Modeemien kehitys ja nykytilann

9.4.1999

Tero Kilkanen
Sähkö
Teknillinen Korkeakoulu
kilkanen@iki.fi

Tiivistelmä

Modeemien kehityksen historia on kirjava. Kehityksen kärjessä ovat lähes aina olleet valmistajakohtaiset ratkaisut, jotka ovat myöhemmin syrjäytyneet standardiratkaisujen tieltä. Modeemien historian alkuaikoina, kun nopeudet olivat 300-1200 bps, USA käytti omia standardejaan ja muu maailma käytti CCITT:n standardeja. Uusien standardien myötä modeemien huippunopeuksia on saatu kasvatettua, ja puhelinverkon rajattua kaistaa hyödynnettyä entistä paremmin. Ensimmäisten modeemien huippunopeus oli 300 bps, nykyisin huippunopeus on 56000 bps. Pelkkä modeemiteknologian kehittyminen ei ole riittänyt nopeuksien kasvattamiseen, myös puhelinverkon laadun parantaminen on mahdollistanut suuremmat yhteysnopeudet.


1 Johdanto

Valintaisen puhelinverkon modeemien ensimmäinen virallinen CCITT-suositus, v.21, ilmestyi vuonna 1964 [1]. Tämän jälkeen CCITT/ITU-T on julkaissut modeemistandardit v.22, v.22bis, v.23, v.32, v.32bis, v.34 ja v.90. Selvä rajapyykki näissä on v.32, jolloin modeemeihin lisättiin virheenkorjaus, jolloin tietokoneen DTE-nopeus ei ollut enää yhtä suuri yhteysnopeuden kanssa. Myös modulaatiotekniikka on huomattavasti monimutkaisempaa v.32:ssa ja sen jälkeisissä suosituksissa. CCITT:n / ITU-T:n rinnalla valmistajakohtaisia ratkaisuja ovat kehittäneet mm. Rockwell, USR ja Telebit.

2 ITU-T Suositus v.21

V.21-suosituksen mukaisen modeemin suurin linjanopeus on 300 bps. V.21-modeemi käyttää FSK (Frequency Shift Keying) modulaatiolla kahdella erillisellä taajuuskaistalla, joiden leveydet ovat 300 Hz [1].

3 ITU-T Suositus v.22

V.22-suositus hyväksyttiin vuonna 1980. V.22-suosituksen mukaisen modeemin nopeus on 1200 bps. V.22 käyttää 4-DPSK, eli nelitasoista vaihekoodausta. V.22 käyttää kahta taajuuskaistaa kuten v.21, 1200 Hz keskitaajuudella olevaa alakanavaa ja 2400 Hz keskitaajuudella olevaa yläkanavaa. Molempien kaistojen leveys on 600 Hz. Yhtä jaksoa kohden koodataan kaksi bittiä. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää vaihekoodausta, jolloin koodataan yksi bitti jaksoa kohden. Tällöin yhteysnopeus on 600 bps[2].

4 ITU-T Suositus v.22bis

V.22bis-suositus hyväksyttiin vuonna 1984. V.22bis-modeemin nopeus on 2400 bps. V.22bis käyttää 16-tasoista QAM-koodausta, eli sekä kantoaallon vaihetta että amplitudia moduloidaan. V.22bis-suosituksen kantoaallot ovat samassa paikassa kuin v.22-suosituksessa. QAM-koodauksella saadaan yhtä jaksoa kohden koodattua 4 bittiä, jolloin nopeus on 2400 bps. Vaihtoehtoisesti voidaan koodata 2 bittiä jaksoa kohden, kuten v.22:ssa, jolloin nopeus on 1200 bps[3].

5 ITU-T Suositus v.23

V.23-suositus hyväksyttiin vuonna 1964. Se on asymmetrinen modeemisuositus, nopeus lähettäjältä vastaanottajalle on 1200/600 bps, ja vastaanottajalta lähettäjälle 75 bps[4]. V.23-suositusta käytettiin Videotex-palvelussa, joka ei suomessa koskaan menestynyt kovin hyvin. Sen sijaan Ranskassa vastaava palvelu, Minitel, on yhä melko laajassa käytössä. Täten v.23-suosituksen mukaiset modeemit ovat edelleen monin paikoin käytössä.

6 ITU-T Suositus v.32

V.32-suosituksen myötä modeemien tekniikalle asetettiin aivan uudet vaatimukset. 9600 bps full-duplex nopeuden saavuttaminen taajuusjakoisuudella oli mahdotonta suosituksen määrittelemisen aikaan. Määrittelyyn otettiin mukaan kaiunpoisto, jolloin erillisten taajuuskaistojen tarve lähettävälle ja vastaanottavalle päälle poistui. V.32 käyttää 16-tasoista QAM-koodausta 2400 Hz taajuuskaistalla, jonka keskitaajuus on 1800 Hz. Yhtä jaksoa kohden koodataan 4 bittiä dataa. V.32:ssa otettiin käyttöön myös ns. fallback-nopeus, jolloin yhteyden nopeus voidaan laskea 4800 bps:ään, jos yhteydessä havaitaan liikaa häiriöitä. V.32:n myötä modeemeihin lisättiin myös virheenkorjaus ja datan pakkaus. Aluksi yleisessä käytössä oli Microcomin MNP-protokollasto virheenkorjauksessa ja datan pakkauksessa. Myöhemmin ITU-T määritteli oman v.42 suosituksen virheenkorjaukseen ja v.42bis suosituksen datan pakkaukseen.

7 ITU-T Suositus v.32bis

V.32bis-suositus on melko suoraviivainen laajennus v.32-suositukseen. Suurin yhteysnopeus nostettiin 14400 bps:ään, ja fallback-nopeuksiin lisättiin nopeudet 7200 bps ja 12000 bps. Nopeuden nosto saavutettiin koodaamalla 6 bittiä yhteen jaksoon. V.32bis-modeemeissa virheenkorjaukseen käytetään pääsääntöisesti v.42 suositusta ja datanpakkaukseen v.42bis'iä.

8 Valmistajakohtaiset ratkaisut ja laajennukset v.32bis-suositukseen

V.32-suositukseen perustuvien modeemien suosio ei ollut kovin suuri, modeemien kohtalaisen kalliista hinnasta johtuen. Tämän takia valmistajakohtaiset ratkaisut saivat suosiota 9600 bps-ratkaisuista.

USR:n asymmetrinen HST (High Speed Technology) oli alun perin 9600/300 bps, nykyisin 16800/300 bps nopeudella toimiva modeemi. HST oli edullinen modeemiratkaisu, koska se ei käyttänyt v.32:n kaiunpoistotekniikkaan, vaan eri suuntien kanavat on eroteltu taajuusjakoisesti. HST-protokolla osaa vaihtaa lähetyssuuntaa älykkäästi sen mukaan, kumpi puoli lähettää enemmän dataa. HST on edelleenkin erittäin toimiva protokolla erittäin häiriöisten yhteyksien kanssa, kuten NMT-mobiiliyhteyksissä.

Toinen varteenotettava kilpailija v.32:lle oli Telebitin PEP (Packet Ensemble Protocol), jonka nopeus oli myös 9600 bps. PEP perustuu monen kantoaallon tekniikkaan, ja kutakin kantoaaltoa moduloidaan kapealla kaistalla. Näistä kantoaalloista valitaan parhaimmat, ja käytetään niitä datan siirtoon. Tällöin vältetään huonojen taajuuskaistojen aiheuttamat häiriöt.

V.32bis-modeemin jälkeen modeemitekniikka kehittyi edelleen, ja ITU-T alkoi kehittää v.Fast-työnimellä 28800 bps modeemitekniikkaa. Modeemivalmistajat eivät kuitenkaan jaksaneet odottaa v.Fastin valmistumista, vaan kehittivät omia laajennuksiaan v.32bis-suositukseen. Näistä v.32terbo-protokollaa ehdotettiin ITU-T suositukseksi v.32ter, mutta ITU-T ei hyväksynyt ehdotusta.

V.32terbo-modeemin yhteysnopeus on 19200 bps. V.32bis-suositusta laajennettiin suoraviivaisesti niin, että yhtä jaksoa kohden koodataan 8 bittiä. V.32terbon nopeus ei riittänyt USR:lle, joka teki protokollaan oman laajennuksensa, joka nosti yhteysnopeuden 21600 bps:ään. Lisäksi USR nopeutti modeemien alkukättelyä, sekä nopeuden uudelleenneuvottelua yhteyden aikana. USR:n laajennuksessa nopeuden ei tarvinnut olla symmetrinen molempiin suuntiin; Nopeus voidaan valita eri suureksi lähettäjältä vastaanottajalle, kuin vastaanottajalta lähettäjälle. Tällöin pystytään hyödyntämään yhteys mahdollisimman hyvin.[4]

9 ITU-T Suositus v.34

Monen vuoden työn jälkeen ITU-T sai valmiiksi v.Fast, myös v.Lastiksi kutsutun, -projektin, ja tuloksena syntyi v.34-suositus vuonna 1994. v.Lastiksi suositusta kutsuttiin sen takia, että suositus ottaa kaiken irti mitä analogisesta puhelinverkosta saa. v.34 on tarkoitettu korvaamaan kaikki aikaisemmat ITU-T:n modeemisuositukset, ja sen takia v.34:n nopeusskaala on 2400-28800 bps. Myöhemmin suositusta laajennettiin nopeuteen 33600 bps asti. V.34 käyttää QAM-modulaatiota.

Mahdollisia taajuuskaistoja on useita, sekä modulaatioiden tasoja. Tehokkain modulaatio on 64-tasoinan QAM. Yhteyden kättelyssä modeemit mittaavat yhteyden taajuuskaistan vasteen 150 Hz:stä 3750 Hz:iin[5], ja neuvottelevat sen perusteella käytettävän taajuuskaistan ja modulaation. V.34:n nopeudet ovat asymmetrisiä, eli siirtonopeus voidaan valita suuntakohtaisesti.

V.34:n suurin nopeus 33600 bps, on hyvin lähellä Shannonin teoreettista maksiminopeutta, joka on n. 35000 bps laskukaavan parametrien arvoista riippuen. Tämän takia suositusta kutsuttiin nimellä v.Last.

10 V.34:n esiversiot

Kuten aikaisemminkin, modeemivalmistajat eivät malttaneet odottaa ITU-T:n suosituksen valmistumista, vaan valmistivat omia versioitaan v.Fast-kehitysversiosta, ja myivät näitä. Tällä kertaa versioita oli vain yksi, v.Fast Class eli v.FC. V.FC:n kehittäjä oli Rockwell. Aluksi protokollan suurin nopeus oli 24000 bps, myöhemmin se nopeutettiin 28800 bps:ään. ITU-T:n v.34-suositukseen verrattuna v.FC oli todellakin riisuttu versio. V.FC:ssä ei ole asymmetristä nopeuden säätöä, ja erilaisia modulaatioita on vähemmän kuin v.34-suosituksessa. Rockwellin v.34-toteutuksetkin ovat yleensä minimitoteutuksia v.34:sta, esim. modulaatiovaihtoehtoja puuttuu. Tämän takia Rockwell-pohjaiset modeemit eivät pärjää häiriöisillä linjoilla niin hyvin kuin täyden v.34-suosituksen toteuttavat modeemit.

11 ITU-T Suositus v.90

Internetin käytön raju kasvu ajoi modeemivalmistajat tutkimaan mahdollisuuksia toteuttaa v.34:sta nopeampia modeemeja. Vuonna 1996 USR sekä Rockwell julkaisivat omat versionsa 56000 bps-modeemeista. Molemmat tekniikat perustuivat havaintoon, että useimmiten Internet-palveluntarjoajan päässä käytetään suoraa digitaalista liittymää puhelinverkkoon, jolloin matkalla palveluntarjoajalta asiakkaalle signaalille ei tehdä yhtään A/D-muunnosta. Tällöin vältytään muunnoksen aiheuttamasta kvantisaatiokohinasta, ja voidaan lähettää diskreettejä jännitetasoja. Tämän huomion ansiosta yhteysnopeus palveluntarjoajalta asiakkaalle voidaan nostaa 56000 bps:ään. Nopeus toiseen suuntaan, eli asiakkaalta ISP:lle on edelleen v.34-tasoinen, koska tässä suunnassa paikalliskeskus tekee modeemin analogisignaalille A/D-muunnoksen. Tämä sopii hyvin Internet-yhteyksille, joissa verkosta tulee enemmän dataa käyttäjälle kuin käyttäjältä verkkoon.

US Roboticsin Courier-malliin ilmestyi 56000 bps Flash-ROM päivitys helmikuussa 1997[6]. Tämä päivitys sisälsi USR:n x2-tekniikalla toteutetun 56000 bps nopeuden.

12 Nykytilanne

Tällä hetkellä eniten ostetuin modeemi on v.90-suositukseen perustuva. Internet-yhteyksissä käyttäjä tarvitsee siirtonopeutta, tämän takia v.90-modeemeja ostetaan. Myös v.34-suositukseen perustuvat modeemit ovat melko suosittuja, koska ne ovat hiukan halvempia kuin v.90-modeemit. Aikaisempiin suosituksiin perustuvia modeemeja ei enää myydä kuin erikoistarkoituksiin, koska niiden valmistaminen volyymituotteina ei ole kannattavaa. Nykyiset v.90-modeemit sisältävät yhteensopivuussyistä myös kaikki ITU-T modulaatiota. V.23:sta ei välttämättä ole joka modeemissa tosin.

V.90:n vaihtoehtona pidetään ISDN:ää, mikä on kokonaan digitaalinen yhteysvaihtoehto osittain analogisen v.90:n sijaan. ISDN:n etuja v.90:een verrattuna on alhaisempi latenssi, kaksisuuntainen 64000 bps yhteys, sekä mahdollisuus kahden kanavan yhdistämiseen 128000 bps nopeuden aikaansaamiseksi. ISDN:n haittapuolia ovat hiukan kalliimmat käyttömaksut. Varsinkin Yhdysvalloissa ISDN:n käyttö on joissain paikoissa erittäin kallista, varsinkin dataa siirrettäessä. Tämän takia onkin mahdollista esimerkiksi kahden USR:n ISDN-modeemin välillä käyttää symmetristä 56000 bps nopeutta, ja merkitä puhelu äänipuheluksi. Tällöin yhteys ei maksa niin paljoa kuin datayhteys, ja on kuitenkin melkein yhtä nopea.


13 Lähdeluettelo

[1] ITU-T Recommendation v.21, 1994 [viitattu 9.4.1999]
<http://www.itu.int/itudoc/itu-t/rec/v21.html>
[2] ITU-T Recommendation v.22, 1993 [viitattu 9.4.1999]
<http://www.itu.int/itudoc/itu-t/rec/v22.html>
[3] ITU-T Recommendation v.22bis, 1993 [viitattu 9.4.1999]
<http://www.itu.int/itudoc/itu-t/rec/v22bis.html>
[4] US Robotics Courier v.34 manual, 1994 [viitattu 9.4.1999]
[5] US Robotics Courier, ATI11-komennon tuloste, [viitattu 9.4.1999]
[6] US Robotics Courier Command Reference Addendum, 1997 [viitattu 9.4.1999]