháp truy xuất hiện nay

1.3.1 Modem tương tự

Trong những năm đầu của lịch sử máy tính cách nay chừng hơn 30 năm trước, kết nối mạng hoạt động ở tốc độ khoảng 300 đến 600 bit/s đã là khá đủ Khoảng 10 năm gần đây thì modem 9.6kbps được xem là công cụ liên lạc tốc độ cao modem 9,6kbps thực tế đã đáp ứng nhiều ứng dụng tuy nhiên nó thực sự chậm chạp trong các ứng dụng liên quan đến đồ hoạ và video Ví dụ: một người sử dụng vào mạng để tải về một bản đồ thời tiết thì với tốc độ truyền dữ liệu 9600bit/s phải mất 40 giây để tải về bản đồ trắng đen chất lượng kém Với bản đồ màu độ phân giải cao thì phải chờ đến vài phút Ngay cả

modem 28,8kbps hay 33,6 kbps cũng không đáp ứng được về tốc độ của nhiều ứng dụng Thời gian download một hình ảnh nén JPEG (Joint Photographic Experts Group) là

120 giây Nền kỹ thuật máy tính thay đổi rất nhanh, các kênh thông tin, máy tính đang biến đổi để đáp ứng theo nhu cầu khả dung lượng cao ngày càng tăng Khi các dịch vụ hình ảnh màu, thoại và video càng hấp dẫn khách hàng thì hạ tầng thông tin hàng megabit càng trở nên thiết yếu Liệu người ta có thể trông chờ ở modem tương tự những bước tiến ở các tốc độ cao hơn cỡ tốc độ đường truyền T1 (1544 kbps) hay E1 (2048 kbps) không? Thật không may, câu trả lời là không Tốc độ 33,6 kbps của modem tương tự đã chạm trần tốc độ dữ liệu của modem truyền trên kênh thoại Tất cả các modem tương tự đều phải truyền dữ liệu trong kênh 300 Hz – 4000 Hz dành cho âm thoại trong mạng điện thoại Tốc độ cỡ 33,6 kbps cần dải thông lớn hơn nhiều Tuy nhiên, các modem hiện đại thay vì gởi đi dòng bit chưa qua xử lý lại gởi đi các tín hiệu (symbol), mỗi tín hiệu đại diện cho một số bit liên tiếp của dòng bit Chẳng hạn, modem V.32 mỗi lần lấy 4 bit dữ liệu chưa xử lý thêm vào bit thứ 5 để thực hiện sửa sai tạo thành nhóm 5 bit được đại diện bằng một trong 32 dạng tín hiệu Mỗi tín hiệu là một sự kết hợp của biên độ và phase của sóng mang Quá trình điều chế này gọi là Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Vì phương pháp điều chế QAM vừa nêu tạo ra 1 tín hiệu cho mỗi chuỗi 4 bit liên tiếp nên nó giảm dải thông cần thiết xuống còn một phần tư và như vậy dòng bit dữ liệu 9600 bit/s có tốc độ tín hiệu giảm còn 2400baud và dễ dàng truyền được trên kênh thoại 4kHz Vấn đề là bit thứ 5 được thêm vào không làm thay đổi tốc độ dữ liệu cũng như tốc độ tín hiệu mà chỉ làm tín hiệu được điều chế phức tạp thêm từ 16 trạng thái lên 32 trạng thái

Hình vẽ 1.17 minh hoạ các chòm sao mã hoá của các phương pháp điều chế khác nhau Trường hợp bên trái minh hoạ điều chế sóng mang đơn giản bằng phương pháp điều chế nhị phân Trong phương pháp điều chế này chỉ có biên độ biên độ có giá trị dương hay không và tốc độ tín hiệu băèng vớ tốc độ dữ liệu Kỹ thuật điều chế 2B1Q trong ISDN hay HDSL dùng 4 biên độ biên độ khác nhau cho tín hiệu để đạt hiệu quả 2 lần về dải thông nhưng cũng lưu ý rằng các mức biên độ cũng gần hơn 2 lần so với trường hợp điều chế nhị phân Trường hợp kế tiếp là của phương pháp điều chế QAM bốn trạng thái với biên độ của sóng mang vẫn không đổi trong khi đó phase là một trong 4 giá trị cho phép truyền 2 bit cho mỗi tín hiêäu và làm cho tốc độ tín hiệu giảm còn một nửa Trường hợp cuối cùng là chòm sao của phương pháp mã hoá điều chế 32-QAM dùng trong modem V.32 Trong trường hợp này, khi chuyển từ 11000 sang 01101 thì cả biên độ và phase đều thay đổi Thay vì gởi một trong hai trạng thái của bit là 1 hay 0 từ luồng dữ liệu nguyên thủy modem V.32 gởi một trong 32 trạng thái có thể có Modem thu phải xác định đúng tín hiệu đã được gởi đi dù sự khác nhau của các tín hiệu là nhỏ hơn nhiều so với trường hợp chỉ gởi đơn giản 1 hay 0 Nếu kênh thoại là hoàn hảo thì không có vấn đề gì nhưng tất cả mọi đường dây trong mạng thực tế đều có nhiều dạng nhiễu Cáp xoắn đôi chạy từ phía khách hàng đến tổng đài có thể bị tác động bởi các bộ đánh lửa động cơ, máy sấy tóc, đường dây điện lực, đèn huỳnh quang và các dạng phóng điện khác Tuổi đời và chất lượng của cáp cũng liên quang rất nhiều tới nhiễu Cáp cũ bị ngấm ẩm nhiều sẽ bị nhiễu nhiều hơn cáp mới Hơn nữa, tất cả các đôi dây khác nhau trong một chão cáp có khi từ vài trăm đến vài ngàn đôi ghép lại và rò rỉ tín hiệu vào các đôi dây kế cận mà ta gọi là hiện tượng xuyên kênh (crosstalk)

Tất cả các tác nhân gây nhiễu này tạo thành một nền nhiễu trong mỗi kênh truyền Nếu cố gắng phân biệt hai trạng thái giữa 1 và 0 thì tín hiệu phải bị phá huỷ rất mạnh mới có thể nhận dạng lầm được Với trường hợp 2 trong 32 trạng thái khác nhau

của tín hiệu modem V.32 rất gần nhau thì chỉ cần một lượng nhiễu nhỏ cũng có thể phá huỷ tín hiệu này và làm cho nó giống tín hiệu kia Các modem tốc độ cao hiện tại vẫn hoạt động tốt ở tỷ số nhiễu trên hầu hết các kênh điện thoại Điều đó có nghĩa là các modem 28,8 kbps hay 33,6 kbps có thể hoạt động tốt trên các đường dây có chất lượng tốt và rất tốt Tuy nhiên trong nhiều trường hợp các bộ modem hoạt động ở tốc độ thấp hơn Nếu hai modem ở hai đầu kết nối đo được tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhỏ hơn yêu cầu chúng sẽ giảm tốc độ modem để bảo đảm kết nối tin cậy Nếu mọi thứ đều lý tưởng, cáp điện thoại mới, xuyên kênh không đáng kể, thiết bị chuyển mạch hiện đại thì có thể kết nối ở tốc độ 33,6 kbps Trên thực tế, các kết nối modem 28,8 kbps tốt nhất có thể đạt được tốc độ 26,4 kbps

Hình 1.17 Các chòm sao mã hoá theo các phương pháp điều chế khác nhau

Tốc độ truyền dẫn tối đa của thông tin số đã được các công trình của Claude E Shannon “A Mathematical Theory of Communication” vào năm

1948 và “Communication Theory of Secrecy Systems” vào năm 1949 đăng tải ở tạp chí Bell Systems Technical Journal đề cập đến Cả 2 công trình đều được ông xây dựng từ công việc giải mật mã mà ông thực hiện trong suốt thế chiến thứ II Ông đã thiết lập những cơ sở toán học cho truyền dẫn thông tin và rút ra những giới hạn căn bản của hệ thống thông tin số Trong các công trình tiên phong này Shannon đã công thức hoá các vấn đề cơ bản của việc truyền dẫn tin cậy thông tin dưới dạng xác suất thống kê, sử dụng mô hình các xác suất cho nguồn tin (information source) và kênh thông tin (communication channel) Dựa trên các công thức thống kê đó Shannon đã dùng hàm số logarithmic để

đo lượng tin của một nguồn tin Ông cũng đã cho thấy ảnh hưởng của giới hạn năng lượng máy phát, giới hạn dải thông kênh truyền và nhiễu cộng đối với kênh truyền, đưa vào một tham số gọi là dung lượng kênh (channel capacity) C Khi tốc độ thông tin R nhỏ hơn dung lượng kênh tin

C thì về mặt lý thuyết có thể đạt được truyền dẫn tin cậy (error-free: không có lỗi) qua kênh tin bằng việc mã hoá thích hợp Còn khi tốc độ thông tin R lớn hơn dung lượng kênh tin C thì không thể truyền dẫn tin cậy qua kênh tin được mà phải qua một số bước xử lý tín hiệu tại máy phát cũng như máy thu Như vậy Shannon đã thiết lập các giới hạn cơ bản của thông tin và đã khai sinh ra một lĩnh vực mới gọi là lý thuyết

thông tin (information theory) Công lao của Shannon đã được đánh giá là ngang tầm với phát kiến của Nicolaus Copernicus trong thiên văn (theo J L Massey) Giới hạn Shannon cho dung lượng kênh truyền được xác định bởi:

Mọi khách hàng sử dụng modem đều rất quan tâm đến tốc độ và độ tin cậy của modem Các nhà cung cấp đều cố gắng tiến gần tới giới hạn Shannon Cho tới tiêu chuẩn V.32 thì mọi modem đều còn cách xa giới hạn dung lượng này khi mức S/N từ 9 tới

10 dB Nếu dải thông từ 2400 Hz lên đến 2800 Hz và tỷ số S/N từ 24 dB đến 30 dB thì dung lượng kênh khoảng 24000 bit/s Để lấp đầy khoảng cách còn lại cần phải ứng dụng kỹ thuật sửa sai

Vào những năm 1950 các modem FSK (Frequency Shift Keying) có tốc độ từ 300 bit/s tới 600 bit/s Tiêu chuẩn quốc tế của modem bắt đầu từ thập kỷ 60 thế kỷ trước Năm 1964 tiêu chuẩn modem đầu tiên của CCITT là V.21 xác định đặc tính của modem FSK tốc độ 200 bit/s và bây giờ là 300 bit/s Kỹ thuật điều chế đã thay đổi sang QAM 4 trạng thái vào năm 1968 và 16 trạng thái vào năm 1984 bởi V.22bis Vào lúc đó, một tiêu chuẩn modem ứng dụng tiến bộ công nghệ mới là V.32 thêm phần đặc tính triệt tiếng dội (echo cancellation) và mã hoá trellis Mã trellis được tiến sỹ Gottfred Ungerboeck đề cập lần đầu tiên và ứng dụng vào modem và thực hiện lấp được một phần ba khoảng cách còn lại so với giới hạn Shannon V.32bis được xây dựng trên cơ sở đó và đạt được tốc độ dữ liệu lên đến 14400 bit/s Sau đó tốc độ dữ liệu của các modem đã có những tiến bộ nhanh chóng từ 19200 bit/s lên đến 24000 bit/s rồi 28800 bit/s Modem mới hơn là V.34

ra đời năm 1996 đã đạt tới tốc độ dữ liệu 33600 bit/s và thực hiện 10 bit trên mỗi tín hiệu

Hình 1.18 Mdoem tương tự qua mạng điện thoại tương tự

Khi các cuộc đàm thoại điện thoại được số hoá, các tổng đài lắp một bộ mã hoá chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số lấy mẫu tín hiệu thoại 8000 lần mỗi giây và dùng 8 bit để mã hoá giá trị của mẫu Ở đầu kia của kết nối diễn ra quá trình ngược lại và một tín hiệu xấp xỉ gần với tín hiêäu ban đầu được tái tạo Tuy nhiên, quá trình mã hoá lại

sản sinh ra một kiểu nhiễu khác đó là nhiễu lượng tử Khi thực hiện lượng tử hoá, các biên độ tương tự có thể nằm giữa hai mức lượng tử kế tiếp trong 256 mức lượng tử khác nhau có được từ lượng tử hoá 8 bit và bộ mã hoá chọn mức lượng tử gần hơn Ở đầu thu, mức tín hiệu tương tự được tái tạo sẽ không phải là mức tín hiệu ban đầu mà khác hơn một chút nên tạo ra nhiễu Với mục đích truyền thoại thì sự khác biệt này là không đáng kể nhưng với modem tốc độ cao thì là một vấn đề lớn

Hình 1.19 Mdoem tương tự qua mạng điện thoại số IDN

Modem 56K sử dụng quá trình lượng tử hoá này Nhiễu lượng tử là do quá trình mã hoá PCM Nếu bỏ qua được giai đoạn mã hoá PCM thì có thể thoát khỏi giới hạn Shannon Nếu ta bố trí dữ liệu số chỉ đi qua bộ giải mã trên mạng điện thoại thì dữ liệu sẽ được chuyển thành tín hiệu 256 mức phát ra từ bộ biến đổi số sang tương tự của bộ giải mã PCM Modem sẽ chuyển sang tìm kiếm các mức lượng tử hoá này vốn đã được tiêu chuẩn hoá Trên thực tế một vài nơi ở Hoa Kỳ chỉ sử dụng 128 mức lượng tử hoá vì hệ thống ghép kênh điện thoại số T1 ở Bắc Mỹ sử dụng bit có trọng số nhỏ nhất trong 8 bit để giám sát kênh và báo hiệu Để có thể sử dụng modem tại mọi nơi thì thay vì 64 kbps tốc độ modem là 56 kbps dù hầu hết các nơi trên thế giới đều dùng cả 8 bit cho mã hoá dữ liệu PCM Hơn nữa do tín hiệu chỉ truyền từ bộ giảm mã PCM ở mạch giao tiếp thuê bao của tổng đài đến thuê bao nên có rất ít nhiễu tác động và kết quả là tỷ số tín hiệu trên nhiễu rất cao trên các đường truyền 56 kbps.Trò ảo thuật ở đây là loại bỏ quá trình mã hoá PCM và đưa thẳng dữ liệu số đến bộ giải mã Điều này đòi hỏi kết nối từ nguồn dữ liệu (các ISP chẳng hạn) đến bộ giải mã phải toàn bộ là số Modem 56 kbps có thể vượt qua giới hạn Shannon bằng cách phân biệt 2 chiều thu phát của người sử dụng Ở chiều phát tốc độ vẫn là 33,6 kbps Còn ở chiều thu tốc độ chỉ đạt tới 56 kbps khi ISP (Internet Service Provider: nhà cung cấp dịch vụ Internet) của họ và các tổng đài của PSTN phối hợp để tránh bộ lọc PCM ở mạch giao tiếp thuê bao của tổng đài bằng các đường truyền số T1 (1544 kbps) hay E1 (2048 kbps) Như vậy khi 2 người sử dụng dùng

2 modem 56 kbps truyền số liệu điểm nối điểm thì tốc độ không thể nào đạt được 56 kbps mà chỉ đạt được tốc độ dữ liệu song công đối xứng là 33,6 kbps

Vào những năm cuối của thế kỷ trước đã xảy ra tình hình không thống nhất của các tiêu chuẩn modem 56 kbps do 2 hãng sản xuất danh tiếng là U S Robotics (bây giờ

là một bộ phận của hãng 3COM) sử dụng chipset X2 của hãng Texas Instruments và Rockwell có tiêu chuẩn K56flex Dĩ nhiên là hai tiêu chuẩn này không tương thích nhau và ngành công nghiệp sản xuất modem nhanh chóng bị phân cực theo một trong 2 tiêu chuẩn trên Lúc này người sử dụng tại Hoa Kỳ chờ đợi tiêu chuẩn nào sẽ được ISP của mình chấp nhận rồi mới mua modem theo tiêu chuẩn đó Nhiều ISP đã chờ đợi tiêu chuẩn nào sẽ chiến thắng và tiêu chuẩn nào sẽ về vườn Trong thời gian này một số ISP mở ra 2 số điện thoại, mỗi số điện thoại cho một tiêu chuẩn và điều này đã làm cho người sử dụng thấy yên tâm mà mua sắm modem 56 kbps

Hình 1.20 Modem V.pcm

Tháng 9 năm 1998 ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector một tổ chức thừa kế của CCITT) đã ra tiêu chuẩn V.90 để thống nhất trên toàn thế giới về modem 56 kbps Phần cứng của các loại modem trên không khác nhau mấy nên người sử dụng 2 loại modem cũ có thể chỉ cần mua con chip nâng cấp cho V.90 để tiết kiệm chi phí còn các modem sản xuất sau đó đều được chú thích là “Ready for V.90”

Hình 1.21 Tình hình thu nhập từ modem 56Kbps trên thế giới

Trong nhiều trường hợp việc bỏ qua một lần biến đổi là không đơn giản Khi truy xuất thông tin từ một nhà cung cấp dịch vụ Internet nội hạt thì cơ hội rất cao nếu ISP đó kết nối với tổng đài nội hạt bằng các đường truyền số Tuy nhiên khi khoảng cách càng dài thì khả năng tín hiệu bị chuyển sang tương tự rồi chuyển trở lại số càng lớn Khoảng 25% số tổng đài tại Hoa Kỳ là tổng đài chuyển mạch tương tự nên cuộc gọi càng qua nhiều tổng đài thì khả năng gặp phải tổng đài chuyển mạch tương tự càng lớn Những người làm việc tại những văn phòng chi nhánh xa công ty hay những người làm việc tại nhà riêng nhiều khi than phiền kết nối modem của họ với mạng của công ty chỉ đạt được tốc độ tối đa 28,8 kbps Ngay cả khi mọi việc đều tốt đẹp thì tốc độ 56 kbps vẫn là quá khiêm tốn dù đó là tiến bộ công nghệ cuối cùng của modem tương tự Chúng ta đã số hoá toàn bộ mạng viễn thông chỉ trừ ra đường truyền dẫn thuê bao nội hạt là phải chuyển tín hiệu thành tương tự để phân phối đến khách hàng nên kênh truyền không thể dung nạp thêm nhiều bit số liệu hơn nữa Nếu muốn một tốc độ truyền dữ liệu cao hơn thì phải nghĩ đến các phương pháp khác hơn là sử dụng mạng điện thoại truyền thống

1.3.2 ISDN

ISDN (Integrated Services (Digital) Network) là mạng (số) đa dịch vụ (sau này do thói quen người ta bỏ đi dấu ngoặc) ISDN lần đầu tiên được CCITT đề cập đến trong một khuyến nghị của mình vào năm 1977 Năm 1985 AT&T thử nghiệm ISDN lần đầu tiên tại Hoa Kỳ Tuy nhiên, ISDN phát triển chậm ở Hoa Kỳ do sự không thống nhất trong cách triển khai theo CCITT của AT&Tvà Nortel ISDN phá sản ngốn của hơn 20 quốc gia khoảng 50 tỷ Mỹ kim Nguyên lý của ISDN là cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu chung trên một đường dây thuê bao kỹ thuật số Dùng ISDN ở giao tiếp tốc độ cơ sở (BRI: Basic Rate Interface) cho phép truyền dữ liệu và thoại trên 2 kênh B (Binary channel) 64kbps và 1 kênh D (Digital channel) 16kbps Mỗi đường dây ISDN ở BRI có thể bố trí tối đa 8 thiết bị đầu cuối và cùng một lúc có thể thực hiện được nhiều cuộc gọi khác nhau Dùng ISDN cho phép khách hàng sử dụng các dịch vụ mới như dịch vụ khẩn cấp (báo trộm, báo cháy,…), dịch vụ ghi số điện – nước – gas, dịch vụ quay số trực tiếp vào tổng đài nội bộ, dịch vụ địa chỉ phụ,… Các thiết bị cũ của mạng điện thoại PSTN vẫn dùng được với ISDN qua một bộ thích ứng đầu cuối TA (Terminal Adaptor) Giao tiếp tốc độ sơ cấp (PRI: Primary Rate Interface) tương đương với các đường truyền T1 và E1 với kênh một kênh D là 64Kbps còn cá kênh B còn lại cũng có tốc độ 64Kbps Ngoài ra người ta còn định nghĩa các kênh H trên PRI với H0 là 6B, H10 là 23B, H11 là 24B và H12 là 30B

Vấn đề lớn nhất của ISDN là sau hơn 20 năm phát triển là nó đáp ứng được hay không kịp nhu cầu của khách hàng Tại châu Âu ISDN đã phát triển rộng rãi và các văn phòng chi nhánh, những người làm việc xa công ty (telecommuter) đã sử dụng ISDN hiệu quả trong nhiều năm Dù sao ISDN vẫn không phải là dịch vụ tự động 128Kbps mà nó chỉ là 2 kênh 64Kbps Nếu muốn sử dụng đầy đủ dung lượng 128Kbps của đường dây ISDN thì phải mua thêm một bộ thích ứng đầu cuối đặc biệt để nhập 2 kênh 64Kbps lại

ISDN không phải là công nghệ có thể ứng dụng riêng cho thuê bao mà toàn bộ tổng đài phải được lắp đặt thiết bị ISDN Yêu cầu đầu tiên là tổng đài phải sử dụng kỹ thuật chuyển mạch số Nếu tổng đài sử dụng kỹ thuật tương tự sẽ không có ISDN Như đã nói ba phần tư số tổng đài ở Hoa Kỳ là tổng đài số và dĩ nhiên là sẵn sàng cho ISDN Các tổng đài tương tự cũ hơn đang được chuyển đổi sang kỹ thuật số khi nó giảm giá nhưng với giá thành một vài triệu dollar cho một tổng đài kỹ thuật số như hiện nay thì việc chuyển đổi bị ràng buộc bởi nguồn tài chính đầu tư của các công ty khai thác điện thoại

Ngay cả khi đã có tổng đài kỹ thuật số thì các phần cứng và phần mềm thêm vào để nâng cấp lên ISDN rất mắc tiền Điều này thực sự là một đánh cược của các công ty điện thoại trên sự chấp nhận của các thuê bao để điều chỉnh đầu tư Thực tế sự chấp nhận ISDN của khách hàng ở Hoa Kỳ rất khiêm tốn làm cho các công ty điện thoại khá thờ ơ trong việc xúc tiến chuyển đổi mạnh sang cái gọi là “kỷ nguyên ISDN” (“ISDN era” – theo ITU-T)

Hình 1.22 Cấu hình giao tiếp ISDN BRI

ISDN cũng phải trải qua bài toán con gà và quả trứng Để khắc phục giá thành chuyển đổi ISDN để đối mặt với sự chấp nhận không mấy ấn tượng của khách hàng ISDN đã trở nên mắc tiền Và dĩ nhiên một dịch vụ mắc tiền không thể dễ dàng phổ biến trên diện rộng Cho tới năm 1997, chỉ có khoảng hơn một triệu đường dây thuê bao là ISDN trong tổng số 150 triệu đường dây thuê bao tại Hoa Kỳ Vì ít được sử dụng nên thiết

bị ISDN như bộ thích ứng đầu cuối để kết nối máy tính cá nhân với mạng trở nên rất mắc tiền Kết quả là ISDN cần một sự đầu tư tài chính lớn làm cho hầu hết các người sử dụng đều thờ ơ Trong trường hợp ISDN dành cho các người làm việc xa công ty hay từ các chi nhánh thì chi phí có thể chấp nhận được nhưng với các văn phòng gia đình hay các văn phòng nhỏ (SOHO: Small Office Home Office) thì ISDN quá mắc tiền

Càng ngày ISDN càng trở nên không có lối thoát Trong thời đại mà modem tương tự chỉ đạt tốc độ dữ liệu 1200 bit/s thì tốc độ dữ liệu 64 kbps cho mỗi kênh của ISDN quả thật rất ấn tượng Ngày nay, khi mà tốc độ dữ liệu của modem tương tự lên đến 56 kbps với giá thành không quá 10 Mỹ kim thì giá thành thiết bị ISDN lên đến hàng ngàn Mỹ kim trở nên không đáng để đầu tư Một sự kiện nữa đang ngày càng cho ISDN ra rìa là Internet ISDN là dịch vụ có chuyêån mạch cho phép thực hiện các kết nối 64 kbps qua quay số như gọi điện thoại Trong những năm đầu của thập kỷ 80 thế kỷ trước, lúc đang phát triển ISDN tất cả các cuộc gọi số liệu đều chỉ cho mục đích chuyển dữ liệu giữa các máy tính qua việc kết nối bằng cách quay số gọi nhau Trong khi đó hiện nay với một kết nối Internet có thể chuyển dữ liệu cho bất cứ máy tính nào khác chỉ bằng cách đơn giản là gởi e-mail Điều này được thực hiện mà không cần mạng chuyển mạch Internet thực hiện e-mail bằng định tuyến Mặt khác ISDN là một dịch vụ có giá phụ thuộc vào đường dài trong khi modem dial-up chỉ quay số đến một ISP nội hạt và tốn cước phí thuê bao hàng tháng còn việc chuyển vận qua Internet là miễn phí