Описание пpотокола V34 (Alexander Pask)
V.34: На пути к Шеннону

Долог путь до Типперэри...
(Английская солдатская песня)

Несмотря на достижения в области высокоскоростных цифровых систем
передачи данных, модемы для коммутируемых телефонных каналов сохраняют
свою привлекательность. Причины этого, а также некоторые сведения общего
характера по модемной проблематике рассматривались в статье "Модемные
протоколы физического уровня" (МПК #7-8,95). В этой статье был дан обзор
практически всех протоколов за исключением последнего, который в
заключении той статьи был охарактеризован как "революционный прорыв",
позволяющий приблизиться максимально близко к теоретическому пределу
Шеннона. И потому, говорилось там, тема эта достойна отдельной статьи.
Итак, рекомендация V.34 ITU-T - тема предлагаемой статьи.


1. История вопроса

Для решения проблемы создания высокоскоростного модема, скорость
которого приближалась бы к скорости базового канала цифровых систем (32,
40, 64 кбит/с), начиная с 1990 года были образованы различные
исследовательские группы под эгидой IТU-Т (тогда еще CCITT), IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers), а также внутри
ведущих компаний - разработчиков модемов, таких как: Motorola Inc., AT&T
Bell Laboratories, Racal-Datacom и др. Эти работы и положили начало
Рекомендации V.34.

Уже в 1991 году на страницах журналов появилась аббревиатура
"V.fast", обозначающая девиз разработки модема в рамках CCITT сначала на
скорость 24000, а потом и 28800 бит/с. Под лозунгом "V.fast" фирма
Rockwell International Corp. начала производство наборов БИС для
модемов, тиражируя еще несогласованные решения, но претендуя на роль
законодателя стандарта де-факто, названного "V.FC". К тому времени
заделы в области разработки высокоскоростных модемов ведущих компаний
позволяли производить устройства со скоростями выше 14400 бит/с. Так
появились модемы, которые помимо стандартных режимов имели возможность
работать на скоростях 16800 и 19200 бит/с, используя фирменные протоколы
ZyX, HST, V.32terbo, PEP. Надо заметить, что борьба на рынке
высокоскоростных модемов существенно затянула принятие рекомендации
V.34. Чрезмерное увлечение этой борьбой породило неразбериху между
рекомендациями ITU-T и торговыми марками, неизменно начинающимися с
префикса V. Фирмы-разработчики явно преуспели в стремлении сохранить
know-how и одновременно навязать свои подходы. Характерно, что
держателями патентов на различные технологии, вошедшие в рекомендацию
V.34, являются 17 компаний.

И все же, в феврале 1994 года появилась предварительная
рекомендация V.34, детальные спецификации были согласованы в начале
июня, а на заседании исследовательской комиссии ITU-T 20 сентября того
же года рекомендация была принята.


2. Формальные характеристики протокола

Для начала дадим полное название рекомендации V.34: "Модем,
обеспечивающий передачу данных со скоростями до 28800 бит/с для
использования на коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных
двухпроводных выделенных каналах телефонного типа".

2.1. Скорость

Скорость передачи данных выбирается из множества допустимых
значений в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с с шагом 2400 бит/с (всего 12
значений) и может меняться в ходе работы. При этом модуляционная
скорость, в отличие от ранних протоколов, не является фиксированной
величиной. Рекомендацией предусматривается шесть скоростей модуляции
(символьных скоростей), равных 2400, 2743, 2800, 3000, 3200 и 3429
символов/с (заметим, что в рекомендации V.34 не применяется понятие
"Бод", зато вводится понятие "символ/с", о чем будет сказано ниже).

Очевидно, что ключевым моментом, позволившим увеличить скорость,
является более полное использование той полосы частот, которую
предоставляет оборудование, образующее тракт связи. Однако для полосы
пропускания стандартного телефонного канала 3100 Гц (300 - 3400 Гц) две
последние символьные скорости являются "запредельными" (теорема
Найквиста). Благодаря ряду мер, заложенных в рекомендации, а также из-за
того, что характеристики фильтров каналообразующей аппаратуры не
являются идеальными, передача данных на таких скоростях все же возможна.
Хотя, справедливости ради, надо заметить, что вводя такие "запредельные"
скорости, создатели рекомендации расчитывали на устойчивую тенденцию
расширения доли систем передачи с ИКМ, где реальная полоса пропускания
телефонного канала может достигать 3500 Гц. К тому же, канал связи,
получающийся при установлении соединения через телефонную сеть общего
пользования в пределах города, чаще всего представляет собой соединение
ряда кабельных участков. Такой канал при наличии специальных средств
частотной коррекции также может обеспечить передачу сигнала с
расширенным спектром.

Тем не менее для канала, не допускающего расширения стандартной
полосы пропускания, допустимой символьной скоростью является 3000. На
этой скорости рекомендация V.34 позволяет устанавливать соединение с
информационной скоростью до 26400 бит/с. Но при этом помехозащищенность
такого соединения не будет оптимальной. В среднестатистическом смысле
можно говорить о том, что максимальная скорость на коммутируемом канале,
включающем несколько участков переприема, будет составлять 24000 бит/с,
что тоже не мало.

2.2. Модуляция

Казалось бы, достаточно сказать, что в рекомендации V.34
применяется все та же многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция с
решетчатым кодированием, что и в рекомендации V.32bis. И хотя это будет
правда, ограничиться этой констатацией никак нельзя. Прежде всего
потому, что вдвое увеличивается размерность кодируемого информационного
элемента. В предыдущих протоколах с квадратурной амплитудной модуляцией
информационный элемент был двумерным - амплитуда и фаза сигнала
характеризовала значение элемента. Но откуда же взяться еще двум
размерностям, если помимо амплитуды и фазы остается лишь одна физическая
характеристика сигнала, которую можно варьировать - частота? Однако
частотное модулирование несущего сигнала не применяется. Время - вот тот
параметр, который порождает еще два измерения информационного элемента.
Дело в том, что каждый кодируемый информационный элемент включает в себя
два последовательно передаваемых символа, представляющих собой
промодулированные по амплитуде и фазе сигналы.

Таким образом, в четырехмерном пространстве каждая точка
(информационный элемент) имеет четыре координаты и передается за два
символьных интервала. Всего в рекомендации представлено 50 различных
сигнальных созвездий (проекций), которые и обеспечивают работу на всех
скоростях. Переход к четырехмерным сигнально-кодовым конструкциям
позволил существенно увеличить общее число сигнальных точек, что дало
возможность поднять кодовую скорость (отношение числа информационных бит
к общему числу бит) без ухудшения помехоустойчивости. Это обусловлено
тем, что за один символьный интервал может передаваться от 1 до 9 бит,
т.е. точка в четырехмерном пространстве может кодировать сразу до 18
бит, но при формировании ее позиционного номера используется лишь один
избыточный бит решетчатого (trellis) кодера.

Что касается техники помехоустойчивого trellis-кодирования, в
рекомендации V.34 сделан значительный шаг вперед по сравнению с
предыдущими протоколами. Здесь используется сверточный код на 16, 32 и
64 состояния, в результате чего улучшается помехоустойчивость всей
системы сигналов, поскольку с увеличением числа состояний кодера растет
свободное евклидово расстояние между соседними путями на решетчатой
диаграмме. Но это, соответственно, ведет к увеличению задержки на
принятие решения.

Точно также как и символьная скорость, не является фиксированной и
значение частоты несущей. Она выбирается из ряда значений: 1600, 1646,
1680, 1800, 1829, 1867, 1920, 1959, 2000 Гц. Это дает модему возможность
использовать имеющуюся полосу частот с максимальной эффективностью.

2.3. Дуплекс

Идея адаптивной подстройки в процессе работы модема не могла не
отразиться и на дуплексности передачи. Действительно, в условиях
очевидной анизотропности телефонных каналов ("вы меня слышите, а я вас -
нет") во-первых, и реализованной в рекомендации V.34 множественности
значений параметров модуляции во-вторых, асимметричная передача -
естественное, но принципиально новое решение. При этом подразумевается,
что передача данных между двумя модемами, работающими по V.34, может
осуществляться не только с разными скоростями, но и на разных несущих
частотах, посредством разных сигнально-кодовых конструкций и т.д.

Кроме того, в стандарте предусмотрен режим полудуплексной работы.
Такая возможность предполагает взаимодействие модемов без схем
эхокомпенсации и, видимо, в будущем реализацию факсимильной передачи по
рекомендации V.34.

И, наконец, в рекомендации заложен дополнительный канал со
скоростью передачи 200 бит/с, который образован за счет временного
уплотнения и является информационно-независимым от основного канала.
Этот канал может быть использован как самим модемом для обмена служебной
информацией, так и оконечным оборудованием данных, и тогда он будет
называться вторичным каналом. Вторичный канал является асинхронным и,
видимо, основным его назначением станет функция менеджмента сети.


3. Адаптация как способ существования

Идея адаптивной подстройки под конкретные характеристики канала,
которая в предыдущих поколениях модемов реализуется лишь в приемной
части модема, в данной рекомендации обрела глобальный характер. Это
выражается в введении целого ряда новых технологий, позволяющих работать
с максимальной эффективностью на каналах любого качества.

Впервые в схему передатчика модема введен генератор колец,
способствующий синтезу выходного сигнала требуемой формы. Дело в том,
что при квадратурной амплитудной модуляции с большим числом точек в
сигнальном пространстве диапазон возможных амплитуд сигналов довольно
велик. Это может приводить к статистической зависимости между
передаваемой информацией и уровнем сигнала на выходе, т.е. возможна
ситуация, при которой выходная последовательность данных должна будет
кодироваться сигналами малой амплитуды на протяжении длительного времени
(кодер "заблудится" в сигнальном пространстве среди точек с малой
амплитудой), что может интерпретироваться удаленной стороной как провал
мощности сигнала. С другой стороны, это может приводить к формированию
сигнала с большим пик-фактором (отношением пикового значением мощности к
среднему), что ухудшает общие характеристики системы. Для решения этой
задачи в рекомендации предложено специальное предкодирование, при
котором двухмерное созвездие разбивается на концентрические кольца,
содержащие равное число сигнальных точек с одинаковой или близкой
амплитудой, а специальные преобразования позволяют получить требуемый
закон распределения для чередования колец.

Одной из интересных технологий, нашедших отражение в рекомендации
V.34, является амплитудно-фазовая предкоррекция сигнала передатчика для
устранения межсимвольной интерференции. Эта мягкая предкоррекция со
спектральными предискажениями представляет собой решение, позволяющее
получить выигрыш более 3.5 дБ в соотношении сигнал/шум по сравнению с
применявшейся в V.32 линейной коррекцией. Предискажения на передаче
вводятся при помощи цифрового фильтра третьего порядка с комплексными
коэффициентами, которые пересылаются от удаленного модема на этапе
вхождения в связь. Таким образом, сигнал передатчика имеет искажения,
обратные тем, которые он приобретает при прохождении по каналу, и за
счет этого существенно облегчается задача адаптивного корректора на
приемной стороне.

Кроме того, в рекомендации заложена возможность выбора одного из 11
заранее оговоренных шаблонов для спектра сигнала передатчика. Эти
шаблоны предполагают подъем высокочастотных составляющих спектра, что
должно скомпенсировать искажения, вносимые абонентскими и
соединительными линиями.

Другим немаловажным фактором, обеспечивающим устойчивую работу
модема, в первую очередь по каналам с ИКМ, стало введение в передаваемый
сигнал нелинейных предискажений. Это позволяет частично скомпенсировать
остаточные специфические нелинейные искажения сигнала, вносимые
аппаратурой ИКМ. Предискажения приводят к неоднородной трансформации
сигнального пространства, увеличивая защищенность периферийных точек.

Новинкой стало введение иерархической кадровой структуры уже на
физическом уровне: сигнальные кадры, каждый из которых включает четыре
четырехмерных информационных элемента (8 символов), объединяются в кадры
данных, которые в свою очередь составляют суперкадр. Последний имеет
фиксированную длительность - 280 мс, что и определяет длительность всего
цикла. Как следствие, в систему введены средства для поддержания
синхронизации по кадрам.

Серьезное внимание уделено процедуре вхождения в связь, которая
состоит из четырех фаз. Первая фаза - установление соединения согласно
рекомендациям V.25 и V.8, при которой модемы выбирают рекомендацию ITU-T
серии V, реализованную в обоих модемах. Если оба модема поддерживают
V.34, то они переходят ко второй фазе, в ходе которой производится
опробирование и классификация канала связи. Третья и четвертая фазы
служат для обучения адаптивного корректора, эхокомпенсатора и других
систем приемника модема.

Процедура адаптации к каналу связи после установления соединения
начинается с того, что передатчик модема посылает в линию специальный
зондирующий сигнал, который представляет собой последовательность из 21
гармонического колебания разных частот в диапазоне от 150 до 3750 Гц.
Приемник удаленного модема при помощи этого сигнала осуществляет расчет
частотной характеристики канала связи, степени нелинейных искажений,
сдвига частот и других характеристик канала. В соответствии с этим
выбирается номинальная символьная скорость, значение несущей частоты,
уровень передачи, номер шаблона и коэффициенты предкорректора, скорость
передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип
сигнально-кодовой конструкции, параметр нелинейного кодера и другая
информация о желаемой конфигурации удаленного передатчика. Аналогичная
процедура осуществляется и в противоположном направлении. Затем оба
модема одновременно обмениваются этими установками, передавая их со
скоростью 600 бит/с при помощи относительной фазовой модуляции в
частотно-разделенных каналах на несущих 1200 и 2400 Гц (этот обмен
подозрительно напоминает режим 600 бит/с рекомендации V.22). Эта
информация защищена от ошибок циклическим кодом, аналогично тому, как
это делается в рекомендации V.42.


4. Подводя итог

Доминирующим принципом V.34 по праву является системный подход к
проблеме помехоустойчивости. Все перечисленные аспекты увязаны воедино и
представляют собой симбиоз передовых технологий, органично вобравший в
себя последние достижения теории и практики передачи данных. На рисунке
показано место рекомендации V.34 на фоне теоретического предела Шеннона
для канала с полосой 3100 Гц. Для сравнения точками показаны
потенциальные характеристики помехоустойчивости других рекомендаций
ITU-T. Необходимо уточнить, что абсолютные значения соотношения
сигнал/шум SNR носят оценочный характер и соответствуют вероятности
ошибочного приема порядка 10**(-4).

В заключение, хотелось бы несколько слов сказать о конкретных
реализациях V.34, т.е. собственно о модемах.

К моменту принятия рекомендации практически все ведущие компании
уже выпустили на рынок модемы, имеющие в своих сериях "магические" числа
28 и 34. Многие принципиальные положения рекомендации в них
рассматривались как факультативные, т.к. реализуемость той или иной
функции часто определялась ресурсами той аппаратной платформы, на
которую делала ставку фирма-разработчик. Кроме того, четко выявилось
стремление производителей дешевых модемов идти на поводу у пользователей
ПК, которые глядят на модем через асинхронный последовательный порт, и
для них возможности V.34 в полном объеме так никогда и не будут
доступны. Наконец, выпячивание в рекламных целях модных сервисных
функций, не имеющих отношения к рекомендации, таких как, защита от
несанкционированного доступа, речевые функции и пр., порой проходит на
фоне пренебрежения требований рекомендации. Более того, сейчас
складывается ситуация, когда можно вести речь о дискредитации самой
рекомендации V.34, поскольку порой один и тот же модем работает по
V.32bis лучше, чем по V.34. И хотя причина такого странного, на первый
взгляд, поведения весьма проста, внешне это выглядит очень грустно. Все
дело в том, что реализация всех требований рекомендации требует
увеличения на порядок производительности сигнального процессора модема,
а это влечет за собой полную переработку всех схемотехнических решений и
программного обеспечения. Столь решительный шаг могут позволить себе
далеко не все производители модемов, отсюда и невысокое качество ряда
изделий.

В ближайшем будущем все эти трудности роста и другие проблемы
переходного периода, куда входят и вопросы взаимодействия модемов разных
фирм, конечно же будут решены. Да и самой рекомендации V.34 предстоит
длительный путь развития и совершенствования. А между тем, в марте
этого, 1996 года на заседании комиссии ITU-T (на Гавайях) ожидается
принятие предварительной рекомендации V.34bis...

Александр Пасковатый, Павел Смирнов
НПП "Аналитик ТС"
тел/факс: (095) 490-0713/0799
pask@analytic.msk.ru
2:5020/200.12
----------------
Мир ПК. #4, 1996 г.