TECHNIKI xDSL CYFROWEGO ŁĄCZA ABONENCKIEGO 1 Uwagi

TECHNIKI xDSL CYFROWEGO ŁĄCZA ABONENCKIEGO 1 Uwagi

TECHNIKI xDSL CYFROWEGO ŁĄCZA ABONENCKIEGO
Henryk Gut-Mostowy
1
Uwagi ogólne
W abonenckiej sieci dostępowej, najwaŜniejszym medium transmisyjnym pozostają nadal
telekomunikacyjne kable miejscowe, z Ŝyłami miedzianymi lub bimetalowymi, o izolacji z
polietylenu jednolitego lub piankowego, lub typu foam-skin. W tym obszarze sieci szerokość
pasma podstawowego 0,3 ÷ 3,4 kHz nie wynika z własności transmisyjnych linii abonenckiej,
lecz z przepustowości filtrów instalowanych w punktach styku linii z siecią transportową. Bez
tych filtrów kable miedziane mogą bowiem przenosić pasmo do 1 MHz, a jedynym
ograniczeniem dla szybkości transmisji jest długość kabla i jakość jego wykonania.
MoŜliwość tę wykorzystują dalej opisane:
− technika HDSL (High data rate Digital Subscriber Line) symetrycznego cyfrowego łącza
abonenckiego,
− technika ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) asymetrycznego cyfrowego łącza
abonenckiego oraz
− technika VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line) cyfrowego łącza
abonenckiego o bardzo duŜej szybkości transmisji.
2
Technika HDSL – charakterystyka ogólna
Technika HDSL umoŜliwia dwukierunkowe przesyłanie strumieni E1 (PCM 2,048 Mbit/s)
lub T1 (PCM 1,544 Mbit/s) na jednej, dwóch lub trzech parach przewodów miedzianych.
Jednoparowe łącze HDSL jest często wyróŜniane jako technika transmisyjna SDSL (Singlepair Digital Subscriber Line). Charakteryzuje się ona mniejszym zasięgiem transmisji
(tablica 1) niŜ HDSL kilku-parowy, lecz jej podstawową zaletą jest to, Ŝe wykorzystuje jedną
parę przewodów miedzianych, którą zawsze dysponuje abonent.
Tabl. 1.
Przeciętny zasięg transmisji łącza HDSL w kablach miedzianych, z izolacją polietylenową
Średnica Ŝyły
[mm]
0,4
0,5
0,8
Przeciętny zasięg transmisji [km]
HDSL 1-parowy
Kod 2B1Q Kod CAP-128
3,1
3,3
4,8
5,0
9,2
9,4
HDSL 2-parowy
Kod 2B1Q Kod CAP-64
3,7
4,0
5,4
5,7
10,7
11,0
W łączu HDSL (rys. 1 a) sygnały cyfrowe napływające od strony interfejsu
aplikacyjnego (IA) w bloku (I) są grupowane w ramki uŜytkowe, charakterystyczne dla danej
aplikacji (np. 32- szczeliny czasowe strumienia ISDN z dostępu pierwotno-grupowego). Blok
odwzorowania (M) przekształca ramki uŜytkowe aplikacji w 144 bajtowe ramki podstawowe.
Ramki podstawowe w tzw. zespole grupowym (C) są uzupełniane bitami: uŜytkowymi,
nagłówka, synchronizacji i utrzymania. KaŜda z tak uformowana ramek HDSL jest kierowana
do układu (H) nadajnika, a później do odbiornika (indywidualnych dla kaŜdej pary
przewodów miedzianych), gdzie jest przetwarzana na sygnał liniowy z modulacją 2B1Q lub
CAP, wysyłany do linii abonenckiej (DLL) z regeneratorem (REG), zwiększającym zasięg
transmisji. Po stronie odbiorczej jest realizowany odwrotny ciąg operacji, w wyniku którego
w interfejsie aplikacyjnym (IA), na drugim końcu łącza HDSL, jest otrzymywany ciąg
danych, charakterystyczny dla danej aplikacji.
-1-
Układ (H) nadajnika/odbiornika HDSL pracuje w trybie transmisji dwukierunkowej w
jednej parze kablowej i wykorzystuje rozgałęźnik oraz cyfrowy kompensator echa. W
układzie tym (rys. 1 b), nadajnik (N) wytwarza sygnał liniowy, który przez rozgałęźnik (R)
jest kierowany do toru transmisyjnego. Cyfrowy kompensator echa (CKE) analizuje sygnał
nadawany i wytwarza sygnał repliki echa pochodzącego od sygnału nadawanego. Sygnał
repliki jest odejmowany od sygnału odbieranego z toru. W ten sposób, jeśli kompensator
(CKE) wytwarza wierne odwzorowanie sygnału odbitego od niejednorodności toru
transmisyjnego, to do odbiornika (O) jest kierowany sygnał nadawany przez nadajnik (N) z
drugiego końca toru.
a)
Strona abonencka
Strona sieciowa
H
IA
I
M
DLL
REG
DLL
C
H
IA
C
M
I
Część podstawowa HDSL
Sekcja dostępu cyfrowego
b)
N
R
CKE
O
Rys. 1.
+
DLL
+
Cyfrowe łącze abonenckie HDSL: a) − model odniesienia, b) − nadajnik/odbiornik HDSL.
Oznaczenia: IA − interfejs aplikacyjny; oznaczenia pozostałe wyjaśniono w tekście
W systemach cyfrowego łącza abonenckiego HDSL, sygnał liniowy jest tworzony w oparciu
o kod transmisyjny 2B1Q (2 Binary 1 Quanary) lub – kod CAP (Carrrierless Amplitude
Phase Modulation); przy czym modulacja 2B1Q jest stosowana w łączach HDSL z
transmisją: jedno-, dwu- lub trzy-parową, zaś kodowanie CAP-64 i CAP-128 − odpowiednio
w łączach HDSL dwu- i jedno-parowych.
Kod 2B1Q jest przykładem modulacji wielowartościowej pasma podstawowego i polega na
podziale strumienia informacyjnego na dwubitowe" grupy, a następnie na przypisaniu kaŜdej
"
takiej grupie jednego z czterech symboli. Zatem kod 2B1Q dwukrotnie zmniejsza prędkość
modulacji sygnału liniowego i tym samym tyleŜ samo zawęŜa jego pasmo mocy uŜytecznej.
Kod CAP został opracowany w laboratoriach AT&T (Bell Labs) w latach 80-tych, jako kod
liniowy dla sygnałów cyfrowych, transmitowanych w skrętce miedzianej UTP. Reprezentuje
on przypadek modulacji dwuwymiarowej, w której uŜywa się złoŜonych technik cyfrowego
przetwarzania sygnałów w tym celu, aby równocześnie nadać dwa ortogonalne symbole kodu
liniowego. Ogólnie rzecz biorąc, w modulacji CAP-2k kaŜdy z zespolonych symboli
transmitowanych w łączu przenosi jedną z 2k wartości i tym samym reprezentuje k-bitową
daną. Kodowanie CAP-2k obniŜa zatem prędkość transmisyjną k-krotnie w stosunku do
prędkości sygnału binarnego i tym samym tyleŜ samo zawęŜa pasmo mocy uŜytecznej
sygnału.
3
Technika ADSL – charakterystyka ogólna
Technika ADSL została opracowana w laboratoriach Bellcore w USA pod koniec lat
80. Technika ta wywodzi się od wcześniej omówionej techniki HDSL, a jej podstawową
cechą jest to, Ŝe prędkość transmisji od sieci do abonenta jest większa niŜ prędkość w
-2-
kierunku przeciwnym. Obecnie są stosowane dwa rodzaje techniki transmisyjnych ADSL,
tzn. szerokopasmowa technika ADSL oraz technika ADSL G.Lite o zmniejszonej
przepływności transportowej. Jedna i druga działa w obszarze sieci abonenckiej, gdzie jest
przeznaczone głównie do tworzenia warstwy transmisyjnej, przenoszącej sygnały
szerokopasmowe od interaktywnych usług multimedialnych typu: gry komputerowe, teleedukacja, telezakupy itd. W usługach tego rodzaju większy strumień informacyjny jest
bowiem przesyłany w kierunku od serwera do terminalu abonenckiego, niŜ w kierunku
przeciwnym. Prędkości transmisyjne uzyskiwane w łączach ADSL podano w tablicy 2.
Tabl. 2.
Przepływność transportowa i przeciętny zasięg transmisji systemów ADSL w kablach miedzianych
o średnicy 0,5 [mm], z izolacją polietylenową
Przepływność transportowa [kbit/s]
ADSL klasyczny
ADSL G.Lite
Od sieci
Do sieci
Od sieci
Do sieci
2048
16
64 ÷ 1536
32 ÷ 512
4096
160
6144
384
8192
640
Zasięg transmisji [km]
ADSL klasyczny
ADSL
G.Lite
4,8
5÷6
4,0
3,7
2,7
W łączu ADSL, ze względu na stosowany sposób modulacji wieloczęstotliwościowej DMT
(Discrete Multi-Tone), podkanały uŜywane do przesyłania sygnałów cyfrowych (w obydwu
kierunkach transmisji) są lokalizowane w paśmie częstotliwości powyŜej 25 kHz. Dolny
zakres częstotliwości (0,3 ÷ 3,4 kHz) nie jest ani wykorzystywany, ani zakłócany przez
transmisję cyfrową i jako taki moŜe być wykorzystywany do przesyłania sygnałów
podstawowej usługi telefonicznej (POTS). W zaleŜności od zastosowanej metody separacji
kanałów cyfrowych, przenoszących dane w kierunku od sieci do abonenta, od kanałów
cyfrowych uŜywanych do transmisji sygnałów w kierunku przeciwnym, wyróŜnia się
modemy z częstotliwościowym (ADSL FDM) oraz cyfrowym rozdziałem kierunków
transmisji.
W modemach ADSL FDM podkanały DMT przenoszące sygnały cyfrowe w kierunku
od abonenta do sieci zajmują pasmo częstotliwości od 25 do 138 kHz, podczas gdy podkanały
dla przeciwnego kierunku transmisji wykorzystują zakres częstotliwości od 138 kHz do
1104 kHz. Kierunki transmisji są tu rozdzielane za pomocą dwóch filtrów środkowoprzepustowych, tworzących układ rozgałęźnika – zwrotnicy (rys. 2 a).
-3-
a)
VA
AS0
AS1
AS2
ATU-C
Sieć
cyfrowa LS0
N
FSP-D
O
FSP-O
ATU-R
R
LS1
LS2
b)
Para przewodów
miedzianych
R
FSP-D
O
FSP-O
N
Sieć
cyfrowa LS0
AS0
AS1
AS2
LS0
LS1
PDN
LS2
Publiczna
sieć
telefoniczna
POTS
VA
AS0
AS1
AS2
T
T-SM
T
T-SM
ATU-C
ATU-R
O
N
R
CTE
O
LS1
LS2
Para przewodów
miedzianych
R
CTE
N
AS0
AS1
AS2
LS0
LS1
PDN
LS2
Publiczna
sieć
telefoniczna
POTS
c)
N
CTE
RT
CKE
O
Rys. 2.
+
+
Modele odniesienia łącza ADSL z częstotliwościowym (a) i cyfrowym (b) rozdziałem kierunków
transmisji. Oznaczenia: AS0, AS1, AS2 – kanały transportowe od sieci do abonenta, ATU-C/R –
modem strony centralowej / abonenckiej, CTE – cyfrowy tłumik echa, LS0, LS1, LS2 – kanały
transportowe od abonenta do sieci, N – nadajnik symboli modulacji DMT, O – odbiornik symboli
modulacji DMT, PDN – aktywna lub pasywna sieć dystrybucyjna obszaru uŜytkownika, UZW –
układ zwrotnicy
W modemach ADSL drugiej kategorii, podkanały DMT przenoszące sygnały cyfrowe
w kierunku do abonenta zajmują pasmo 25 ÷ 1104 kHz i z tego względu w przedziale
częstotliwości od 25 kHz do 138 kHz pokrywają się z pasmem zajmowanym przez podkanały
uŜywane do przesyłania sygnałów od abonenta do sieci. Separacja kierunków transmisji jest
tu dokonywana przy pomocy cyfrowego tłumika echa (rys. 2 b).
W modemach ADSL, przed procesem modulacji jest formowany strumień złoŜony,
nazywany równieŜ zbiorczym. Strumień złoŜony jest ciągiem wieloramek ADSL, z których
kaŜda trwa 17 ms i zawiera 68 ramek ADSL, numerowanych w ramach wieloramki od 0
do 67. KaŜda z ramek wieloramki jest przekształcana w modulatorze na oddzielny symbol
modulacji DMT. Za symbolami tymi jest umieszczany tzw. symbol synchronizacyjny, który
jest włączany przez modulator jedynie w celu wyznaczenia granic wieloramki. PoniewaŜ
okres powtarzania ramek ADSL (z punktu widzenia interfejsu uŜytkownika) wynosi 250 µs,
dlatego po dołączeniu symbolu synchronizacyjnego faktyczna szybkość modulacji DMT
wynosić 69/68 x 4000 Bod.
W modemach ADSL do formowania sygnału liniowego stosuje się technikę modulacji
wieloczęstotliwościowej DMT (Discrete Multi-Tone). W technice tej pasmo kanału
transmisyjnego jest dzielone na N = 255 podkanałów (rys. 3); przy czym w przypadku
systemów transmisyjnych ADSL FDM, podkanały o numerach 6÷31 przenoszą dane w
kierunku od abonenta do sieci, zaś podkanały o numerach 33÷254 – w kierunku przeciwnym.
W kaŜdym podkanale sygnał danych jest modulowany na oddzielnej częstotliwości nośnej, z
uŜyciem M-wartościowej modulacji kwadraturowej QAM (Quadrature Amplitude
Modulation). Współczynnik krotności modulacji M jest optymalizowany i zaleŜy od stosunku
S/N (sygnał/szum) w danym podkanale. Nośne podkanałów 64 (o częstotliwości 276 kHz –
-4-
kanał cyfrowy do abonenta) i 16 (o częstotliwości 69 kHz – kanał cyfrowy od abonenta) są
zarezerwowane dla sygnału pilota, wykorzystywanego do odtwarzania podstawy czasu w
odbiorniku.
Kanał podstawowej usługi telefonicznej
Kanał cyfrowy od abonenta
Częstotliwość
Nyquista
Kanał cyfrowy do abonenta
Częstotliwość
Nyquista
Pilot
6
7
Pilot
31 32
8
16
3,4
25
33 34 35 36 37 38 39 40
138
64
253
254
255
1104 f [kHz]
4.3125 kHz
Rys. 3.
4
Rozmieszczenie podkanałów DMT w modemie ADSL FDM
Technika VDSL – charakterystyka ogólna
Technika VDSL jest pewnym uzupełnieniem techniki ADSL, umoŜliwiającym
uzyskanie większych prędkości transmisji w skrętce przewodów miedzianych, ale na
mniejszych odległościach (tablica 3). Podobnie jak ADSL jest to technika asymetryczna, tzn.
do abonenta przenosi znacznie większy strumień danych niŜ od abonenta do sieci.
Tabl. 3.
Przepływność i średni zasięg transmisji łącza VDSL w kablu o średnicy przewodów 0,5 mm.
Strumień do abonenta
[Mbit/s]
12,96
25,82
51,84
Strumień od abonenta
[Mbit/s]
1.6 ÷ 2.3
19,2
51,84
Zasięg transmisji
[km]
1,5
1,0
0,3
Ze względu na stosowaną metodę modulacji, opartą na transformacie falkowej, kanały
cyfrowego łącza VDSL do i od abonenta zajmują pasmo powyŜej 300 kHz (rys. 4 a). W ten
sposób pasmo podstawowej usługi telefonicznej (POTS) jest tu poszerzone o pasmo kanałów
2B+D podstawowej usługi ISDN. Technika transmisyjna VDSL nie ma jeszcze jasno
zdefiniowanych standardów. Nad jej standaryzacją pracują obecnie takie organizacje jak:
ANSI (grupa T1E1.4), ETSI, DAVIC (Digital Audio-Visual Council), ATM Forum i ADSL
Forum. Organizacje te rozwaŜają moŜliwość implementacji dwóch architektur dla łącza
VDSL, tzn. architekturę aktywnej (rys. 4 b) i pasywnej (rys. 4 c) sieci dystrybucyjnej obszaru
uŜytkownika. W architekturze sieci aktywnej kaŜdy terminal uŜytkownika jest podłączony do
przełącznika. W architekturze pasywnej wszystkie urządzenia uŜytkownika muszą dzielić
jedno medium transmisyjne, tzn. jedną parę przewodów miedzianych.
-5-
a)
POTS
ISDN
Pasmo VDSL
Od abonenta
0 3,4
b)
80
300
Do abonenta
700 1000
10000
f [kHz]
T-SM
VA
T
Terminal
ISDN
Sieć
ISDN
STB
PDN
STB
VDSL
ONU
R
Publiczna
sieć
telefoniczna
c)
5
HUB
PC
VA
PC
PDN
VDSL
R
Publiczna
sieć
telefoniczna
Rys. 4.
VDSL
POTS
Terminal
ISDN
Sieć
ISDN
ONU
R
Para przewodów
miedzianych
Para przewodów
miedzianych
R
POTS
T
VDSL
STB
VDSL
HUB
VDSL
STB
VDSL
PC
PC
Cyfrowe łącze abonenckie VDSL: a) rozmieszczenie kanałów, b) model odniesienia łącza VDSL z
aktywną siecią dystrybucyjną PDN, c) model odniesienia łącza VDSL z pasywną siecią dystrybucyjną
PDN. Oznaczenia: R − rozgałęźnik, ONU − jednostka sieci optycznej, STB − terminal typu settop
box, HUB − przełącznik, PC − komputer osobisty.
Uwarunkowania techniczne niekorzystne dla rozwoju technik xDSL
Techniki transmisyjne xDSL działają w obszarze abonenckim sieci telefonicznej i jako
takie wykorzystują istniejąca infrastrukturę kabli miedzianych z tego obszaru. W obszarze
tym, para modemów xDSL, na odcinku sieci od abonenta do najbliŜszej centrali telefonicznej,
tworzy trwałe łącze cyfrowe o przepływności binarnej, charakterystycznej dla zastosowanych
modemów. Negatywny wpływ na efektywną przepływność i zasięg transmisji takiego łącza
wywiera wiele czynników, które w przypadku transmisji sygnałów telefonicznych pasma
podstawowego nie odgrywały Ŝadnej roli. NajwaŜniejsze z nich to:
− infrastruktura techniczna linii abonenckiej (niejednorodność toru transmisyjnego,
występowanie odgałęzień, występowanie cewek pupinizacyjnych);
− straty propagacyjne w torze transmisyjnym;
− przeniki między torami transmisyjnymi tego samego kabla: zbliŜny NEXT (od ang Near
End Crosstalk) i zdalny FEXT (od ang. Far End Crosstalk).
-6-