Развитие модемных технологий для передачи данных по коммутируемому каналу за последние два десятка лет проделало огромный путь. Если принять за критерий только скоростные характеристики модемов, что является наиболее важным для конечного пользователя, то произошло их увеличение на порядок. Достигнутая скорость 56К является теоретическим пределом передачи данных по жестко ограниченному коммутируемому каналу, причем только в направлении передачи от провайдера, имеющего цифровой модем, к клиенту. Но такое положение вещей было достигнуто еще несколько лет назад с появлением революционного протокола V.90. Какого развития в этой области можно ожидать дальше? Логично предположить, что если в скорости стремиться некуда, то следует развивать дополнительные сервисные возможности. Так, следствием развития рекомендации V.90 стала рекомендация V.92 Международной организации стандартизации в области связи (ITU-T), о современных реализациях которой и пойдет речь в этой статье.
Рекомендация V.92 определяет взаимодействие между двумя различными модемами, один из которых цифровой (на стороне провайдера), а другой — аналоговый (на стороне клиента). Принципиальные характеристики этих модемов следующие:
- дуплексный режим передачи данных;
- PCM-модуляция в обоих направлениях передачи данных на символьной скорости 8000;
- передача данных по синхронному каналу в сторону от цифрового модема к аналоговому модему на скоростях от 28000 бит/c до 56000 бит/c (с шагом 8000 бит/c);
- передача данных по синхронному каналу в сторону от аналогового модема к цифровому модему на скоростях от 24000 бит/c до 48000 бит/c (с шагом 8000 бит/c);
- разделение направления передачи (дуплекс) методом эхо-компенсации в аналоговом модеме;
- адаптивные методы, позволяющие достигать близкие к максимальным значения скоростей на каждом конкретном канале связи;
- установка соединения на протоколе V.34, если канал не поддерживает PCM-модуляцию;
- использование рекомендации V.8 (опционально V.8bis) для осуществления настроечной комбинации;
- уменьшение времени на процедуру соединения (Quick Connect);
- поддержка процедуры Modem-on-Hold после поступления «звонка вторжения» (CallWaiting).
Что же следует отметить из новых функций модема, поддерживаемых протоколом V.92? По большому счету, это три новых полезных свойства: уменьшение времени соединения (Quick Connect), увеличение скорости в сторону от клиента к провайдеру (PCM-upstream) и удержание соединения с Интернетом во время вторичного звонка (Modem-On-Hold). Но что из этого будет иметь обычный пользователь в непростых условиях, и при существующем положении дел в области телефонной связи в России?
Для того чтобы получить преимущества от использования протокола V.92 необходимо соблюсти следующие условия:
- иметь модем, поддерживающий протокол V.92;
- быть абонентом цифровой АТС с включенной функцией дополнительного вида обслуживания «Уведомление о входящем вызове»;
- ваш провайдер должен поддерживать протокол V.92;
- на вашем компьютере должна быть запущена программа для обработки вторичных звонков (например, Internet Call Notification для модемов U.S.Robotics).
Если хотя бы одно из этих условий не соблюдается — функции V.92, о которых пойдет речь ниже, будут недоступны.
Почему это стало возможным, или краткий экскурс в историю
На ранних этапах развития модемных технологий перед разработчиками стояли более прозаичные задачи. Как осуществить передачу единичного импульса? На первый взгляд, ничего сложного в этом нет — подсоединить COM-порты компьютеров к телефонной линии, каким-либо образом скоммутировать соединение и передавать данные. Но проблема в том, что на выходе COM-порта мы имеем сигнал прямоугольной формы (обладающий бесконечным спектром), а коммутируемый канал имеет ограниченную полосу пропускания от 300 до 3400 Гц. Таким образом, основная часть спектра прямоугольного сигнала, не попадающая в эту полосу, будет потеряна — сигнал исказится до неузнаваемости. Единственный выход — передавать некий сигнал, который будет обладать ограниченным спектром, но в то же время его можно было бы однозначно идентифицировать на принимающей стороне (а это не просто — как известно, сигнал с ограниченным спектром обладает бесконечной длительностью, и в этом случае скорость передачи данных будет равна нулю). Или же следует найти такой сигнал, который можно будет выделить в приемном устройстве в череде наложенных друг на друга последовательных сигналов. Именно такой сигнал был предложен Г. Найквистом (Harry Nyquist). Это сигнал специальной формы, обладающий замечательным свойством — в каждом сигнале есть множество точек по оси времени, следующих со строго предопределённым интервалом между собой, где мгновенные значения сигнала равны нулю, а в одной, и только в одной из этих точек, наоборот, мгновенное значение сигнала достигает максимального значения (Рис. 1, точка 0).
Рис. 1
Таким образом, сигналы Найквиста можно передавать один за другим с определенным постоянным интервалом Т. А на стороне приемника, соответственно, принимать их с таким же интервалом. Мгновенные значения сигналов, которые передавались раньше, или которые будут передаваться позже, равны нулю в этой временной точке («0» на Рис. 1), поэтому никаких взаимных влияний между передаваемыми сигналами не существует, несмотря на то, что они передаются один за другим с взаимным перекрытием (Рис. 2).
Рис. 2.
Сигналы, предложенные Найквистом, получили название селективных сигналов. Согласно теории Найквиста, для канала с полосой пропускания от 0 Гц до F Гц можно найти селективный сигнал, обеспечивающий передачу двоичных сигналов без взаимных влияний со скоростью 2F бит/с. Иными словами, в канале, имеющего полосу пропускания от 0Гц до 3100 Гц (так называемый базовый канал, или базовая полоса частот — эквивалент по ширине полосы пропускания телефонного канала) можно передавать двоичные данные со скоростью 6200 бит/с, используя селективные сигналы. Спектр любого случайного (по знаку) сигнала такого потока никогда не будет выходить за пределы 3100 Гц.
Все вышесказанное стало ключевой идеей передачи цифрового сигнала, на базе этого были созданы различные протоколы модуляции несущей частоты для переноса полезного сигнала в данную нам полосу пропускания. Все усилия были направлены на «борьбу» с каналами, имеющими место шумами, перекосами амплитудно-частотной характеристики и т.д. Для увеличения скорости передачи стали использовать квадратурно-амплитудную модуляцию двух ортогональных несущих. Кроме того, абонентская линия, как известно, двухпроводная, поэтому возникает сложность передачи информации в двух направлениях. Эта задача была решена методом эхокомпенсации (подавляется собственный излучаемый модемом сигнал для выделения входящего сигнала).
Параллельно велись работы по созданию протоколов коррекции ошибок и сжатия данных, что в конечном итоге завершилось созданием протокола V.34bis для передачи данных на скоростях до 33600 бит/c Это предельное значение скорости в данной ограниченной полосе частот при допустимом уровне передачи сигнала и уровне шумов, теоретически определенное теоремой Шеннона.
Но вместе с тем шло развитие и модернизация каналов связи. Долгое время межстанционные связи между АТС были организованы по принципу частотного разделения. То есть канал с большой полосой пропускания с помощью фильтров разделялся на подканалы шириной 4 кГц, по каждому из которых шел обмен между АТС. К недостаткам получившегося канала нужно отнести рост шума в каждом канале с увеличением длины, взаимное влияние соседних каналов в одном кабеле, а также сильные частотные искажения, вносимые в сигнал разделительными фильтрами. Можно себе представить, с чем приходилось «бороться» разработчикам модемов и как сложно было в таких условиях добиться увеличения скорости.
На смену каналам с частотным разделением (аналоговым) пришли каналы с временным разделением (цифровые). При временном разделении каналов по линии связи передаются двоичные сигналы, а при фиксации сигнала на принимающей стороне применяют пороговое решение, таким образом влияние помех минимизируется (если помеха меньше порога). Таким образом была значительно увеличена помехоустойчивость межстанционных связей, что впоследствии оказало значительное влияние в развитии модемных технологий, и позволило реализовать протокол V.90. Это стало возможным за счет исключения одного аналого-цифрового преобразования (то есть, исключается шум квантования) на пути сигнала от провайдера к клиенту за счет того, что провайдер использует цифровой модем, соединенный с АТС цифровым потоком.
Таким образом, появление нового протокола V.90 связано с исключением шума квантования на пути сигнала от провайдера к клиенту, и улучшением качества коммутируемых каналов. Он обладает меньшей помехоустойчивостью по сравнению с предшествующим ему протоколом V.34. Но идейная реализация его более проста, и идеально вписывается в существующие реалии в области коммутируемых каналов связи.
Кроме того, стали постепенно меняться и сами АТС. На смену декадно-шаговым и координатным АТС пришли электронные. Кроме надежной системы коммутации электронные АТС имеют большой набор сервисных функций, таких как тональный набор номера, организация речевого почтового ящика, уведомление о входящем вызове. Наибольший интерес, конечно же, представляет последняя функция.
Значительную роль в реализации вышеназванных сервисных функций играет электронная АТС с дополнительными видами обслуживания. Модему необходимо только детектировать соответствующий сигнал от станции (сигнал поступления вторичного вызова), отличив его от помехи, после чего выполнить процедуры, составляющие суть функции, которая будет описана ниже.
Одна из первых попыток использовать это свойство электронных АТС была предпринята фирмой Zoom в реализации модемов Zoom CallWaiting Modem V.90. Как можно заметить — в названии модема не присутствует код V.92, модем был создан в соответствии с рекомендацией V.90 с небольшим добавлением, а именно — детектированием сигнала вторичного звонка от АТС. После обнаружения сигнала пользователю предлагался выбор: немедленно отключится от Интернета и переключиться на входящий звонок, либо игнорировать вторичный вызов и продолжить работу в Интернете.
Рекомендация V.92 стала развитием протокола V.90, а документ, подготовленный ITU-T в 2000 году имеет в своем названии дополнение «Enhancements to Recommendation V.90», что можно перевести как «добавление, расширение рекомендации V.90».
Quick Connect
Как известно, при работе на коммутируемом канале связи пользователь в первую очередь должен инициировать соединение с модемом провайдера. После набора номера, два модема начинают процесс так называемой настроечной комбинации (в английской терминологии это называется Hand Shaking, и дословно переводится как «рукопожатие»). В течении этого процесса модемы оценивают характеристики установившегося канала связи, в частности, соотношение «сигнал/шум» и амплитудно-частотную характеристику, производится тренировка систем автоматического регулирования уровней (АРУ) и прочее. На основании полученных данных адаптивный алгоритм модема принимает решение о том, на каком протоколе и с какими скоростями будет вестись передача данных.
Таким образом, модемы выполняют ряд стандартных операций каждый раз при вхождении в связь. Конечно, это требует некоторого времени (порядка 25-30 секунд), в течении которого модем не передает никакой полезной для владельца информации, и тем самым вызывает у многих пользователей недовольство вынужденным ожиданием начала работы в Интернете. Возникает вопрос: «Зачем каждый раз оценивать одни и те же параметры канала связи, если мы имеем дело с устойчивым каналом, который не меняет свои параметры в течении времени?». Установившийся канал связи действительно может обладать стационарными параметрами. Цифровой модем провайдера подключен к своей АТС цифровым каналом, межстанционные связи также построены по принципу временного разделения (это необходимые условия для работы протокола V.90), т. е., после каждого набора номера будут создаваться фактически идентичные коммутируемые каналы. «Узким местом» является только участок от Вашей АТС до Вашего модема, который наиболее подвержен внешнему взаимодействию и межканальному влиянию в кабелях. Если качество этой части канала будет также высоким, то можно говорить о том, что мы имеем дело с устойчивым каналом, который не меняет свои параметры в течении времени. А модем каждый раз в результате «замера» некоторого параметра такого канала связи получает результат, весьма близкий или даже равный результату «замеров» предыдущего сеанса связи. Можно просто запомнить в памяти модема некоторые параметры настроечной комбинации предыдущего соединения, и в следующий раз использовать их, не проводя «замеров». Эта идея нашла реализацию при создании нового протокола, основанного на рекомендации V.92 и получила название «Quick Connect», что можно перевести как «ускоренная установка соединения».
В настоящее время модем, способный работать на протоколе V.92 с включенной функцией ускоренной установки соединения может осуществлять настроечную комбинацию в два раза быстрее, так как при этом опускаются некоторые фазы привычного процесса «рукопожатия». Эта решение, кроме ускорения первичного вхождения в связь, применено также в другой функции этого протокола, а именно, в Modem-on-Hold, но об этом будет рассказано ниже.
В теории все выглядит очень красиво и логично — решение как бы напрашивалось само собой, и оно было реализовано. Но в самом начале, на этапе постановки вопроса был один момент, который перечеркивает это достижение для многих российских пользователей — присутствие устойчивого канала, который не меняет свои параметры в течении долгого времени. Даже при наличии цифровой АТС к конечному пользователю приходит обычная медная пара, которая подвержена взаимному влиянию других пар в многожильном кабеле, проложенном от вашего подъезда до АТС несколько десятков лет назад. К этому можно добавить и присутствие импульсных помех различного происхождения. Все это негативно сказывается на состоянии канала связи. Нетрудно догадаться, что модем с включенной функцией ускоренного соединения, используя параметры предыдущего соединения, просто не войдет в связь на уже изменившемся канале. Таким образом, функция Quick Connect актуальна только при наличии качественной «последней мили» от АТС до модема.
Modem-on-Hold
Это, пожалуй, самая интересная и полезная функция, которая реализована в модемах с V.92. При ее наличии можно подолгу занимать телефонную линию для работы в Интернете, не рискуя пропустить важный входящий звонок по телефону. При поступлении вторичного вызова пользователь просто увидит на экране сообщение о том, что в данный момент кто-то хочет с ним пообщаться. Вам остается только решить — принять этот вызов, либо отказаться и продолжить работу в Интернете. Самое примечательное, что в случае принятия вторичного вызова приостанавливается передача данных из Интернета, но соединение с провайдером не разрывается, а как бы «замораживается» на определенное время (порядка 3-4 минут, это определяется провайдером) и в это время вы можете спокойно общаться с со своим оппонентом по телефону. До окончания установленного времени пользователь должен принять решение о прекращении разговора — в противном случае соединение с Интернетом будет разорвано по инициативе провайдера. Остановимся детально на том, как это реализуется.
Предположим, что произошло соединение на протоколе V.92 клиентского модема с цифровым модемом провайдера, также поддерживающем этот стандарт. В некоторый момент сеанса связи поступает вторичный звонок. Он представляет из себя фактически помеху — синусоидальный сигнал на частоте 425 Гц длительностью 200 миллисекунд. Клиентский модем детектирует этот сигнал, принимается решение инициировать процедуру Modem-on-Hold. Начало этой процедуры весьма напоминает процедуру пересогласования двух модемов, так называемый «ретрейн»— обычная реакция модема на помехи в канале связи, которые он не может скорректировать системой коррекции от ошибок. Это выглядит естественно — ведь мы имеем помеху на частоте 425 Гц. Клиентский модем выдает в линию сигнал RT, который из себя представляет синусоидальный сигнал «Tone A» на частоте 1200 Гц (см. рис 3).
Рис. 3
Цифровой модем провайдера детектирует этот сигнал, приостанавливает передачу данных и в ответ выдает сигнал «Tone B», но только на частоте 2400 Гц. В свою очередь, клиентский модем после детектирования ответного «Tone B», вместо выполнения стандартных фаз пересогласования подает запрос «MHreq» о возможности реализации процедуры Modem-On-Hold провайдерскому модему в виде 40-битной специальной информационной последовательности (INFO-последовательности) на скорости 600 бит в секунду с применением фазовой модуляции. В ответ на запрос «MHreq», клиентский модем ожидает от провайдерского подтверждение о возможности выхода в Modem-on-Hold — INFO-последовательность «MHack». Получив его, модем инициирует переключение на вторичный звонок путем кратковременного разрыва линии на ~80 миллисекунд (flash). Модем провайдера переходит в режим ожидания начала настроечной комбинации. Если же клиентский модем вместо подтверждения возможности «MHack». получает пакет «MHnack», что означает невозможность осуществления функции Modem-on-Hold, он передает пакет «MHfrr», в ответ на который провайдерский модем инициирует пересогласование модемов для восстановления режима передачи данных (рис 4). Происходит это посредством уже известной функции Quick Connect, для того, чтобы уменьшить время вхождения в связь. Действительно, в данном случае очень уместно применить именно ускоренное вхождение в связь без избыточной оценки параметров канала, так как канал связи разорван не был, а всего лишь произошла приостановка сеанса связи с провайдером.
Рис. 4
Что делает программа ICN?
В предыдущей главе было подробно описано вхождение модема в режим Modem-on-Hold на уровне сигналов. Опишем работу функции на уровне пользователя на примере работы с программой Inernet Call Notification (ICN) для модемов U.S.Robotics.
Рис. 5
Предположим, что модем соединился на протоколе V.92 и во время сеанса связи поступил вторичный звонок. Модем инициировал так называемый «Ring Impulse» — на интерфейсной цепи 125 состояние логической единицы, который и ожидает программа ICN для начала своей работы. Осуществляется перевод модема в командный режим без разрыва связи (то есть фактически подается стандартная Escape-последовательность «+++»). В этом режиме ICN в первую очередь запрашивает у модема два параметра: идентификатор звонящего (CallerID) и время, на которое модем может перейти в режим Modem-on-Hold (определяется сервером доступа Интернет-провайдера и обычно составляет порядка 3-4 минут). Пользователь видит номер звонящего (Рис. 5) и в течение 15 секунд ему необходимо принять решение об ответе на вторичный вызов (кнопка «Ответ») либо отказаться от приема звонка и вернуться к передаче данных (кнопка «Отказ»). Нужно заметить, что номер звонящего пользователь увидит только в том случае, если данная функция поддерживается и включена на электронной АТС, абонентом которой он является. В противном случае номер не будет определен.
Если пользователь подтверждает принятие вторичного вызова кнопкой «Ответ», то инициируется процедура подтверждения звонка (Рис. 6) — модем получает соответствующую команду, после которой он выполняет кратковременный разрыв линии (flash). Пользователю предлагается поднять трубку на параллельном телефонном аппарате и начать разговор (Рис. 7). Поднять трубку необходимо в течении четырех секунд. Если трубка снята слишком поздно, ответ на вызов будет невозможен, и автоматически восстановится сеанс в Интернете. Если же снять трубку до нажатия кнопки «Ответ», то линия не успеет переключиться на входящий вызов.
 |  |
| Рис. 6 | Рис. 7 |
В случае, когда пользователь ответил на телефонный звонок, модемы пользователя и провайдера переходят в режим ожидания на время, определяемое провайдером Интернет-услуг. Во время разговора пользователь будет видеть в окне (Рис. 8) оставшееся время, в течении которого можно будет восстановить сеанс связи, нажав кнопку «Возврат». Кроме того, пользователь может решить, надо ли разрывать соединение с Интернетом (кнопка «Разорвать») если предполагается долгий разговор по телефону — в этом случае можно сэкономить на оплате времени нахождения в онлайне (так как модем, находящийся в режиме ожидания, обсчитывается системой биллинга провайдера точно так же, как и в обычном режиме передачи данных). Если же пользователь не осуществит возврат в сеанс связи Интернет в течение отведенного времени, Интернет-соединение будет разорвано автоматически. Пользователь при этом увидит предупреждение (Рис. 9).
 |  |
| Рис. 8 | Рис. 9 |
В случае, если пользователь решит восстановить Интернет-соединение до истечения времени тайм-аута и нажмет кнопку «Возврат» действия будут развиваться следующим образом: программа предложит повесить трубку на телефонном аппарате (это следует сделать в течении четырех секунд — см. Рис. 10), после чего модем переключит линию и начнется (Рис. 11) ускоренное восстановление сеанса связи (Quick Connect).
 |  |
| Рис. 10 | Рис. 11 |
Нужно заметить, что повесить трубку телефонного аппарата следует только после нажатия кнопки «Возврат» — в противном случае модем не сможет переключится на Интернет-соединение, так как соответствующая процедура попросту не будет запущена.
Автор выражает благодарность Минкину Эдуарду Борисовичу за ценные советы и помощь в написании статьи.
