Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004

www.pwt.et.put.poznan.pl
2004
Paweł Sroka
Politechnika Poznańska
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
[email protected]
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 9 - 10 grudnia 2004
ZASTOSOWANIE PAKIETU SIMULINK DO MODELOWANIA
TRANSMISJI VDSL*
Streszczenie: W artykule przedstawiono model symulacyjny
systemu
transmisyjnego
VDSL
wykorzystującego
modulację OFDM. Opisano modele układów nadajnika i
odbiornika oraz model kanału transmisyjnego wykonane
przy pomocy pakietu Matlab/Simulink. Zaprezentowano
wyniki
przykładowych
przebiegów
symulacyjnych
obrazujące działanie symulatora.
1.
WPROWADZENIE
Wzrost zapotrzebowania na dostęp do informacji
oraz usług multimedialnych, przy jednoczesnym rozwoju
techniki komputerowej i elektroniki powszechnego
użytku, powoduje konieczność poszukiwania nowych
metod transmisji danych, pozwalających na zwiększenie
przepływności systemów transmisyjnych. Technologią,
która wykorzystuje jako medium łącze abonenckie,
pozwalając na najszersze korzystanie z usług dostępnych
w sieci, jest rozwijana w ostatnim czasie technika
szerokopasmowej transmisji danych VDSL (Very high
bit – rate Digital Subscriber Line).
Technologia
VDSL
może
być
uważana
za rozwinięcie standardu ADSL, a jednocześnie jest
kompatybilna z usługami opartymi na technologiach
SDH, czy ATM. Większe możliwości transmisyjne
systemów zgodnych z tym standardem są osiągane przez
użycie pasma częstotliwości o szerokości rzędu 10 do
30 MHz. W związku z tym poważnie ograniczony jest
zasięg systemu transmisyjnego – do 1 km, gdyż
tłumienie sygnałów o wysokich częstotliwościach w
pętli abonenckiej jest bardzo silne. VDSL dopuszcza
transmisję zarówno w trybie asymetrycznym jak
i symetrycznym, zapewniając przepływności do 56
Mbit/s w trybie asymetrycznym i 26 Mbit/s w każdym
kierunku w trybie symetrycznym. Pasmo częstotliwości
wykorzystywane w transmisji rozciąga się od 138 kHz
do 30 MHz [3, 6]. Jednocześnie zachowując
kompatybilność z usługami protokołów wyższych
warstw, takich jak ATM czy SDH, system transmisyjny
VDSL zapewnia transmisję dwóch ścieżek danych:
kanału z przeplotem, przeznaczonego dla danych
wymagających szczególnie silnego zabezpieczenia przed
zakłóceniami oraz kanału szybkiego, służącego do
przesyłania danych wymagających małych opóźnień.
Wykorzystanie szerokiego pasma częstotliwości
w transmisji VDSL powoduje, że przesyłany sygnał
danych jest narażony na silne zakłócenia różnego
pochodzenia. Najsilniejszym typem zakłóceń w pętli
abonenckiej są przeniki zbliżne i zdalne sygnału,
zarówno pochodzenia obcego (przeniki sygnału innych
rodzajów systemów działających w obrębie tej samej
wiązki łączy) jak i własnego (przeniki sygnału VDSL
z innych systemów działających w obrębie tej samej
wiązki łączy). W szczególności wyróżnić można
zakłócenia pochodzące z transmisji HDSL, w przedziale
częstotliwości od 138 kHz do 300 kHz, ADSL, o paśmie
do 1,1 MHz, a także innych systemów VDSL
wykorzystujących ten sam kabel.
Oprócz przeników, bardzo poważnym źródłem
zakłóceń transmisji VDSL są szumy pochodzenia
radiowego. W ich ramach można wyróżnić przede
wszystkim zakłócenia spowodowane interferencją
z sygnałami komercyjnych stacji radiowych oraz
zakłócenia pochodzące od sygnałów nadajników
amatorskich. Powodują one dalsze ograniczenia
możliwości
transmisyjnych
systemu
VDSL
w określonych przedziałach częstotliwości.
Obecność tak szerokiej gamy sygnałów
zakłócających o relatywnie dużej mocy (w przypadku
sygnałów radia amatorskiego moc zakłóceń może
osiągać nawet wartość 0 dBm) powoduje konieczność
zastosowania skomplikowanych rozwiązań w układzie
transceivera VDSL, takich jak zaawansowane układy
korekcji sygnału, czy kompensacji sygnałów radiowych.
Stąd jest konieczne przeanalizowanie wpływu różnych
rozwiązań układu transceivera VDSL na jakość
transmisji danych. Do tego może być wykorzystany
pakiet Matlab/Simulink, który pozwala na dokładne
modelowanie układów nadajnika i odbiornika, a także
szybką i wygodną prezentację wyników symulacji
działania układu.
2.
BUDOWA NADAJNIKA VDSL
Zadaniem
przedstawionego
systemu
jest
przepływności
danych
zapewnienie
całkowitej
użytkownika rzędu 23168 kbit/s w przypadku transmisji
w dół. W związku z tym model odnosi się do struktury
i działania modemu klasy A4 (asymetryczny) lub S4
(symetryczny). Model obrazuje połączenie typu FTTCab
o zwielokrotnieniu FDD, wykorzystujące pasmo
częstotliwości określone planem B. Tak więc
do transmisji w dół przeznaczone są przedziały od 138
kHz do 3 MHz i od 5,1 MHz do 7 MHz [3,6]. Jednak
ze względu na obecność sygnałów ADSL i HDSL
w łączu, dolna granica pasma systemu została
przesunięta do wartości 1,1 MHz [1]. Maksymalna
* Praca przygotowana częściowo w ramach projektu VIPNet – VDSL Technology
for Improved Performance in the Access Network realizowanego w ramach inicjatywy UE Eureka
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
1
www.pwt.et.put.poznan.pl
liczba dostępnych nośnych w systemie wynosi 2047
(gdyż składowa stała nie jest wykorzystywana), jednak
do transmisji w dół używanych jest wyłącznie 840
nośnych danych i 6 nośnych sygnałów pilota.
Układ nadajnika, przedstawiony na rysunku 1,
składa się z elementów realizujących kodowanie
nadmiarowe, składanie ramki sygnału OFDM,
odwzorowanie bitów w symbole QAM oraz generowanie
sygnału OFDM i sterowanie jego mocą.
Układ
skramblera
dokonuje
randomizacji
wejściowego
strumienia
binarnego
zgodnie
z równaniem [4, 7]:
x(n) = m(n) + x(n – 18) + x(n – 23)
Dane wyjściowe ze scramblera są dalej
przetwarzane w układzie bajtowego kodera Reeda –
Solomona. Wektor danych informacji wejściowej kodera
ma długość 128 bajtów. Słowo kodowe, o długości 144
bajtów, tworzone jest poprzez podzielenie przesuniętego
wielomianu
informacyjnego
przez
wielomian
generujący, określony równaniem [4, 7]:
G(x) = x8 + x4 + x3 + x2 +1
Rys. 1. Model układu nadajnika VDSL
wykorzystującego modulację OFDM
Warstwa konwergencji (PMS – TC – Physical
Media Specific – Transmission Convergence) modelu
symulacyjnego, przedstawiona na rysunku 2, uwzględnia
tylko funkcje skramblingu, kodowania nadmiarowego
i przeplotu niezależne od aplikacji systemu.
Przetwarzanie informacji odbywa się dla dwóch ścieżek:
kanału
z przeplotem – o większej odporności na błędy – oraz
kanału szybkiego. Stąd w skład tej warstwy wchodzą:
pseudolosowy generator sekwencji binarnych,
który reprezentuje źródło sygnału wejściowego
z wyższych warstw,
skrambler,
blok kodowania Reeda – Solomona,
blok przeplotu, w przypadku kanału z przeplotem,
bloki buforowania danych odpowiednio kanału
szybkiego i kanału z przeplotem.
(1)
(2)
Dane kanału o większej odporności na zakłócenia
poddawane są następnie operacji przeplotu splotowego
(convolutional interleaving). Długość bloku przeplotu
wynosi 32, a parametr określający jego głębokość
M = 12.
Kolejnym elementem warstwy fizycznej nadajnika
jest blok odwzorowania bitów w symbole danych
i składania ramki OFDM. Zadaniem tego bloku jest
odwzorowanie bitów z bufora ramki danych w warstwie
konwergencji
w
symbole
konstelacji
QAM
o wartościowościach od 2 do 32768, a następnie złożenie
powstałego ciągu symboli w ramkę sygnału, będącą
odzwierciedleniem jego charakterystyki w dziedzinie
częstotliwości. Ponieważ bufor ramki danych ma
rozmiar 840 bajtów, czyli 6720 bitów, a średni rozmiar
konstelacji wynosi 256, co odpowiada odwzorowaniu
jednego bajtu na symbol, jest użytych 840 nośnych.
Podział pasma, określony planem częstotliwości B,
otrzymywany
jest
przez
rozdzielenie
grupy
wykorzystywanych nośnych odpowiednią liczbą
nośnych o zerowej mocy, wymuszających brak sygnału
w przedziale od 3 MHz do 5,1 MHz. Układ składania
ramki sygnału OFDM jest również odpowiedzialny za
dołączenie 6 sygnałów pilota oraz przełączanie
nadajnika z trybu przesyłania sekwencji treningowej
w tryb transmisji danych.
Rys. 2. Schemat warstwy konwergencji nadajnika
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
2
www.pwt.et.put.poznan.pl
Sygnał wyjściowy nadajnika VDSL otrzymywany
jest w układzie nadajnika OFDM, przedstawionego
na rysunku 3. W jego skład wchodzą:
układ realizujący odwrotną szybką transformację
Fouriera (IFFT), którego celem jest modulacja
nośnych ortogonalnych sygnałami z konstelacji
QAM,
blok dołączania cyklicznego rozszerzenia symbolu
OFDM (prefiksu i sufiksu),
blok
konwersji
sygnału
równoległego
na szeregowy,
układ regulacji mocy sygnału nadawanego.
konduktancja: G = 10-6 S/km,
induktancja: L = 0.0007 H/km,
pojemność: C = 0,42·10-7 F/km,
impedancja źródła: 130 Ω/km,
- impedancja obciążenia: 130 Ω/km.
Sygnał na wejściu odbiornika jest otrzymywany
przez wykonanie operacji splotu sygnału wejściowego
VDSL z odpowiedzią impulsową kanału, której wykres
przedstawiony został na rysunku 4. Model kanału
transmisyjnego przedstawiono na rysunku 5.
-
Rys. 3. Schemat układu nadajnika OFDM
Zastosowany został blok IFFT o rozmiarze 4096,
gdyż maksymalna możliwa liczba nośnych w systemie
wynosi 2047.
Cykliczne rozszerzenie symbolu OFDM składa się
ze 170 próbek prefiksu i 150 próbek sufiksu. Jego
rozmiar cyklicznego rozszerzenia został dobrany, przy
uwzględnieniu odstępu między nośnymi wynoszącego
4,3125 kHz i częstotliwości symboli OFDM wynoszącej
4 kHz, zgodnie z równaniem [4,7]:
fs =
3.
2 N SC × ∆f
2 N SC + LCP + LCS − β
(3)
MODEL KANAŁU TRANSMISYJNEGO
Przy modelowaniu kanału transmisyjnego założono
zastosowanie
kabla
pięćdziesięcioparowego
o następujących parametrach:
długość: d = 300 m,
współczynnik strat: tgδ = 0.0002,
rezystancja: R = 130 Ω/km,
Rys. 4. Wykres odpowiedzi impulsowej kanału
Zakłócenia pochodzące z przeników generowane są
zgodnie z funkcjami widmowej gęstości mocy
zawartymi w [5]. Zakłócenia pochodzące od sygnałów
komercyjnych rozgłośni radiowych modelowane są
za pomocą dziesięciu przebiegów sinusoidalnych
o różnych częstotliwościach określonych standardem [3].
Schemat
układu
generatora
zakłóceń
został
przedstawiony na rysunku 6.
Rys. 5. Model kanału transmisyjnego VDSL
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
3
www.pwt.et.put.poznan.pl
Rys. 6. Generator zakłóceń transmisji VDSL
4.
odfiltrowanie
sygnałów
o
niepożądanych
częstotliwościach, a następnie przetworzenie go
na postać dogodną do demodulacji.
Kompensacja
zjawiska
interferencji
międzysymbolowej, powodującego zniekształcenie
sygnału danych, odbywa się poprzez zastosowanie
cyklicznego rozszerzenia, usuwanego w odbiorniku
OFDM. Następnie w układzie 4096 – punktowej
transformacji FFT otrzymywane są pary składowych
synfazowej i kwadraturowej.
Symbole z wyjścia układu odbiornika OFDM
podlegają korekcji i decyzji, a następnie rozdzieleniu
symboli danych i symboli sygnałów pilota. Otrzymane
symbole danych są z kolei odwzorowywane w wektory
bitów, w zależności od wartościowości konstelacji.
Do korekcji w dziedzinie częstotliwości został
użyty w modelu symulacyjnym filtr liniowy
wykorzystujący algorytm adaptacji oparty na kryterium
minimalizacji błędu średniokwadratowego – algorytm
LMS. Adaptacja współczynników korektora odbywa się
zgodnie z równaniem [8]:
(4)
ci ,n +1 = ci ,n − γen xn −i
i = 0,1,..., N − 1
BUDOWA ODBIORNIKA VDSL
gdzie:
Podobnie jak w przypadku nadajnika, w odbiorniku
można wyróżnić trzy podstawowe bloki funkcjonalne:
układ odbiornika OFDM z demodulacją,
układ korekcji sygnału,
warstwa konwergencji odbiornika.
Schemat układu odbiornika został przedstawiony
na rysunku 7.
Rys. 7. Układ odbiornika VDSL
Zadaniem odbiornika OFDM, przedstawionego
na rysunku 8, jest wzmocnienie odbieranego sygnału,
N −1
e n = ∑ ci , n x n −i − d n
i =0
Warstwa konwergencji odbiornika VDSL,
przedstawiona na rysunku 9, odpowiedzialna jest za
detekcję i korekcję błędów. Model symulacyjny
uwzględnia tylko elementy niezależne od aplikacji
systemu, do których należą:
układy składania ramki danych kanału szybkiego i
kanału z przeplotem,
blok odwrócenia przeplotu (deinterleaver) kanału
o większej odporności na zakłócenia,
dekoder Reeda – Solomona,
- układ deskramblera.
Parametry
bloków
przeplotu,
kodowania
i skramblingu są komplementarne z układami
w nadajniku.
Rys. 8. Schemat odbiornika OFDM
Rys. 9. Warstwa konwergencji odbiornika VDSL
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
4
www.pwt.et.put.poznan.pl
5.
Sygnał poddawany jest zakłóceniom pochodzącym
z przeników, co widoczne jest na rysunku 12,
przedstawiającym widmo gęstości mocy sygnału
na wejściu odbiornika. Jednak odpowiednia filtracja
i korekcja umożliwia prawidłową demodulację sygnału,
co
zostało
przedstawione
na
rysunku
13,
przedstawiającym widmo gęstości mocy sygnału
po filtracji.
PRZYKŁADOWE WYNIKI SYMULACJI
Powyższy układ symulacyjny posłużył do zbadania
jakości transmisji VDSL w założonych warunkach.
Sygnał
VDSL
poddawany
był
zakłóceniom
pochodzącym z przeników własnych i obcych, a także
zakłóceniom spowodowanym występowaniem szumu
tła. Badanymi parametrami, w zależności od wartości
stosunku mocy sygnału do mocy szumu, były: bitowa
stopa błędów kanału szybkiego, bitowa stopa błędów
kanału z przeplotem oraz bitowa stopa błędów na
wyjściu układu demodulacji. Wykresy bitowych stóp
błędów przedstawione zostały na rysunku 10.
1,0E+00
1,0E-01
1,0E-02
BER
1,0E-03
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
SNR [dB]
BER kanału szybkiego
BER kanału z przeplotem
BER na wyjściu układu demodulacji
Rys. 10. Wykresy bitowej stopy błędów w zależności od wartości SNR
Widmo gęstości mocy nadawanego sygnału,
przedstawione na rysunku 11, wskazuje iż transmisja
odbywa się zgodnie z planem częstotliwości B
określonym w standardach.
Rys. 12. Widmo sygnału na wejściu odbiornika
Rys. 11. Widmo sygnału nadawanego
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
5
www.pwt.et.put.poznan.pl
[4]
[5]
[6]
Rys. 13. Widmo sygnału po filtracji w odbiorniku
[7]
6.
PODSUMOWANIE
Opracowany
model
symulacyjny
systemu
transmisyjnego działającego w trybie VDSL zawiera
wszystkie najważniejsze elementy układów nadajnika
i odbiornika, działających z wykorzystaniem modulacji
OFDM oraz model kanału wraz z najistotniejszymi
źródłami zakłóceń. Budowa układu symulacyjnego
pozwala na badania obejmujące pomiary stopy błędów,
stosunku mocy sygnału do mocy szumu, a także analizę
widma sygnału, w zależności od doboru mocy
nadawanego sygnału i rodzaju zakłóceń. Dzięki
zastosowaniu pakietu Matlab/Simulink przy jego
tworzeniu jest możliwe dodanie lub szybka modyfikacja
niektórych elementów. Jednocześnie gotowe elementy
pakietu pozwalają na szybka i przejrzystą wizualizację
wyników symulacji. Jednak w przypadku analizy
bardziej skomplikowanych układów, zawierających
złożone układy kodowania, korekcji czy kompensacji
sygnałów radiowych, jest konieczne użycie własnych
elementów utworzonych na przykład z wykorzystaniem
języka programowania C++. Wykorzystywane są
do tego specjalne bloki umożliwiające wstawienie kodu
programu napisanego w innym języku do modelu
symulacyjnego tworzonego w pakiecie Simulink.
Utworzony model symulacyjny systemu transmisyjnego
VDSL stanowi podstawę do przyszłych eksperymentów
i badań nad nowymi rozwiązaniami nadajnika
i odbiornika VDSL.
[8]
Telecommunications Standards Institute, France,
1999
ETSI TS 101 270-2 V1.1.1 (2001-02),
Transmission and Multiplexing (TM); Access
transmission systems on metallic access cables;
Very high speed Digital Subscriber Line (VDSL);
Part 2: Transceiver specification, European
Telecommunications Standards Institute, France,
2001
Starr T., Cioffi J. M., Silverman P. J.:
Understanding
Digital
Subscriber
Line
Technology, Prentice Hall PTR, 1999
T1E1.4/2002- 031R2, Very-high-bit-rate Digital
Subscriber Line (VDSL) Metallic Interface, Part 1:
Functional Requirements and Common
Specification, ANSI T1 Working Group T1E1.4
(DSL Access), Vancouver, Canada, February 2002
T1E1.4/2002-099, Very-high bit-rate Digital
Subscriber Lines (VDSL) Metallic Interface, Part
3: Technical Specification of a Multi-Carrier
Modulation Transceiver, ANSI T1 Working Group
T1E1.4 (DSL Access), , Vancouver - Canada,
February 2002
Wesołowski K.: Podstawy cyfrowych systemów
telekomunikacyjnych, Wydawnictwo Komunikacji i
Łączności, grudzień 2003
SPIS LITERATURY
[1] Bingham J. A. C.: ADSL, VDSL, and Multicarrier
Modulation,
John
Wiley
&
Sons,
2000
[2] Bogucka H., Sawicki J.: Analiza i projektowanie
układów telekomunikacyjnych z wykorzystaniem
pakietu
MATLAB-SIMULINK,
Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1999
[3] ETSI TS 101 270-1 V1.2.1 (1999-10),
Transmission and Multiplexing (TM);Access
transmission systems on metallic access cables;
Very high speed Digital Subscriber Line (VDSL);
Part 1: Functional requirements, European
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
6