Изначально рынок был наводнен множеством пересекающихся вариантов высокоскоростного доступа в интернет под общим названием цифровых абонентских линий (Digital Subscriber Line), или xDSL, где x меняется в зависимости от конкретной технологии. Сервисы с большей пропускной способностью, чем у обычных телефонных линий, иногда назывались широкополосными (broadband), хотя это понятие скорее из сферы маркетинга, чем технологий. Мы обсудим наиболее популярный вариант, асимметричный DSL, или ADSL. В качестве краткого названия для всех этих вариантов мы будем использовать DSL или xDSL.

Причина медленной работы модемов в том, что телефоны изначально были предназначены для передачи человеческого голоса и вся система максимально оптимизирована под эту цель. Передача данных всегда была на втором месте. В точке подключения абонентского шлейфа к оконечной телефонной станции провод проходит через фильтр затухания, ослабляющий все частоты ниже 300 Гц и выше 3400 Гц. Срез происходит достаточно плавно (300 Гц и 3400 Гц — 3-дБ точки), и обычно указывается, что полоса пропускания равна 4000 Гц, хотя расстояние между 3-дБ точками составляет 3100 Гц. Данные в проводах также ограничиваются этой узкой полосой.

Хитрость, благодаря которой работает xDSL, заключается в том, что при подключении абонента входящий канал связи соединяется с особым сетевым коммутатором без вышеупомянутого фильтра. Это позволяет использовать всю пропускную способность абонентского шлейфа. Теперь ограничивающим фактором становятся физические характеристики линии, а не фильтр, и мы получаем около 1 МГц против искусственно созданного лимита в 3100 Гц.

К сожалению, пропускная способность абонентского шлейфа довольно быстро падает по мере удаления от оконечной станции и ослабления сигнала. Кроме того, она зависит от толщины и общего качества витой пары. График потенциальной пропускной способности как функции расстояния приведен на илл. 2.28. В нем предполагается, что все остальные факторы — оптимальны (новые провода, качественные световоды и т.д.).

Илл. 2.28. Пропускная способность относительно расстояния при использовании для DSL кабелей UTP категории 3

Из графика следует проблема телефонных компаний. Выбирая скорость для своего коммерческого предложения, компания автоматически ограничивает радиус действия услуги. Это значит, что некоторым потенциальным клиентам придется отвечать: «Благодарим за интерес к нашему предложению, но вы живете на сто метров дальше от АТС, чем нужно, и не можете стать нашим абонентом. Не хотите ли переехать поближе?» Чем ниже выбранная скорость, тем длиннее радиус и больше абонентов. Но низкая скорость делает услугу менее привлекательной и меньше людей соглашается за нее платить. Вот так коммерческие соображения сталкиваются с технологическими.

Все услуги xDSL проектировались в соответствии с определенными критериями. Во-первых, они должны работать на уже имеющихся абонентских шлейфах с витыми парами категории 3. Во-вторых, не мешать существующим телефонам и факсам абонентов. В-третьих, их скорость должна значительно превышать 56 Кбит/с. В-четвертых, услуга должна быть всегда доступной и оплачиваться ежемесячно, а не поминутно.

Для удовлетворения технических требований имеющийся диапазон в 1,1 МГц абонентского шлейфа разбит на 256 независимых каналов, по 4312,5 Гц каждый. Эта архитектура показана на илл. 2.29. Для пересылки данных по этим каналам используется схема OFDM, которую мы обсуждали в предыдущем разделе. В связи с DSL ее часто называют дискретной многотональной модуляцией (Discrete MultiTone, DMT). Канал 0 используется для обычной телефонной связи (Plain Old Telephone Service, POTS). Каналы 1–5 не используются, чтобы голосовые и информационные сигналы не мешали друг другу. Из оставшихся 250 каналов один служит для управления входящим трафиком, еще один — для управления исходящим. Остальные каналы доступны для пользовательских данных.

Илл. 2.29. Функционирование ADSL на основе дискретной многотональной модуляции

В принципе, для полнодуплексной передачи данных может использоваться любой из оставшихся каналов, но гармоники, перекрестные помехи и другие эффекты не позволяют реальным системам достичь теоретически возможного предела. Количество каналов, доступных для входящего и исходящего потоков данных, выбирает поставщик услуги. Технически можно распределить их в соотношении 50/50, но большинство ISP отдает около 80–90 % пропускной способности входящему каналу, поскольку большинство пользователей скачивает больше данных, чем отправляет. Отсюда и «A» в ADSL. Распространенный вариант: 32 канала на исходящий поток данных, а остальные — на входящий. Также можно сделать несколько верхних исходящих каналов двунаправленными для повышения пропускной способности, хотя такая оптимизация потребует специального контура подавления эха.

Международный стандарт ADSL — G.dmt — был одобрен в 1999 году. Он допускает входящую скорость до 8 Мбит/с и исходящую до 1 Мбит/с. В 2002 году его заменили более совершенным стандартом второго поколения, ADSL2, с входящей скоростью до 12 Мбит/с и исходящей до 1 Мбит/с. Стандарт ADSL2+ еще в два раза повысил входящую скорость, до 24 Мбит/с, за счет удвоения полосы пропускания (2,2 МГц через витую пару).

Следующим шагом, в 2006 году, стал VDSL. Входящая скорость передачи данных по коротким абонентским шлейфам достигала 52 Мбит/с, а исходящая — 3 Мбит/с. В период с 2007 по 2011 год появился ряд новых стандартов под общим названием VDSL2. При полосе пропускания 12 МГц на высококачественных абонентских шлейфах входящая скорость достигала 200 Мбит/с, исходящая — 100 Мбит/с. В 2015 году для шлейфов короче 250 м был предложен стандарт Vplus. Теоретически он позволяет достичь входящей скорости до 300 Мбит/с и исходящей до 100 Мбит/с, но реализовать это непросто. Вероятно, из уже существующих кабелей категории 3 больше выжать нельзя, разве что на более коротких расстояниях.

Внутри каналов используется модуляция QAM на скорости примерно в 4000 символов/с. При этом непрерывно отслеживается качество связи в каждом канале, с подстройкой скорости за счет использования б?ольших или меньших схем модуляции, как на илл. 2.17. Скорость передачи данных в различных каналах отличается: до 15 бит/символ для канала с высоким SNR и 2, а то и 1 бит/символ для канала с низким SNR в зависимости от стандарта.

Типовая схема работы ADSL показана на илл. 2.30. Согласно этой схеме специа­лист телефонной компании устанавливает в помещении абонента устройство сопряжения с сетью (Network Interface Device, NID). Эта маленькая пластмассовая коробочка отмечает точку, где заканчивается оборудование, принадлежащее телефонной компании, и начинается собственность абонента. Неподалеку от NID (а иногда они даже совмещаются) располагается разделитель (splitter) — аналоговый фильтр, отделяющий полосу POTS (0–4000 Гц) от каналов данных. Сигнал POTS направляется к телефону или факсу, информационный сигнал — в ADSL-модем, реализующий OFDM при помощи цифрового обработчика сигналов. А поскольку большинство ADSL-модемов — внешние, компьютер подключается к модему по высокоскоростному соединению. Обычно для этого используется Ethernet, USB-кабель или 802.11.