Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt Đặng Quốc Anh 11 modem 28,8kbps hay 33,6 kbps cũng không đáp ứng được về tốc độ của nhiều ứng dụng. Thời gian download một hình ảnh nén JPEG (Joint Photographic Experts Group) là 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 dòch 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 1.17 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 nhò phân. Trong phương pháp điều chế này chỉ có biên độ biên độ có giá trò dương hay không và tốc độ tín hiệu băèng vớ 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 nhò 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 trò 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 đònh 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 bò 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 bò ngấm ẩm nhiều sẽ bò 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 bò phá huỷ rất mạnh mới có thể nhận dạng lầm được. Với trường hợp 2 trong 32 trạng thái khác nhau Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 12 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 nghóa 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 bò 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 1.17 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 lónh vực mới gọi là lý thuyết Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt Đặng Quốc Anh 13 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 đònh bởi:       += NN SS 11BwlogBwlogCC 22 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 đònh 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 1.18 Mdoem 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 trò 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 Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 14 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. Hình 1.19 Mdoem tương tự qua mạng điện thoại số IDN 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 giảm 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 dòch 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. 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 Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt Đặng Quốc Anh 15 là một bộ phận của hãng 3COM) sử dụng chipset X2 của hãng Texas Instruments và Rockwell có tiêu chuẩn K56flex. Dó nhiên là hai tiêu chuẩn này không tương thích nhau và ngành công nghiệp sản xuất modem nhanh chóng bò 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. Hình 1.20 Modem V.pcm 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 1.21 Tình hình thu nhập từ modem 56Kbps trên thế giới . Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt Đặng Quốc Anh 11 modem 28,8kbps hay 33 ,6 kbps cũng không đáp ứng được về tốc độ của nhiều ứng dụng. Thời gian. bản của thông tin và đã khai sinh ra một lónh vực mới gọi là lý thuyết Tổng quan về mạng thuê bao nội hạt Đặng Quốc Anh 13 thông tin (information theory). Công lao của Shannon đã được đánh. 33 ,6 kbps. 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 Tổng quan về mạng