Tài liệu ADSL – Công nghệ truy xuất biến đồng thành vàng ppt

Hạn chế chủ yếu của kênh truyền điện thoại đối với tốc độ thông tin số liệu không phải ở đường dây điện thoại cáp đồng như người ta thường nghĩ mà là ở dải tần truyền dẫn bị lọc chỉ cho

ADSL – Công Nghệ Truy Xuất

Biến Đồng Thành Vàng

Chương 1:

ADSL – CÔNG NGHỆ TRUY XUẤT BIẾN ĐỒNG THÀNH VÀNG

1.1 Sự ra đời của ADSL

1.1.1 Mở đầu

Đối với người sử dụng Internet việc khám phá, thưởng thức Internet bằng modem qua mạng điện thoại chỉ dừng lại ở tốc độ truyền tải rất thấp, tối đa 56 kbps và tương lai phải chịu cảnh nghẽn mạch thường xuyên khi số thuê bao Internet tăng vọt Tốc độ truy xuất của thuê bao đã trở nên quá chậm chạp so với nhu cầu của khách hàng từ dữ liệu thông thường đã chuyển sang hình ảnh chất lượng cao và video

Claude Shannon, cha đẻ của ngành lý thuyết thông tin (Information theory), vào năm 1948 đã đưa ra giới hạn dung lượng cho kênh truyền có nhiễu, cụ thể cho kênh điện thoại là 35 kbps và thực tế đã đạt được 33,6 kbps Hạn chế chủ yếu của kênh truyền điện thoại đối với tốc độ thông tin số liệu không phải ở đường dây điện thoại cáp đồng như người ta thường nghĩ mà là ở dải tần truyền dẫn bị lọc chỉ cho qua các tín hiệu từ 300 Hz đến 4000 Hz khi đi qua mạch mã hoá PCM (Pulse Code Modulation: Điều chế mã hoá số xung biên độ) để tránh chồng lấn phổ tần tại tổng đài Modem X2 của hãng U.S Robotics, modem của hãng Rockwell và sau này được thống nhất bởi tiêu chuẩn V.90 của ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication standard: Tiêu chuẩn viễn thông của Liên minh Viễn thông Quốc tế) là một giải pháp khôn ngoan lách khỏi mạch lọc này trong chiều từ ISP (Internet Service Provider: nhà cung cấp dịch vụ Internet) về đến người sử dụng (downstream) đạt được 56 kbps bằng đường truyền dẫn số trực tiếp từ ISP đến tổng đài nội hạt (đường T1: 1544 kbps hay E1: 2048 kbps) nhưng tốc độ chiều từ người sử dụng lên ISP (upstream) vẫn là 33,6 kbps có thể đã là tốc độ cao nhất có thể được của modem

Mạng viễn thông hiện nay đã được hiện đại hoá với sự ứng dụng của kỹ thuật số trên toàn mạng từ công nghệ truyền dẫn quang tốc độ cao đến kỹ thuật chuyển mạch số và gần đây là đường dây thuê bao số ISDN (Intergrated Services Digital Network: Mạng số đa dịch vụ) Tuy nhiên, bản thân mạng viễn thông đã được thiết kế, đầu tư, vận hành và bảo dưỡng chủ yếu dành cho dịch vụ thoại và do đó đã bộc lộ nhược điểm lớn là từ chỗ chỉ xử lý các cuộc gọi điện thoại vốn chỉ kéo dài khoảng vài phút đã nhanh chóng quá tải khi phải đối mặt với các cuộc gọi Internet kéo dài đến vài tiếng đồng hồ khi mà người sử dụng đã từ chỗ chuyển file đơn thuần chuyển sang khám phá, thưởng thức Internet

Giải pháp của DSL là truyền tải dữ liệu và thoại trên cùng đường dây điện thoại cáp đồng đến tổng đài nội hạt sẽ được tách ra bằng bộ tách dịch vụ Tín hiệu thoại được chuyển qua tổng đài chuyển mạch, còn số liệu được đưa đến các ISP sẽ tránh được các mạch lọc PCM, tận dụng được dải thông tần số của cáp đồng trên 200 kHz và tránh làm quá tải các hệ thống chuyển mạch điện thoại Ứng dụng thành tựu của kỹ thuật xử lý số tín hiệu và công nghệ vi điện tử ngày nay vào kỹ thuật điều chế đã đem lại tốc độ truyền tải dữ liệu cao trên cáp đồng

Các phiên bản đối xứng (tốc độ downstream bằng tốc độ upstream) đầu tiên của DSL như HDSL (High speed DSL: Đường dây thuê bao số tốc độ cao):

1544 kbps trên 2 đôi dây, 2048 kbps trên 3 đôi dây dài đến 3,6 km và sau này là SDSL (Single-line DSL: Đường dây thuê bao số một đôi dây) với cùng tốc độ, cự

ly tối đa 3 km đã là rất ấn tượng Tuy nhiên phải đến khi sự bất đối xứng trong nhu cầu dữ liệu của người sử dụng thông thường là chiều downstream luôn lớn hơn nhiều so với chiều upstream được khai thác tối đa bằng các phiên bản DSL bất đối xứng và khi giảm độ dài vòng thuê bao thì tốc độ truyền tải số liệu mới thực sự đạt được sự thoả mãn những người sử dụng Internet khó tính nhất Đó là ADSL (Asymmetric DSL: Đường dây thuê bao số bất đối xứng) với tốc độ downstream lên đến 8 Mkbps (cự ly 2 km) và 6 Mkbps (cự ly 3,6 km) hay VDSL (Very high bit rate DSL: Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao) đạt tốc độ downstream 13 Mkbps ở cự ly 1500 m, 26 Mkbps ở cự ly 1000 m và đặc biệt 52 Mkbps ở cự ly 300 m, đã đem lại truyền thông đa phương tiện đến từng gia đình Giá cả của thuê bao và thiết bị DSL đang ngày càng hấp dẫn và người sử dụng ít tiền có thể quan tâm tới tiêu chuẩn G.lite của ITU-T thay việc đầu tư các bộ tách dịch vụ vốn đắt tiền, lắp đặt phức tạp bởi các mạch lọc microfilter có giá thành rất rẻ, dễ lắp đặt Một phiên bản đặc biệt của DSL là RADSL (Rate Adaptive DSL: Đường dây thuê bao số thích ứng tốc độ) rất thích hợp cho các đường dây cáp đồng có chất lượng kém ở vùng ngoại ô và cự ly thông tin dài với tốc độ truyền tải chấp nhận được Bên cạnh đó, công nghệ VoDSL (Voice over DSL: thoại qua đường dây thuê bao số) truyền tải 24 kênh thoại qua 1 đường dây điện thoại đang rất được các tổng đài nội bộ quan tâm

1.1.2 Khái niệm về thông tin số

Thông tin số nói chung và thông tin máy tính nói riêng sử dụng các chữ số nhị phân mang một trong hai giá trị là 1 hoặc 0 Mỗi chữ số nhị phân gọi là 1 bit (Binary Digit) Ví dụ: chuỗi số 1101 1000 là 8 bit Byte là một nhóm bit Thường người ta quen gọi byte là 8 bit Để nhấn mạnh một nhóm 8 bit CCITT và ANSI đưa ra khái niệm octet Bội số của bit là và byte thường dùng là K, M và G ứng với 1 000, 1 000 000 và 1 000 000 000 hay 210 = 1 024, 220 = 1 048 576 và 230 =

1 073 741 824

Tốc độ thông tin được đánh giá qua số bit truyền đi trong mỗi giây (bps: bits per second) Ví dụ:

- Tốc độ modem 56Kbps = 56 000 bps = 7 000 byte/s = 7 Kbyte/s

- Tốc độ ISDN 2B: 128Kbps = 16Kbyte/s

- Tốc độ chiều xuống của ADSL: 8Mbps = 1Mbyte/s

1.1.3 Nhu cầu số liệu

a Nhu cầu số liệu dân dụng

Theo kết quả nghiên cứu của Bell Labs (Bell Labs Technical Journal, 2 (2), Spring, 1997, trang 42-67) thì nhu cầu số liệu trong môi trường dân dụng có đặc tính bất đối xứng Dữ liệu Internet theo chiều downstream là chiều dữ liệu từ phía nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP: Internet Service Provider) về phía người sử dụng bao giờ cũng nhiều hơn chiều upstream là chiều dữ liệu đi từ phía người sử dụng về phía nhà cung cấp dịch vụ Internet (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Dữ liệu trong môi trường dân dụng là bất đối xứng

Bảng 1.1 cho ta các dịch vụ số liệu dân dụng cùng với tốc độ theo hai chiều downstream và upstream của từng dịch vụ Bên cạnh đó là khả ứng dụng trên 2 loại DSL là ADSL và VDSL

Bảng 1.1 Các dịch vụ số liệu dân dụng

Application Downstream

(kbps)

Upstream (kbps)

ADSL VDSL

Video conferencing 384 – 1500 384 – 1500 today only Yes Video on demand 6000 – 18000 64 – 128 today only Yes Interactive video 1500 - 6000 128 – 1500 today only Yes

Multiple digital TV 6000 – 24000 64 – 640 today only Yes

b Nhu cầu số liệu doanh nghiệp

Bảng 1.2 liệt kê các dịch vụ số liệu sử dụng trong môi trường doanh nghiệp và dung lượng của chúng cùng với khả năng ứng dụng của các dịch vụ này với kỹ thuật ADSL, VDSL

Bảng 1.2 Các dịch vụ số liệu doanh nghiệp

Application Downstream

(kbps)

Upstream (kbps)

ADSL VDSL

Video conferencing 384 – 1500 384 – 1500 today only Yes Distance learning 384 – 1500 384 – 1500 today only Yes

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 1.2 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 với 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 1.2 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 1.3 Modem 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

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 giải 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

Hình 1.4 Mdoem tương tự qua mạng điện thoại số IDN

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

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 1.5 Modem V.pcm

Hình 1.6 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

b 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)

LE

CPE

NT TE1

Hình 1.7 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

Hình 1.8 Ứng dụng ISDN trong truy xuất Internet

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

Hình 1.9 Ứng dụng của ISDN trong mạng remote LAN

đủ để rút ngắn đáng kể thời gian kết nối khi người sử dụng chỉ cần thông tin nào

Vấn đề cuối cùng của ISDN trong thời kỳ suy thoái là ISDN góp phần tăng thêm gánh nặng vào sự quá tải của mạng PSTN Khi ISDN mới xuất hiện thì chưa có công nghệ Web và các nhà thiết kế nghĩ là người sử dụng chỉ đơn thuần gọi một máy tính, chuyển dữ liệu rồi gác máy, chẳng có gì khác so với một cuộc gọi điện thoại thông thường Tuy nhiên, Web và Internet đã thay đổi cơ bản việc truyền số liệu Sử dụng Web không chỉ đơn thuần là chuyển file mà còn khám phá, tận hưởng theo thời gian thực chuỗi thông tin bất tận về dữ liệu, giải trí Những cuộc gọi Internet không còn là các cuộc gọi với thời lượng vài phút mà đã trở thành các cuộc gọi kéo dài nhiều tiếng đồng hồ Thời lượng sử dụng Intenet trung bình hàng tuần đã hơn 6 giờ mỗi tuần trong khi hầu hết các gia đình đều không nói chuyện điện thoại quá 6 giờ mỗi tháng

PSTN được thiết kế để đáp ứng vài cuộc gọi tương đối ngắn của các thuê bao Một lưu lượng người sử dụng không bình thường và những cuộc gọi chiếm giữ đường dây dài sẽ gây ra tắc nghẽn thường xuyên ở một số khu vực trên mạng và thuê bao sẽ nhận được tín hiệu báo bận khi mạng quá tải, một hiện tượng ở Hoa Kỳ rất thường gặp trong ngày các bà mẹ (Mother’s Day) Càng về sau, khi ngày càng nhiều nhà cung cấp dịch vụ đưa ra cước phí truy xuất bao tháng làm cho các cuộc gọi thay vì chỉ kéo dài vài phút lại kéo dài nhiều tiếng đồng hồ thì mọi ngày đều trở thành ngày của các bà mẹ

Hình 1.10 Ứng dụng ISDN trong điện thoại truyền hình

Về viễn cảnh mạng thì một cuộc gọi ISDN không khác gì mấy cuộc gọi modem qua điện thoại thông thường Cả hai đều chiếm dụng khả năng chuyển mạch số, truyền dẫn số 64 kbps ở cả phía nội đài lẫn liên đài Chuyển đổi khách hàng sang sử dụng ISDN có thể cải thiện một ít về tốc độ truy xuất nhưng không

ác công ty khai thác điện thoại đang dần nhận ra rằng giải pháp lâu dài duy nh

ác nhà cung cấp dịch vụ có thể có được giải pháp nào thành công hơn các ky

Hình 1.11 Dịch vụ T

c Truy xuất T1/E1 sử dụng mạng cáp thuê bao nội hạt

Một ngạc nhiên chung cho nhiều người sử dụng là cùng một đôi dây cáp xoăén đ

đó rồi log off Còn đối với người sử dụng dùng tất cả thời gian kết nối chỉ cho mục đích giải trí thì ISDN không có tác dụng gì ngoài việc truy xuất nhiều thông tin hơn một chút

C

ất cho tình trạng quá tải mạng là chuyển lưu lượng Internet ra khỏi mạng PSTN càng nhiều càng tốt Cố gắng tăng cường mạng hiện hữu để đáp ứng số lượng bùng nổ các cuộc gọi chiếm giữ thời gian lớn giống như là xây dựng thêm nhiều xa lộ để giải toả tắc nghẽn giao thông Chi phí sẽ thật khủng khiếp và sẽ chẳng bao giờ đạt được hiệu quả kinh tế

C

õ sư công lộ để giải quyết tắc nghẽn không? Thực tế có một khả năng thành công lớn khi tách rời truy xuất Internet khỏi PSTN nhà cung cấp dịch vụ sẽ gở bỏ được cổ chai kềm giữ tốc độ truy xuất ở 64 kbps Với cấu hình mạng mới nhà cung câáp dịch vụ có thể thiết kế thích nghi với tốc độ thông tin dữ liệu hiện đại và người sử dụng có nhu cầu cao sẽ không ngần ngại từ bỏ modem cũng như các thiết bị thích ứng đầu cuối để chạy theo mạng truy xuất mới

elemetry của ISDN

ôi vốn chỉ dùng để truyền tải âm thanh của dịch vụ thoại truyền thống hay cùng lắm là ISDN với tốc độ dữ liệu tổng cộng 160 kbps mà đã mấy chục năm qua lại có thể làm cho đủ điều kiện để truyền tải được các dịch vụ T1/E1 với tốc độ 1544 kbps hay 2048 kbps Các công ty khai thác điện thoại tính cước thuê bao rất cao cho các dịch vụ T1/E1 so với đường dây thuê bao tương tự để bù lại chi phí cho các thiết bị hỗ trợ đường dây vì tuy cùng là đường dây cáp xoắn đôi

nhưng T1/E1 lại cần có những yêu cầu kỹ thuật đặc biệt Giá thành cao của T1/E1 một phần là do việc chuyển đổi từ đường dây thuê bao tương tự sang số và chi phí bảo dưỡng thiết bị đường dây cao liên quan đến các kỹ thuật điều chế quá đơn giản là AMI (Alternate Mark Inversion) ở T1 và HDB3 (High Density Bipolar 3) được xây dựng cách đây hơn ba mươi năm Kỹ thuật điều chế sử dụng trên đường truyền T1/E1 truyền thống chỉ chấp nhận các khoảng cách tương đối ngắn Vì vậy, đường truyền T1/E1 qua các vòng thuê bao dài phải được phân chia thành nhiều đoạn cùng với các trạm tiếp vận (repeater) ở các điểm tiếp nối để dò và phát lại tín hiệu sang đoạn dây khác Do đó phải bố trí các trạm tiếp vận ở cách hai đầu đường dây thuê bao không quá 600 đến 900m và khoảng cách giữa các trạm tiếp vận không quá 900 tới 1800m tuỳ cỡ dây

Hình 1.12 Cung cấp dịch vụ T1/E1 truyền thống có tiếp vận

T1 là một dịch vụ số nhận thông tin số dưới dạng 0 và 1 từ các phần tử hệ thống kế cận Theo sơ đồ mã hoá AMI của T1 mỗi bit của thông tin số được truyền trên dây cáp đồng bằng dạng sóng tương tự được điều chế để mang thông tin các bit 0 hay 1 Như vậy, sơ đồ mã hoá mã hoá 1 bit cho mỗi baud với 1 baud là một chu kỳ sóng sine và dạng sóng được điều chế có thể là 0 hay 1 Số các chu kỳ sóng sine trong một giây là tần số tính bằng Hertz (Hz) Vì vậy luồng số T1 gồm 1536000 bit cộng thêm các bit tạo khung, các bit báo hiệu,… thành 1544000 bit cần phải có phổ từ 0 đến 1544000Hz Hệ quả của tần số cao này là giới hạn khoảng cách giữa các trạm tiếp vận luôn nhỏ hơn 1800m đối với cỡ dây AWG22 Một giải pháp để tăng giới hạn khoảng cách là gởi nhiều thông tin trên mỗi baud hay mỗi chu kỳ tín hiệu Tăng tỷ lệ bit trên mỗi baud làm giảm tần số và tránh được suy hao ở tần số cao làm cho có thể cung cấp được

đường dây thuê bao dài hơn

ị đường truyền T1 và E1 không thể hoạt động trên các đường dây thuê b

từ xa như Internet server hay video on demand server qua mạng truyền hình cáp (đồng trục) So với các loại modem analog truyền thống dùng trong mạng PSTN thì cable modem đạt tốc độ cao hơn nhiều và nhanh hơn xấp xỉ 500 lần Trong khoảng giữa những năm 1990 của thế kỷ trước người ta đã phát triển được khả năng truyền tải hai chiều của hạ tầng cơ sở mạng cáp đồng trục hiện hữu để phục vụ cho truy xuất Internet tốc độ cao Điều này đã dẫn đến việc tiến hành nhiều nghiên cứu và thử nghiệm trên nhiều khu vực tại Hoa Kỳ và các quốc gia Tây Âu Kết quả là người ta đã phát triển được một số loại kỹ thuật cable modem Ý tưởng của modem cáp thật đơn giản là dùng mạng cáp đồng trục sẵn có để kết nối Internet Điều này không những chỉ đem lại cho thuê bao cơ hội có được tốc độ truy xuất Internet ấn tượng mà còn thực hiện được các dịch vụ khác như video on demand và MHP (Media Home Platform) Ngay tức khắc, các nhà cung cấp dịch vụ nhận thấy được tiềm năng đem lại thu nhập to lớn của công nghệ này do con số quá lớn các thuê bao có thể tham gia vào mạng qua các kết nối cáp đồng trục sẵn có và làm cho các công nghệ kiểu như MHP trở nên thực tế Công nghệ cable modem đem lại việc kết nối mạng tốc độ cao cho môi trường dân dụng cũng như doanh nghiệp nhỏ qua các đường dây cáp đồng trục vốn sử dụng cho truyền hình cáp Hình vẽ 1.13 minh hoạ cấu hình căn bản mạng modem cáp Modem cáp là thiết bị cho phép truy xuất dữ liệu (như Internet chẳng hạn) qua mạng truyền hình cáp thông thường Thuê bao chỉ cần kết nối modem cáp với ổ cắm truyền hình cáp Phía nhà cung cấp dịch vụ sẽ kết nối đầu cáp với hệ thống xử lý modem cáp (CMTS: Cable Modem Termination System)

M

truyền hình cáp và một kết nối nối với máy tính cá nhân (PC: Personal Computer) hay hộp thích ứng Hầu hết các modem cáp là các thiết bị rời kết nối với máy tính qua card Ethernet 10Base-T hay card Ethernet 100Base-T và đi dây bằng cáp xoắn đôi Những modem cáp đời mới có cả giao tiếp USB (Universal Serial Bus) hay còn có cả dạng Internal qua giao tiếp PCI

T

một m

t

cho ta thấy được sự khác nhau giữa modem dữ liệu (còn gọi là modem tương tự hay modem quay số) và modem cáp đồng trục Tín hie

gởi và nhận tín hiệu theo hai kiểu hơi khác nhau Ở chiều downstream, dữ liệu số được điều chế và đặt vào kênh truyền hình 6 MHz

ở một

odem Nhưng mà sự tương tự với modem dùng trong mạng điện thoại PSTN cũng chỉ dừng lại tại đó do modem cáp phức tạp hơn modem điện thoại nhiều Cable modem gồm các phần chức năng sau:

Các phần chức năng trên

äu truyền hình thường trải rộng phổ trên dải tần từ 50 MHz đến 750 MHz Mỗi kênh truyền hình chiếm dải tần 6 MHz Các kênh truyền hình cáp MTV, CNN hay BBC đều chiếm dải thông 6 MHz Tương tự như vậy dịch vụ Internet qua cáp đồng trục cũng chiếm dải thông 6 MHz cho từng chiều upstream và downstream riêng lẻ Ta sẽ xét đến sự khác nhau giữa kênh dữ liệu trên cáp đồng trục với kênh tương tự thông thường bao gồm cả sự khác nhau theo chiều downstream cũng như chiều upstream

Một bộ modem cáp

vị trí nào đó trong dải tần từ 50 MHz đến 750 MHz Hiện nay, đang sử dụng kỹ thuật điều chế 64 QAM cho chiều xuống để đạt được tốc độ dữ liệu lên đến 27 Mbps cho kênh tín hiệu 6 MHz Tín hiệu này có thể đặt ở kênh 6 MHz bên cạnh tín hiệu truyền hình về phía nào cũng được miễn là không làm ảnh hưởng đến tín hiệu truyền hình Ở chiều upstream thì phức tạp hơn nhiều Nhìn chung trong mạng cáp hai chiều thì chiều upstream (còn gọi là chiều ngược) được phát tín hiệu giữa 5 MHz và 42 MHz (xem bảng 1.2 - Sử dụng dải tần) Điều này dẫn đến một môi trường nhiều nhiễu với nhiễu tần số vô tuyến RF và nhiễu xung Hơn nữa, nhiễu được tạo ra một cách dễ dàng từ trong nhà do các mối nối thấp và đi cáp không tốt Vì mạng cáp đồng trục có dạng "cây đẻ nhánh" ("tree and branch") nên khi tín hiệu đi theo chiều lên thì nhiễu sẽ dồn lại và tăng lên Để khắc phục hiện tượng này nhiều nhà sản xuất sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK hay các kỹ thuật điều chế tương tự cho chiều upstream vì QPSK kháng nhiễu tốt hơn QAM Tuy nhiên tín hiệu QPSK cho tốc độ dữ liệu thấp hơn tín hiệu QAM nhiều Bảng 1.3 liệt kê các dải tần truyền hình và tần số của chúng Một kênh truyền hình có thể nằm trong khoảng 1 trong 7 dải tần này Bảng 1.4 cho thấy vị trí của các dải tần truyền hình trong dải tần số của tất cả các ứng dụng khác

Bảng 1.3 Các dải tần truyền hình

Low Very High Frequency (VHF) 54 - 88 Midband

6

d requency

88 - 174 High Very High Frequency (VHF) 174 - 21

Hình 1.13 Công nghệ cable modem

Trong năm 1994, nhóm công tác (workinggroup) 802.14 về nghi thức TV edia Access Control (MAC) and Physical (PHY) của Institute of Electronics and Electr

M

icalEngineering (IEEE) được hình thành dựa trên các nhà cung cấp, sản xuất để phát triển các tiêu chuẩn quốc tế cho việc truyền dữ liệu trên cáp đồng trục Mục đích ban đầu của nhóm công tác là đệ trình cho IEEE một tiêu chuẩn cho modem cáp vào năm 1995 Thật không may là sự phát triển tiêu chuẩn bị trì hoãn tới cuối năm 1997 Trong thời gian chờ tiêu chuẩn của IEEE, một số nhà

Sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn modem cáp của DOCSIS và IEEE phản ánh mục tiêu thiết kế khác nhau của các tổ chức này Các tiêu chuẩn của IEEE được

điều hành mạng cáp đồng trục đã liên kết với nhau để đưa ra các tiêu chuẩn của họ Vào tháng Giêng năm 1996 các hãng Comcast, Cox Cable, TCI và Time Warner đã phát triển một công ty trách nhiệm hữu hạn là Multimedia Cable Network Systems Partners Ltd (MCNS) Kết quả là tiêu chuẩn đặc tính giao tiếp của hệ thống truyền dữ liệu qua cáp đồng trục (DOCSIS: Data Over Cable System Interface Specification) đã được ban hành tháng Ba năm 1997 Bảng 1.5 cho các đặc tính tổng quát DOCSIS của MCNS

Upstream Demodulator f: 5-65 MHz

s

Upstream Modulator f: 5-65 MHz

s

Hình 1.14 Hệ thống cable TV

các nhà cung cấp thiết bị định hướng vào công nghệ công nghiệp chung Trong khi đó thì các nhà phát triển tiêu chuẩn DOCSIS lại tập trung vào việc tối thiểu hoá chi phí của modem cáp để có thể bán được với số lượng lớn Hơn nữa, các nhà phát triển tiêu chuẩn DOCSIS cũng chú tâm tới việc sử dụng công nghệ có thể tối thiểu hoá thời gian đưa ra sản phẩm đầu tiên cho thị trường khách hàng Hình 1.15 minh hoạ so sánh giữa mô hình OSI và DOCSIS

QPSK/16-QAM BW: e.g 2 MHz Rates: e.g 3 Mbp

Downstream Modulator 64-QAM/256-QAM f: 65-850 MHz BW: 6/8 MHz Rates: 27-56 Mbps

QPSK/16-QAM BW: e.g 2 MHz Rates: e.g 3 Mbp

Downstream Demodulator 64-QAM/256-QAM f: 65-850 MHz BW: 6/8 MHz Rates: 27-56 Mbps

Bảng 1.4 Sử dụng băng tần

Frequency Wavelength Designation Typical service

929 MHz), nationalwide paging (929 - 932 MHz), satellite telephone uplink (1610 - 1626.5 MH), satellite telephone downlink (2483.5 - 2500 MHz)

3 - 30 GHz 10 - 1 cm Super High Frequency Large dish satellite

TV (4 - 6 GHz), Small dish satellite

TV (11.7 - 12.7 GHz), wireless cable

TV (28 - 29 GHz)

Hình 1.15 So sánh giữa mô hình OSI và DOCSIS

Bảng 1.5 Tổng quan về DOCSIS của MCNS

Các tham số kênh chiều upstream

MHz

Điều khiển truy xuất

Tranh chấp dựa trên gói và dùng các khe riêng

Quản lý

SNMP với các định nghĩa MIB

Giao tiếp thuê bao

10 BASE-T, USB, IEEE 1394

Giao tiếp mạng

10 BASE-T, 100 BASE-T, ATM, FDDI

Tốc độ của modem thay đổi rất nhiều và phụ thuộc vào các tham số sau:

- Hệ thống modem cáp,

- Kiến trúc mạng cáp đồng trục,

- Lưu lượng trên mạng modem cáp

Theo chiều downstream (từ server CMTS - Cable Modem Termination System xuống người sử dụng) tốc độ mạng có thể lên đến 27 Mbps Đây là dung lượng tổng cộng được tất cả người sử dụng chia ra Chỉ có ít hệ thống mà người sử dụng có khả năng kết nối với tốc độ cao như vậy Thường thì dung lượng chỉ từ 1 Mbps tới 3 Mbps Trong chiều upstream tốc độ có thể lên tới 10 Mbps Tuy nhiên, hầu hết các nhà sản xuất modem cáp đều chọn tốc độ từ 1 Mbps tới 2,5 Mbps Phần lớn các hệ thống truy xuất modem cáp đều là bất đối xứng Tốc độ chiều downstream lớn hơn tốc độ chiều upstream nhiều và điều này phù hợp với việc sử dụng cable modem, nghĩa là dùng cho dịch vụ video on demand hay truy xuất Internet Các ứng dụng như duyệt các trang web (http: HyperText Transmission Protocol) và đọc báo (nntp: Network News Transfer Protocol) đều có chiều gởi dữ liệu xuống máy tính nhiều hơn chiều gởi dữ liệu cho mạng Các click chuột hay e-mail (chủ yếu của chiều upstream) dĩ nhiên là không thể chiếm nhiều dung lượng bằng tải các file hay audio, video (chủ yếu của chiều downstream)

Hình 1.16 Hệ thống cáp đồng trục truyền thống

Mỗi hộp truyền hình cáp đều nhận tín hiệu truyền dẫn theo chiều downstream và mỗi kênh truyền hình đều được phát ở một dải tần khác nhau

Hệ thống cáp truyền hình nguyên thủy dựa trên cơ sở cáp đồng trục end to end Máy phát truyền hình cáp cung cấp phim từ nhiều nguồn và đưa tín hiệu lên cáp đồng trục Các bộ khuếch đại tín hiệu được đặt đều đặn trong hệ thống Có

thể có đến 35 bộ khuếch đại nối tiếp nhau từ máy phát tới các thuê bao Hình 1.17 minh hoạ một hệ thống cáp đồng trục truyền thống

Các nhà điều hành mạng cáp đồng trục đang tiến hành cải tiến hạ tầng mạng cáp bằng cách đưa vào thêm cáp quang vào mạng cáp đồng trục, thay cho truyền dẫn tín hiệu tương tự bằng truyền dẫn tín hiệu số và thay các bộ khuếch đại một chiều bằng các trạm tiếp vận theo hai chiều Hạ tầng cơ sở mạng cáp đồng trục mới này gọi là hệ thống cáp đồng trục kết hợp cáp quang (HFC: Hybrid Fiber Coaxial) Với HFC, máy phát sử dụng giao tiếp cáp quang và với cáp quang, nhiều đặc tính của mạng cáp truyền thống đã bị thay đổi Quan trọng hơn là các trạm tiếp vận không chỉ khuếch đại tín hiệu mà còn phục hồi và phát lại nguyên dạng tín hiệu số Các bộ khuếch đại RF lọc thông dải được thay thế bằng các bộ triệt tiếng dội Các bộ lọc này cho phép một dải tần nào đó truyền theo một hướng và dải tần khác truyền theo hướng ngược lại Như vậy, HFC là một hệ thống hai chiều Lưu ý rằng việc nâng cấp lên mạng HFC không đơn giản Cần phải thay thế hoàn toàn một phần quan trọng của hệ thống cáp Cũng còn may là đoạn tự điểm cáp quang về đến nhà thuê bao vẫn còn sử dụng cáp đồng trục

Hình 1.17 Hệ thống HFC

Có 3 dạng modem cáp thông dụng là:

- Modem lắp trong máy tính cá nhân,

- Hộp set-top tương tác

Có thể sau một thời gian sẽ có các dạng modem cáp mới xuất hiện

Modem cáp rời là một hộp bên ngoài nối với máy tính cá nhân qua một kết nối Ethernet thông thường Cần phải có một card Ethernet (giá rất rẻ) trước khi kết nối với modem cáp Hơn nữa có thể kết nối nhiều máy tính cá nhân với

Ethernet Tất cả các modem cáp đều hoạt động tốt với hầu hết các hệ điều hành và phần cứng bao gồm Mac, UNIX, laptop,

Một dạng giao tiếp nữa của modem cáp là USB, có ưu điểm lắp đặt nhanh chóng hơn nhiều Hình 1.18 minh hoạ dạng modem cáp rời

Hình 1.18 Modem cáp rời

Modem cáp internal thường sử dụng dạng card giao tiếp PCI với máy tính Loại modem này rẻ tiền nhất nhưng lại có những vấn đề kỹ thuật của nó Vấn đề là chỉ có thể dùng được với máy tính cá nhân để bàn Các loại máy Mac và laptop không sử dụng được Hình 1.19 là dạng modem cáp internal

Hình 1.19 Modem cáp internal

Hộp set-top tương tác thực sự khác với modem cáp Chức năng cơ bản của hộp set-top là cung cấp nhiều kênh truyền hình trên cùng một số giới hạn các băng tần Có thể thực hiện được điều này bằng mã hoá truyền hình số (DVB: digital television encoding) Vấn đề là đầu nối cáp không cách ly tốt với nguồn điện AC Điều này gây ra khó khăn cho một số mạng truyền hình cáp cần phải có thêm nhiều nâng cấp lắp đặt cáp mắc tiền Một vài quốc gia, hệ thống truyền hình cáp không thể sử dụng được modem cáp internal do lý do kỹ thuật hay pháp lý Trước đây, các hộp set-top tương tác cho phép truyền dữ liệu theo chiều upstream thường là qua hệ thống POTS (Plain Old Telephone System) để duyệt trang web, e-mail trực tiếp trên màn hình truyền hình Bây giờ với kỹ thuật mới có thể cho phép các hộp set-top tạo đường truyền upstream ngay trên mạng truyền hình cáp Hình 1.20 là cấu hình kết nối hộp set-top tương tác

Hình 1.20 Cấu hình kết nối hộp set-top tương tác

Hình 1.21 là cấu trúc bộ modem cáp bao gồm:

- Bộ bắt sóng (tuner): Bộ bắt sóng được nối trực tiếp với ổ cắm truyền

hình cáp Thường một bộ bắt sóng được tích hợp bộ thu phát song công để phục vụ cho cả chiều downstream và upstream Bộ băét sóng phải có chất lượng cao để có thể nhận được tín hiệu điều chế QAM Khái niệm bộ chọn sóng silic đang được nghiên cứu Bộ chọn sóng silic dựa trên các chip bán dẫn và đem lại hy vọng giảm giá thành so với các bộ bắt sóng thông thường

- Bộ giải điều chế: Trong chiều thu, tín hiệu IF được đưa tới bộ giải

điều chế Bộ giải điều chế thông thường bao gồm mạch chuyển đổi số tương tự ADC, bộ giải điều chế QAM 64/256, bộ đồng bộ khung MPEG và bộ giải mã sửa sai Reed Solomon Bộ giải điều chế cần thiết cho cả các modem cáp, set-top box kỹ thuật số nên có rất nhiều hãng đã phát triển sản xuất bộ phận này

Hình 1.21 Cấu trúc bộ modem cáp

- Bộ điều chế cụm (burst modulator): Trong chiều phát, bộ điều chế

cụm cung cấp tín hiệu cho bộ chọn sóng Bộ điều chế cụm thực hiện mã hoá Reed Solomon cho mỗi cụm dữ liệu, điều chế QPSK/QAM-16 trên dải tần cần thiết và thực hiện biến đối số sang tương tự Tín hiệu ngõ ra có nhiều mức khác nhau để bù với suy hao truyền dẫn không lường trước được trên đường cáp đồng trục Bộ điều chế cụm cần thiết cho modem cáp và một số loại hộp set-top hai chiều Người ta cũng đã tích hợp nhiều tính năng dưới dạng chip

- Bộ điều khiển truy xuất môi trường (MAC: Media Access Control)

nằm giữa các đường truyền thu và phát Bộ điều khiển truy xuất môi trường có thể là phần cứng hay kết hợp giữa phần cứng và phần mềm MAC của modem cáp phức tạp hơn MAC của Ethernet và thực sự thì không có bộ MAC nào có thể thực hiện hết được các chức năng của lớp MAC mà không có sự trợ giúp của các bộ vi xử lý

Với các bộ modem cáp DOCSIS thì nhiều công ty có tiêu chuẩn sản phẩm MAC ASIC có kiến trúc sử dụng nhiều phần mềm để xử lý các chức năng và đạt được độ mềm dẻo cao Các hãng khác sản

xuất các chip MAC dùng cho cả DOCSIS và DVB/DAVIC với sự khác nhau trong cả phần cứng lẫn phần mềm Một số nhà sản xuất lại phát triển các sản phẩm MAC của mình theo các tiêu chuẩn riêng để cạnh tranh hay phân biệt các sản phẩm của họ

- Giao tiếp: Dữ liệu chuyển qua MAC đi đến giao tiếp máy tính hay

hộp set-top của modem cáp là Ethernet, USB, PCI

- CPU: Bộ vi xử lý không được vẽ trên sơ đồ khối của modem cáp

nhưng với các modem cáp rời thì phải có khác với các modem PSTN sử dụng CPU trong máy tính cá nhân

Các thiết bị bao gồm MAC, bộ giải điều chế, bộ điều chế cụm, bộ vi xử lý, các giao tiếp Ethernet, PCI, USB đều có khuynh hướng tích hợp trong một chip bán dẫn Tuy nhiên vẫn còn các thành phần như bộ nhớ bán dẫn, bộ bắt sóng, nguồn cung cấp, nên không thể thực sự có được một modem cáp một chip được

Modem cáp sử dụng được mạng truyền hình cáp sẵn có nên giảm được chi phí đầu tư Không cần phải thực hiện thêm hạ tầng cơ sở mới dù sự thay đổi mạng truyền hình cáp là không thể tránh được Hơn nữa, các linh kiện tần số cao cần thiết cho hoạt động của modem cáp đã trở nên rất rẻ và được bán đại trà Nhiều bộ chip (chipset) đã được đưa ra với giá cả rất cạnh tranh và khả năng tương thích rất cao Cũng không nên bỏ qua một điều là bằng nhiều cách, modem cáp đã đáp ứng những hứa hẹn ban đầu về các hệ thống và dịch vụ truyền hình cáp tương tác Thay vì phải xây dựng các chức năng cho hộp set-top người ta có thể dùng máy tính cá nhân để thay thế

Nhược điểm thứ nhất của modem cáp là hầu hết các máy tính cá nhân đều không đặt gần máy thu hình Màn hình và tần số bus cao của máy tính cá nhân sẽ gây nhiễu cho máy thu hình và cần phải đi lại dây ở nhà Tuy nhiên, nếu cần phải đi dây ở một nơi mới thì có thể dùng cáp đồng trục hay cáp xoắn đôi không chắn từ UTP với giá cả rẻ và dễ lắp đặt, sử dụng

Modem cáp đòi hỏi phải lắp đặt lại tới 90 phần trăm cáp đi vào nhà (drop cable) đem lại dịch vụ cho thuê bao Cáp đi vào nhà thường được lắp đặt vội vã và cẩu thả làm sinh ra nhiều nhiễu Một vấn đề nữa là nhiều chủ nhà tự lắp đặt một bộ chuyển đổi đường vào của truyền hình cáp cho nhiều máy thu hình và các lắp đặt này rất cẩu thả Một nhược điểm nghiêm trọng nữa của modem cáp là dải tần chiều upstream từ 5MHz đến 50MHz sẽ thu thập rất nhiều nhiễu từ các thiết bị khác trong gia đình Để khắc phục, nhiều mạng truyền hình cáp lọc bỏ dải tần này khỏi tín hiệu của hệ thống Chỉ có khoảng 5 phần trăm số mạng truyền hình cáp là còn sử dụng dải tần này Với các trường hợp cáp một chiều thì phải sử dụng thêm modem điện thoại để thực hiện chiều upstream Đó là do trong mạng truyền hình cáp cũ không có các bộ khuếch đại dành cho chiều upstream Các dịch vụ truyền hình cáp cũ thậm chí không xử lý nổi lưu lượng khiêm tốn của

chiều upstream để đặt các dịch vụ này Cuối cùng, vì các kênh upstream phải được chia ra cho nhiều người sử dụng (có thể lên đến hàng người sử dụng cùng một lúc) nên mối nguy hiểm tắc nghẽn là thực sự khi tất cả các gói số liệu đều được gởi về phía head end

e MMDS

Công nghệ Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service) là một hỗn hợp mới các dịch vụ video và truyền số liệu tốc độ cao Một thành phần của MMDS là Dịch vụ cố định truyền hình theo lệnh (ITFS:Intructional Television Fixed Service) Hai mươi kênh ITFS được sử dụng để phân phối các tài liệu giáo dục Các trường học như các trường cao đẳng và các trường đại học phải sử dụng tối thiểu 20 giờ mỗi tuần để được phép sử dụng ITFS Muốn dùng các kênh ITFS để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh các nhà cung cấp dịch vụ MMDS phải dùng một kỹ thuật gọi là sắp xếp kênh (channel mapping) Bằng cách này khi một kênh ITFS đang được MMDS sử dụng nhận một yêu cầu từ một nhà cung cấp dịch vụ giáo dục thì tín hiệu đang truyền tải được chuyển mạch sang một kênh ITFS còn trống Dĩ nhiên, bộ chuyển mạch phải trong suốt đối với thuê bao sao cho các tín hiệu phức tạp giữa head end và set-top box được thông suốt Mười một kênh khác được gán cho các dịch vụ MMDS và hai kênh nữa được lấy từ các Dịch vụ phân phối đa điểm (MDS: Multipoint Distribution Services) Như vậy một hệ thống MMDS có tất cả

33 kênh cho dịch vụ video, truy xuất Internet tốc độ cao theo các đường dây cable modem Máy phát trung tâm được MMDS sử dụng có giá thành rất cao, khoảng 1,5 triệu USD và giá thành trên mỗi thuê bao bao gồm antenna, đi dây, set top là khoảng 400 USD Với số liệu này, hãng Wireless Cable Association đánh giá điểm hoà vốn (BEP: Break Even Point) là khoảng 10 000 thuê bao cho mỗi máy phát MMDS Kiến trúc cơ bản của hệ thống MMDS được minh hoạ ở hình 1.22

Hình 1.22 Kiến trúc cơ bản hệ thống MMDS

Mặc dù MMDS có trên một triệu thuê bao qua 73 hệ thống tại Hoa Kỳ và đang được nghiên cứu, sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ lớn sự phát triển thật sự của hệ thống vẫn là ở bên ngoài nước Mỹ do có các hệ thống hữu tuyến nhỏ hơn nhiều so với ở Mỹ Thật vậy, hãng Scientific Atlanta loan báo rằng họ đã bán được các bộ chuyển đổi MMDS ra nước ngoài nhiều hơn trong nước rất nhiều Trên thế giới (ngoài Hoa Kỳ) có khoảng 90 nhà cung cấp dịch vụ MMDS cung cấp cho khoảng 5 triệu thuê bao Ưu điểm rõ rệt nhất của MMDS là tương lai của MMDS gắn liền với tương lai của thông tin vô tuyến Sự chấp nhận của thị trường với điện thoại không dây (cordless phone) và điện thoại di động (cellular phone) đã tạo ra một tiền lệ đầy thuận tiện cho MMDS Những người bị hạn chế chỗ ở từ lâu được xem như là những tù nhân thì nay có thể có một tương lai thông tin hứa hẹn qua MMDS Mặt khác, dải thông vô tuyến và tốc độ truyền đã phát triển nhảy vọt và lan rộng Trên hầu hết các kênh MMDS đều đạt được tốc độ chiều downstream lên đến 54 Mbps (tuy nhiên thiết bị này lại khá mắc tiền)

Một ưu điểm nữa của MMDS là FCC đã đưa ra các giấy phép thu phát hai chiều là một điều kiện rất cần thiết vì việc thu phát hai chiều cần phải có máy phát sóng ở gia đình và điều này phải nằm trong tầm quản lý của FCC Tuy nhiên, nhược điểm quan trọng của MMDS là nếu MMDS không đem lại một dịch vụ hoàn toàn mới hay một giá cả thật mềm thì MMDS cũng chỉ là một chiêu dụ khách hàng Chính vì lý do này mà các thử nghiệm ban đầu của MMDS trên đất Mỹ đã gây thất vọng Cường độ tín hiệu rất thất thường ngay cả với các hệ thống được chăm sóc kỹ thuật chu đáo Một nhược điểm nữa của MMDS là với bước sóng của tín hiệu MMDS thì ngay cả vật cản như cây cối cũng có tác dụng như một bức tường đá nên phải thực hiện liên lạc tầm nhìn thẳng (line-of-sight) Điều này trên thực tế đã giới hạn nhiều vùng phủ sóng, đặc biệt là với các vùng có nhiều cây cối như miền đông bắc Hoa Kỳ chẳng hạn

Cuối cùng, MMDS sử dụng các hệ thống và công nghệ hoàn toàn mới nên chắc chắn phải cần có một khoảng thời gian để mạng ổn định và cũng cần phải đầu tư thêm nhiều tiền của Một ví dụ để so sánh là sau 15 năm dịch vụ điện thoại di động ở Hoa Kỳ vẫn chưa phải là phổ biến

f LMDS

Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt (Local Multipoint Distribution Service) là một hệ thống phân phối vô tuyến điểm đa điểm, đa tế bào hoạt động ở dải tần từ 27,5GHz đến 29,5GHz LMDS đôi lúc còn được gọi là "truyền hình cáp tế bào" ("cellular cable TV") được Bernard Bossard phát minh dưới giấy phép thực nghiệm của FCC Công ty Cellular Vision do ông sáng lập lúc đầu được sự hỗ trợ