56k modeemit ja uusi V.90 standardi

11.11.1998

Jukka Saukkonen
P
Teknillinen Korkeakoulu
Jukka.Saukkonen@hut.fi

Tiivistelmä

V.90 on uusi tiedonsiirtoprotokollastandardi, joka yhtenäistää kahteen valmistajakohtaisiin ratkaisuihin hajautuneen 56 Kbps modeemien kentän. Tekniikka on asymmetristä ja perustuu siihen, että tulevaa dataa ei moduloida Internet-operaattorin päässä analogiseksi olenkaan. Nopeus ei kuitenkaan yllä tuohon teoreettiseen nopeuteen kuin äärimmäisen harvoin, koska puhelinlinjoissa on aina hieman häiriöitä. 56 Kbps modeemien etuina kilpaileviin tekniikoihin ovat niiden huokeus, täysin normaalissa puhelinliittymässä toimiminen ja riittävyys nykyiseen, muulla tavoin tukkoiseen Internet-liikenteeseen.


1 Johdanto

Internetin yleistymisen ja puhelinlinjojen laadun parantuessa on mielenkiinto koti- ja pienyrityskäyttöön tarkoitettuja, nopeita tietoliikenneratkaisuja kohtaan kasvanut. 56 Kbps (Kilobits per second, kilobittiä sekunnissa) modeemit ja ISDN ovat tällä hetkellä kotikäyttäjille realistisimmat vaihtoehdot päästä tiedon valtatielle. Mutta miten toimivat 56 Kbps modeemit, kun puhelinverkon teoreettisen kapasiteetin piti tulla vastaan jo 33,6 Kbps modeemien kohdalla? Ja mikä vaikutus modeemimarkkinoihin on ITU:n uudella V.90 -standardilla?

2 Mikä on V.90 ja miten Shannonin teoreeman nopeusrajoitus on pystytty ylittämään?

V.90 tiedonsiirtosuositus on ITU-T:n (International Telecommunications Union - Telecommunications Sector) protokollastandardi 56 Kbps linjanopeuden saavuttamiseksi tavallisessa puhelinkaapelissa. Tämä ylittää reilusti analogisten modeemien teoreettiset rajoitukset. Se onnistuu siten, että Internet-palveluntarjoajat käyttävät digitaalisia palvelinyhteyksiä omassa päässään. Parin viime vuosikymmenen aikana puhelinalan yritykset ovat korvanneet lähes kaiken analogisen tekniikkansa digitaaliseksi. Nykyään ainut analoginen osa puhelinverkosta on tilaajajohto puhelinkeskukseen. Koska tämä osa verkosta tullee jatkossakin säilymään ennallaan, on alettu etsiä entistä parempaa tapaa ottaa siitä mahdollisimman suuri hyöty irti. [1] V.90 modeemeilla nopeudeksi tilaajalle päin voidaan siis saada teoreettisesti 56 Kbps, mutta toiseen suuntaan se on rajoitettu 33,6 Kbps:ssa. Yhteyden aikana molempiin suuntiin kulkeva liikenne on rajoitettu yhteensä 64 Kbps. Jos siis tilaajalle päin nopeus on 48 Kbps, ei toiseen suuntaan voi samanaikaisesti siirtää kuin 16 Kbps. Yhteenvetona siis voidaan sanoa, että mitä nopeammin siirtää dataa itselleen, sitä hitaammin sitä voi lähettää yhtä aikaa muille. Tosin useat modeemit pystyvät yhteyden aikana säätämään nopeuksiaan ja siten nopeuttamaan lähtevää liikennettä tulevan kustannuksella. Pakkauksen (V.42 bis) avulla nopeudeksi voidaan saada huimat 230,4 Kbps. [10]

V.90-yhteyksissä kaksisuuntainen kanava on asymmetrinen. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että modeemi pystyy vastaanottamaan tietoa suuremmalla nopeudella kuin sitä lähettämään, koska mitään häviöitä ei tapahdu digitaalisesta analogiseen -muunnoksessa. Lähettävä kanava sen sijaan käy läpi kohinaa mukanaan tuovan analogisesta digitaaliseen -muunnoksen, joka rajoittaa nopeuden V.34 -standardin tasolle. A/D-muunnoksia ei kuitenkaan saa olla kuin yksi ja senkin on oltava tilaajajohdon kytkentäkohdassa puhelinkeskuksessa. [1] V.34 -standardissa linjanopeus voi olla maksimissaan 33,6 Kbps. Siinä kantotaajuus on 1959 Hz ja merkkinopeus 3429 merkkiä/s, jolloin kaistanleveydeksi tulee 244-3674 Hz alue. [8]

Latenssiajan takia tiedonsiirron aloittamisessa esiintyy viiveitä siinä määrin, että monissa tapauksissa 56 Kbps modeemi ei ole yhtään esim. 33,6 Kbps modeemia nopeampi. Se, että kapasiteetti on suurempi, ei tarkoita että se olisi aina maksimaalisesti käytössä. Eräs toinen hidastava tekijä modeemien toiminnassa on tapa, jolla ne käsittelevät dataa eli yksi paketti kerrallaan. Modeemi odottaa niin kauan, että se vastaanottaa tietyn määrän bittejä, ennen kuin se lähettää ne linjalle. Lisäksi tiedonpakkaus voi hidastaa sen toimintaa entisestään. [10]

V.90 -standardissa on kolme ehtoa, joiden täytyy toteutua, että päästää täyteen 56 Kbps nopeuteen: [1]

-Toisen pään täytyy olla digitaalinen. Käytännössä siis Internet-palveluntarjoajan päässä täytyy olla digitaalinen liittymä, kuten ISDN.
-V.90 -tuki molemmissa päissä. On tärkeää myös muistaa, etteivät edes kaksi analogista V.90 modeemia pysty liikennöimään keskenään 56 Kbps nopeudella, vaan toisella päällä täytyy olla digitaalinen yhteys verkkoon.
-Vain yksi analogisesta digitaaliseen -muunnos. Matkan varrella ei saa ilmetä muita samanlaisia muunnoksia, koska se tiputtaa linjanopeutta heti dramaattisesti. Yhteyden alkuvaiheessa modeemit kokeilevat linjaa, josko matkan varrella tapahtuu muita A/D-muunnoksia. Jos näin käy, yhteysnopeudeksi jää V.34.

3 Mihin V.90 modeemien tekniikka perustuu?

Monen vuoden ajan luultiin, että Shannonin teoreeman määrittämä 35 Kbps on sekä teoreettinen että käytännöllinen nopeusrajoitus analogisessa puhelinkaapelissa. Tämän aiheuttavat mm. ääniliikennettä varten rajoitettu kaistanleveys ja kvantisointikohina. Toisaalta kohinaa esiintyy vain A/D-muunnoksessa, ei D/A-muunnoksessa. Tätä seikkaa on hyödynnetty V.90 standardissa: jos modeemin ja puhelinverkon välillä ei tapahdu yhtään A/D-muunnosta ja digitaalinen lähetin käyttää vain 255 diskreettiä signaalitasoa, digitaalinen informaatio saavuttaa analogisen modeemin ilman, että häviötä tapahtuu. Muista tämänhetkisistä modeemistandardeista V.90 eroaa juuri siinä, että tilaajalle päin tuleva data koodataan digitaalisesti eikä moduloida analogiseksi signaaliksi. [1,10]

Prosessi (kuva 1) etenee seuraavasti: [1,11]

1. Lähettäjä yhdistyy digitaalisesti puhelinyhtiön yhdysjohtoon.
2. Lähettäjän signalointi on toteutettu siten, että koodauksessa käytetään vain 256 PCM koodia puhelinverkon digitaalisesta kapasiteetista. Toisin sanoen, analogisen signaalin kvantisoinnissa diskreeteiksi PCM-koodeiksi ei esiinny kvantisointikohinaa.
3. Aikaansaadut PCM-koodit muutetaan vastaaviksi analogisiksi jännitetasoiksi ja lähetetään analogisella modeemilla tilaajajohdon yli ilman informaatiohäviöitä.
4. Vastaanottaja rakentaa dekoodaamalla saamastaan analogisesta signaalista diskreettiä PCM-koodia.

Kuva 1. V.90:n toiminta [1]

V.90 digitaalinen modeemi lähettää dataa puhelinverkossa binäärilukuina. Edellä mainitun kohdan 2 mukaisesti se lähettää dataa vastaanottajan A/D-muuntimeen samaa tahtia (8 bittiä kerralla) kuin puhelinlinja pystyy sitä siirtämään (8000 Hz). Näin ollen, modeemin merkinsiirtotaajuuden täytyy olla sama kuin puhelinverkon näytteenottotaajuuden. [1]

V.90 analogisen modeemin tehtävänä on todeta ero 256 eri jännitetason välillä, jotta saataisiin aikaan 8000 PCM-koodia joka sekunti. Jos tämä onnistuisi käytännössä, olisi siirtonopeus tilaajalle päin lähes 64 Kbps (8000 kertaa 8 bittiä per koodi). Tähän ei kuitenkaan päästä monistakaan syistä. Vaikka kvantisointikohina onkin ratkaistu, syntyy D/A-muunninlaitteistosta ja paikallisesta johdosta pienempää kohinaa. Kohina syntyy erilaisista epälineaarisista vääristymistä ja virtapiirin keskinäishäiriöstä. Toiseksi, verkon D/A-muuntimet eivät ole lineaarisia muuntimia, vaan ne seuraavat muunnoslakia (A-laki lähes kaikkialla, mutta µm-laki Yhdysvalloissa). Tästä seuraa se, että pieniä jännitetasoja kuvaavat PCM-koodit tuottavat erittäin pieniä D/A-muuntimesta ulostulevia jännite-eroja, kun taas isot jännitetasot tuottavat isoja jännite-eroja tasojen välille. Nämä kaksi ongelmaa tekevät mahdottomaksi sen mahdollisuuden, että käytettäisiin 256 diskreettiä koodia, koska lähellä nollatasoa ulostulevilla jännitetasoilla niiden erot ovat liian pienet, jotta häiriöisellä linjalla datan sisällöstä voitaisiin olla varmoja. [1,10]

4 K56flex ja x2

Aiemmin, ennen kuin standardista päästiin sopuun, oli markkinoilla muutamia valmistajakohtaisia 56 Kbps ratkaisuja. Ensimmäisenä markkinoille tuli syyskuussa 1996 Rockwell Internationalin (valmistaa 75% kaikista modeemipiireistä) ja Lucent Technologies:n kehittämä K56flex. Toinen kilpaileva tekniikka oli U.S. Roboticsin (nykyisin 3Comin omistama) x2. [3] K56flex-protokollassa uusia nopeuksia ovat 2000 bps:n välein 32000-56000 bps ja x2-protokollassa 1333 bps välein 29333-56000 bps. [7] Suurimmat ongelmat näissä kilpailevissa ratkaisuissa ovat siinä, että ne eivät ole keskenään yhteensopivia kuin V.34 nopeuteen saakka, ja että ISP:iden (Internet Service Provider) täytyy hankkia kaksinkertainen kalusto molempien tukemiseen. Standardoimisprosessin välivaiheena syntyi maaliskuussa 1997 hahmotelmastandardi nimeltä V.pcm, jossa yritettiin saada K56flex ja x2 sovitettua yhteen. Vaikka molemmissa ratkaisuissa koodausmenetelmä on sama, ovat toteuttamiseen vaaditut algoritmit niiden molempien valmistajien itse kehittämiä. Vuoden 1998 helmikuussa ITU-T lopulta sai työnsä päätökseen ja uusi V.90 standardi oli valmis. Viralliseksi standardiksi se hyväksyttiin syyskuussa 1998. Edellä mainittuja 56 Kbps modeemeja on voinut alkaa päivittää uuden standardin mukaisiksi. [12] Siihen riittää pelkkä flash ROM:in ohjelmistopäivitys, jonka voi, ainakin suurimpien valmistajien ollessa kyseessä, ladata itselleen ilmaiseksi yritysten WWW-kotisivulta. [9,11] Jotkut valmistajat (esim. Hayes ja Lucent) ovat mahdollistaneet kaksoistoimintotilan (dual mode) käytön. Tämä tarkoittaa sitä, että modeemi voi toimia sekä K56flex- että V.90-tilassa. Näin käyttäjän ei tarvitse huolehtia siitä, tukeeko hänen ISP:nsä jo uutta V.90 standardia vai ei. [3]

V.90 on suunniteltu yhdistelmäksi K56flex ja x2 tekniikoista. Tähän oli kaksi syytä: puhtaasti tekninen perusta ja nopea hyväksyntä. Valitsemalla parhaat osaset markkinoiden testaamista tekniikoista, varmistetaan protokollan oleminen vahvalla insinööripohjalla. Standardin, joka ei anna kummallekaan tekniikalle etulyöntiasemaa markkinoilla toiseen nähden, on helpompi tulla nopeasti hyväksytyksi. Esimerkiksi K56flex -tekniikasta toteutettiin V.90:ssä yhteyden muodostumisen alussa tehtävä linjan kunnon tarkistus (line probing). Siinä arvioidaan puhelinlinjan laatua, ei välttämättä yhteyden laatua. Signaali/kohinasuhde parantaa mittauksen tarkkuutta sekä yhteysnopeutta ja samalla myös pienentää virheiden määrää. Modulointitekniikka puolestaan toteutettiin x2-tekniikasta tutulla tavalla. [5]

Datansiirto x2- ja V.90 -tekniikoissa toimii periaatteessa samalla lailla. Suurimmat erot löytyvät yhteyden muodostusvaiheesta. Kansainvälisesti standardoitu V.8 signalointiprotokolla määrittää molemmista päistä löytyvien modeemien kyvyt yhteysnopeuden ja muiden tähän liittyvien ominaisuuksien osalta. V.90 standardissa V.8 on käytössä, mutta x2 käyttää hyväkseen valmistajakohtaista menetelmää. Digital Impairment Learning (DIL) on menetelmä, jolla V.90:ssä määritetään digitaaliset heikennykset kunkin valmistajan haluamalla tavalla. Se mahdollista joustavuuden ja tulevaisuuden parannukset ilman, että protokollaa tarvitsee vaihtaa. [1]

5 V.90 -tekniikan käyttökohteet

V.90 -teknologia on ideaalinen Internet-käyttäjille, koska ääntä, kuvia ja videopätkiä sisältävien WWW-sivujen lataaminen kotikoneelle tarvitsee nopeaa tiedonsiirtoa. Toisaalta toiseen suuntaan ei myöskään tarvitse siirtää juuri muuta kuin näppäin- ja hiirikomentoja. [4] 56 Kbps on kuitenkin vain teoreettinen nopeus, johon harvoin päästään. Huonolaatuiset puhelinlinjat tai muut olosuhteet voivat rajoittaa nopeutta selvästi. Sellaiset käyttäjät, jotka eivät 28,8 tai 33,6 Kbps modeemeillaan saavuta tavoitenopeutta, eivät mitä todennäköisemmin pääse 56 Kbps modeemillakaan yhtään korkeampiin nopeuksiin. [10] Mielenkiintoinen yksityiskohta on se, että Yhdysvaltain tietoliikenneasioita valvova FCC (Federal Communications Commission) on määrännyt tietoliikennenopeuksien ylärajaksi puhelinverkossa 54 Kbps, koska rajan ylittyessä x2:n siirtotehot kasvavat niin suuriksi, että ne voivat aiheuttaa häiriöitä verkon muissa laitteissa [4]. Tämä ei siis koske k56flex:iä tai V.90:tä. Käytännön siirtotilanteissa harvoin päästään edes näin suuriin nopeuksiin, joten rajoitus ei vaikuta x2:n käyttöön kovinkaan olennaisesti. 56 Kbps nopeuden käyttö edellyttää myös, että tilaajajohto ei saa olla yli 5 km pitkä. [7]

6 Mitä tarvitaan, että pääsee 56 Kbps yhteysnopeuteen?

Päästäkseen 56 Kbps yhteyksiin käyttäjä tarvitsee vain V.90 standardia tukevan modeemin (kuva 2). Tämän lisäksi hänen on varmistettava, että hänen Internet-operaattorinsa tukee kyseistä standardia ja omistaa soittosarjassaan vastaanottoon tarkoitettuja erikoismodeemeja. Siitä huolimatta ne ovat yhteensopivia aikaisempien modeemistandardien, kuten V.34, kanssa. Yhteysnopeus on tällöin tietenkin riippuvainen vastapuolen tekniikasta. [3,5,10]

Kuva 2. 3Comin 56 Kbps faxmodeemi [2]

7 V.90 modeemin kilpailevat tekniikat ja sen tulevaisuus

Vaikka 56 Kbps modeemi onkin halpa ja suhteellisen nopea tietoliikenneratkaisu, ISDN on silti ylivoimainen vaihtoehto sellaiselle, joka on valmis panostamaan tarkoitukseen hieman enemmän rahaa. ISDN:llä nopeus on aina käytetystä kanavamäärästä riippuen 64 tai 128 Kbps ilman odotusaikaa (yhteyden muodostus kestää noin 30 sekuntia V.90 modeemeilla). Mikä tärkeintä, myös yhteys tilaajalta ulkomaailmaan on 64 (128) Kbps, eikä 33,6 Kbps kuten V.90 modeemeissa. Lisäksi ISDN on jo suhteellisen tunnettua tekniikkaa, eikä perustu uuteen kikkailuun saada muodostumaan 56 Kbps yhteys analogiseen puhelinliittymään täysin ideaalisissa olosuhteissa. Myös muut nopeat vaihtoehdot ovat varteenotettavia, kuten esim. kaapelimodeemit ja xDSL (Digital Subscriber Line)-tekniikat. Vaikka 56 Kbps modeemien on luultu puristavan viimeisetkin rippeet perinteisen puhelinverkon (PSTN) kapasiteetista, ovat xDSL-tekniikat nostaneet yhteysnopeuden kokonaan uuteen kokoluokkaan. Kuitenkaan mikään näistä vaihtoehtoisistakaan tekniikoista ei tuo ratkaisua Internetin tukkoisuudelle. V.90 -tekniikan laajaa hyväksyntää puoltaa myös Jupiter Communications -nimisen tutkimuslaitoksen tekemä ennuste, että vuonna 2000 Yhdysvaltojen kotitalouksien Internet-yhteyksistä 65% on 56 Kbps modeemeita, 7% kaapelimodeemeita, 5% ISDN-tekniikkaa ja 3% ADSL-tekniikkaa. [10,12]


8 Lähdeluettelo

[1] 3Com, 3Com V.90 Technology, 7.5.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.3com.com/technology/tech_net/white_papers/500659.html>
[2] 3Com, 56K Central, 26.6.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.3com.com/56k/index.html>
[3] Anon., 56K Standard - How to get, 28.1.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.56kstandard.com/white.html>
[4] Anon., V.90 Modem Standard, 19.9.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.v90.com/>
[5] Diamond Multimedia, Diamond Multimedia V.90 white paper, 2.3.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.diamondmm.com/56K/whitepaper-v90.html>
[6] Gall, R., 56k modems, 5.3.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.fim.uni-linz.ac.at/telework/seminar/T2/56k.html>
[7] Gröndahl, J., 56k modeemien tekniikka, 20.8.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.tcm.hut.fi/Opinnot/Tik-110.350/Tehtavat/essays/modeemi_56k.html>
[8] Henderson, M., Rockwell Semiconductor Systems [V.90 technology -- 56Kbps Data Transmission Across the PSTN], 28.7.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.rss.rockwell.com/K56flex/whitepapers/k56whitepaper.html>
[9] Jones, L., 56K.COM - V.90, K56flex, and x2 56K Modem Page, 18.9.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.56k.com/>
[10] Knight, D., No Hype 56k Modem Page, 11.9.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.mactimes.com/lowend/56k/index.shtml>
[11] Red Net, 56K Modem Technologies, 3.7.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.red.net/tech-support/faqs/modem/56Kmodems.html>
[12] Xircom, 56K Modem Technology White Paper, 18.6.1998 [viitattu 20.9.1998]
<http://www.xircom.com/56wp.html>


9 Lisätietoja

56k Modem Info Center
Tietoa eri valmistajien 56 Kbps modeemeista ja linkkejä aihetta käsitteleviin lehtiartikkeleihin
56K Standard Page
Tietoa siirtymisestä ITU:n V.90 -standardiin
56K V.90 - What is it?
Australialaisen jälleenmyyjäyrityksen V.90 -sivu
K56 Consortium
Suurimpien 56 Kbps modeemivalmistajien yhteenliittymä
K56flex FAQs
Yleistä informaatiota K56flex-tekniikasta kysymysten ja vastausten muodossa
Motorola, SURFR 56K Modems, The Internet: The Ultimate Combination!
Motorolan oman 56 Kbps modeemimalliston tekniikan esittelyä
Practical Peripherals 56K FAQ
Kysymyksiä ja vastauksia 56 Kbps modeemien keskeisestä tekniikasta
The Official 56K Modem Web Site
K56flex-tekniikan esittelyä