Voice over xDSL - ZST - Politechnika Wrocławska

Voice over xDSL - ZST - Politechnika Wrocławska

Tomasz Rogowski
Bogdan Miazga
Instytut Telekomunikacji i Akustyki
Politechnika Wrocławska
Voice over xDSL
STRESZCZENIE
W referacie przedstawiono przegląd zagadnień dotyczących przekazywania głosu w systemach xDSL.
Zwrócono szczególną uwagę na problemy związane z dostarczaniem cyfrowych usług szerokopasmowych
przez linię abonencką (parę miedzianą) z zachowaniem ciągłości istniejących usług telefonicznych klasy
POTS, jak również kierunki ewolucji do całkowicie cyfrowej, zunifikowanej usługowo, szerokopasmowej
pętli abonenckiej.
WSTĘP
Pod pojęciem xDSL (Digital Subscriber Line) kryje się cała rodzina rozwiązań
technicznych cyfrowego dostępu abonenckiego, wykorzystująca istniejące, skręcane pary
miedziane. Obejmuje ona obecnie kilkanaście odrębnych technologii o różnych
przepływnościach i zasięgach.
Powstawanie kolejnych standardów jest rezultatem rozwoju technik przetwarzania
i transmisji sygnałów cyfrowych realizowanych na symetrycznych parach miedzianych. Oprócz
wykorzystania istniejącej infrastruktury sieci dostępowej, ogromną zaletą technik xDSL jest
możliwość współistnienia, bez wzajemnego zakłócania się, usług szerokopasmowych i
tradycyjnych usług telefonicznych klasy POTS (Plain Old Telephone Services) lub ISDN
(Integrated Services Digital Network).
RODZINA ROZWIĄZAŃ xDSL
Techniki DSL można podzielić na trzy grupy: symetryczny DSL (m.in. IDSL),
asymetryczny DSL (ADSL) i VDSL. Przegląd istniejących technologii przedstawiono
na rysunku 1. Taka różnorodność rozwiązań pozwala oferować usługi transmisji głosu i danych
dla bardzo zróżnicowanych grup użytkowników.
ROZWIĄZANIA
xDSL
SDSL
standard
IDSL
HDSL
HDSL2
ADSL
VDSL
warianty
standard
warianty
SDSL
MDSL
G.SHDSL
ADSL
RADSL
G.LITE
CDSL
EZ-DSL
DSL (Digital Subscriber Line)
IDSL (ISDN DSL)
HDSL (High Speed DSL)
MDSL (Multirate DSL)
standard
warianty
VDSL
?
RADSL (Rate Adaptive DSL)
CDSL (Consumer DSL)
VDSL (Very High DSL)
SDSL (Symetric/Single Pair DSL)
EZ-DSL (Easy/splitterless DSL)
Rys. 1. Standardy i warianty rozwiązań xDSL.
Najbardziej rozpowszechnioną w Europie techniką cyfrowego dostępu abonenckiego jest
IDSL. Rozwiązanie to jest dedykowane dla użytkowników korzystających głównie z usługi
telefonicznej (POTS) lub zbyt oddalonych od węzła dostępowego lub centrali telefonicznej, aby
istniała obecnie możliwość zastosowania ADSL lub HDSL. Pozwala ono również abonentom,
którzy wykorzystywali dotychczas ISDN wyłącznie dla połączeń głosowych, realizować usługi
transmisji danych (np. dostęp do sieci Internet) bez dodatkowych inwestycji w wyposażenie
abonenckie (CPE - Customer Premises Equipment). Typowe przepływności oferowane w tej
technice wynoszą 128 kbit/s (2B) lub 144 kbit/s (2B + D na dostępie BRA) w symetrycznym
dupleksie.
Rozwiązania SDSL o większych przepływnościach (np. HDSL, MDSL) są bardziej
atrakcyjne dla klientów biznesowych i pozwalają na realizację usług zdalnego dostępu (np.
telepraca, wideokonferencje, telenauczanie itp.). Przepływności do 1,5 Mbit/s od i do klienta (np.
telepracownika), pozwalają na kreowanie połączeń typu LAN z usługami VPN. Zdalni
pracownicy mają wówczas zapewniony dostęp do usług sieci korporacyjnej i zasobów serwerów
przez szybkie i symetryczne łącza.
Dla użytkowników Internetu bardziej odpowiedni dostęp do zasobów zapewnia ADSL.
Technika ta może zaspokajać potrzeby dużego rynku odbiorców domowych,
a asymetryczny charakter połączeń jest idealny do korzystania z usług WWW (World Wide Web)
lub VoD (Video on Demand). Standardowa wersja ADSL zapewnia przepływność do
8 Mbit/s do użytkownika (downstream) i do 640 kbit/s od użytkownika (upstream), a wersja
bezspliterowa odpowiednio 1,5 Mbit/s i 640 kbit/s. W wyniku dużego zainteresowania
użytkowników i bogatej oferty sprzętowej, technika ta jest w stanie konkurować z rozwiązaniami
oferowanymi przez modemy kablowe.
Cyfrowa pętla abonencka o bardzo dużej przepływności VDSL (Very high data rate DSL)
należy do najszybszych technologii z rodziny xDSL wykorzystujących pojedynczą parę
miedzianą. Poza udostępnianiem usług oferowanych przez ADSL i SDSL, rozwiązania VDSL
pozwolą operatorom telekomunikacyjnym na transmisję szerokopasmową, m. in. sygnałów
telewizji wysokiej rozdzielczości HDTV (High Definition Television). Standardy dotyczące
VDSL są wciąż opracowywane. Możliwości transmisyjne rozwiązań xDSL i przykładowe
aplikacje przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Możliwości transmisyjne rozwiązań DSL.
Technologia
Przepływność w kierunku do
abonenta
Przepływność Przykładowe
w kierunku od aplikacje
abonenta
Modemy analogowe
V.22, V.34, V.90
1,2 kbit/s do 56 kbit/s
symetryczne,
asymetryczne
ADSL
(Asymmetric
Digital Subscriber Line)
1,544 Mbit/s do 6 km odległości
2,028 Mbit/s do 5,2 km odległości
od 16 do 640k
bit/s
wymiana danych
dostęp do sieci Internet,
usługi multimedialne
6,312 Mbit/s do 4 km odległości
8,448 Mbit/s do 3 km odległości
IDS (ISDN DSL)
128 kbit/s, 144 kbit/s do 10 km
symetryczne
usługi ISDN
SDSL
(Symmetric (Single) SDL)
od 160 kbit/s do 2,3 Mbit/s
symetryczne
dostęp E1 do LAN, WAN
G.lite SDL
1,544 Mbit/s, ADSL bez spliterów
640k bit/s
dostęp do sieci Internet
HDSL (High bit rate DSL)
n x 64 kbit/s do 2,028 Mbit/s, E1
symetryczne
dostęp E1 do LAN, WAN
VDSL
(Very high bit rate DSL)
12,96 Mbit/s do 1,5 km odległości
symetryczne,
asymetryczne
dostęp do sieci Internet,
usługi multimedialne,
HDTV
25,82 Mbit/s do 1km odległości
51,48 Mbit/s do 350 m odległości
WSPÓŁISTNIENIE PRZEKAZU GŁOSU I DANYCH W PĘTLI ABONENCKIEJ
Sieci cyfrowe z integracją usług ISDN o przepływnościach 128 kbit/s (BRA) i 2,048
Mbit/s (PRA), rozwijane głównie w Europie, stały się pierwszą techniką cyfrowego przekazu
głosu w sieci dostępowej. Chociaż poszczególne techniki xDSL wykorzystują inne metody
transmisji danych i głosu, dostarczają użytkownikowi podobnych usług telekomunikacyjnych.
W związku z tym mogą one rywalizować między sobą o „głos klienta”, koegzystować obok
siebie (np. ISDN + ADSL) lub dążyć do integracji zapewniając użytkownikowi dostęp do sieci
szerokopasmowej BISDN (Broadband ISDN) opartej na protokole ATM (Asynchronous
Transfer Mode). Rysunek 2 przedstawia możliwości współistnienia na łączu abonenckim
technologii ISDN i ADSL.
POTS
A
ADSL
(up)
0 4
40
ADSL (down)
(DMT, CAP)
100
f [kHz]
1100
A
ADSL (down)
(DMT, CAP)
ISDN (4B3T)
0
120
f [kHz]
1100
A
ISDN
(2B1Q)
0
ADSL (down)
(DMT, CAP)
80
f [kHz]
1100
DMT - Discrete Multitone Technology
CAP - Carrierless Amplitude and Phase Modulation
Rys. 2. Różne warianty świadczenia tradycyjnej usługi telefonicznej z wykorzystaniem
techniki xDSL.
Dostęp podstawowy (64/128 kbit/s) w sieci cyfrowej ISDN-BRA (IDSL) można
zrealizować wykorzystując dowolny rodzaj mediów (para miedziana, światłowód lub łącze
radiowe), a w celu zwiększenia długości łącza stosuje się regeneratory sygnału. Ponadto istnieje
możliwość agregowania sygnałów cyfrowych i transmisji informacji poprzez sieci optyczne na
dowolne odległości. Dostępna jest również aplikacja sieci ISDN pozwalająca na bardziej
efektywną współpracę z siecią Internet – usługa AO/DI (Always On / Dynamic ISDN). W tym
rozwiązaniu dynamiczna alokacja kanałów B do jednoczesnej obsługi połączeń telefonicznych,
telefaksowych, czy internetowych eliminuje problem zajętości łącza cyfrowego w kierunku
do i z sieci z możliwością utrzymania trwałego połączenia do sieci Internet w kanale D. Sposób
działania usługi AO/DI ilustruje rysunek 3.
SIEĆ
PAKIETOW A
(INTERNET)
Telefon
2 kanały B
128 kbit/s
Telefax
aplikacja
AO /DI
NT
kanał D
16 kbit/s
Serwer
SIEĆ
PSTN
Komputer
1
2
3
4
5
6
7
8
9
*
8
#
Telefon ISDN
Rys. 3. Usługa VoDSL realizowana w środowisku ISDN wykorzystująca AO/DI.
Istotną zaletą rozwiązań xDSL (z wyjątkiem IDSL) jest możliwość przesyłania
informacji ze znacznie większymi szybkościami sięgającymi nawet 50 Mbit/s w kierunku do
abonenta i około 2Mbit/s w kierunku sieci. Głównym ograniczeniem wykorzystania technik
xDSL jest odległość pomiędzy abonentem, a węzłem dostępowym lub centralą. Stosowanie
regeneratorów w rozwiązaniach xDSL (z wyjątkiem rodziny SDSL) nie jest praktycznie
możliwe, głównie z powodu bardzo wysokiej ceny.
Integracja techniki ISDN i xDSL pozwala na zachowanie zalet obydwu rozwiązań:
przekazu głosu z zachowaniem jakości dostępnej w sieci komutacji kanałów niezależnie od
odległości oraz dostępność szerokiego pasma dla usług transmisji danych. Co więcej metodę tę
można stosować także do wydzielenia połączeń głosowych POTS z przekazów ADSL
z zachowaniem możliwości korzystania z dotychczasowych usług telefonicznych.
- splitter tradycyjny
(xDSL/POTS,
xDSL/ISDN)
para miedziana
rozgałęźnik
(splitter)
MODEM
xDSL
FG
FD
U
Komputer
NT
Telefon
S
- splittery rozproszone
para miedziana
POTS
- bez splittera
(xDSL over POTS)
para miedziana
POTS
FG
MODEM
xDSL
FD
FG
Komputer
Telefon
MODEM
xDSL
Komputer
Telefon
Rys. 4. Rozwiązania wyposażeń abonenckich udostępniających POTS na łączach xDSL.
Dynamiczny rozwój technologii DSL powoduje powstawanie wielu niespójnych
rozwiązań. Ta różnorodność jest przyczyną problemów z integracją dostępnych urządzeń na
poziomie technicznym i usługowym. W technologii xDSL do wydzielenia strumienia ADSL
stosuje się filtry górnoprzepustowe, a do wydzielenia kanału POTS lub ISDN filtrów
dolnoprzepustowych. Filtry te mają, w zależności od rozwiązania i producenta, różne
charakterystyki przenoszenia i częstotliwości graniczne. Rozwiązania wyposażeń abonenckich
udostępniających POTS na łączach xDSL ilustruje rysunek 4.
VOICE OVER DSL (VoDSL)
Pierwsze opracowania komercyjne technologii xDSL (Bellecore), wprowadzone w USA,
były przeznaczone wyłącznie do świadczenia usługi VoD z przepływnością 1,5 Mbit/s
i skomprymowanych sygnałów audio i wideo – 64 kbit/s. Pozytywne doświadczenia z testów
i eksploatacji tych sieci pozwoliły rozszerzyć zakres oferowanych usług, nie tylko o połączenia
głosowe, ale również o usługi pakietowe. W rozwiązaniu firmy Bellecore zastosowano dyskretną
modulację wielotonową DMT (Discrete Multitone Technology), uznaną w 1995 roku za
międzynarodowy standard (ANSI, ETSI, ITU). Alternatywnym sposobem modulacji sygnałów
szerokopasmowych stosowanym w xDSL jest CAP (Carrierlees Amplitude and Phase
Modulation). Zastosowanie modulacji CAP umożliwia teoretycznie nieograniczone szybkości
transmisji dzięki zwiększaniu ilości punktów znamiennych (konstelacji sygnałów), ale pojawiają
się techniczne problemy z zapewnieniem wymaganego, minimalnego stosunku S/N.
Stosowane w rozwiązaniach xDSL techniki modulacji przedstawiono na rysunku 5.
2B1Q
U
CAP
DMT
A
+3
10
+1
11
-1
01
-3
00
duobity
informacji
punkty
konstelacji
(16)
f [kHz]
podnośne
Rys. 5. Przykłady modulacji stosowanych w xDSL.
Technika ADSL, podobnie jak wszystkie pokrewne rozwiązania DSL, zapewniają bardzo
elastycznie usługi transportowe dla aplikacji takich jak: dostęp do sieci Internet, dostęp do sieci
LAN, telewizja kablowa, teleedukacja, itp.
Zdecydowanie najważniejszą obecnie aplikacją kształtującą rozwój xDSL jest usługa
VoDSL. Technologia konwersji połączeń głosowych do formatu pakietów, multipleksacja i ich
transmisja przez pojedynczą parę miedzianą pozwala na zmniejszenie kosztów połączeń
telefonicznych dla klientów z sektora małego biznesu i użytkowników domowych. Rozwiązania
DSL są dedykowane dla sieci pakietowych i pozwalają aplikacjom VoDSL na wykorzystanie
dodatkowej przepływności dostarczanej przez łącza DSL zarówno dla dodatkowych kanałów
głosowych, jak i danych. Rozwiązanie takie pozwala świadczyć różnorodne usługi
(w przeciwieństwie do usług tylko głosowych lub tylko transmisji danych) na pojedynczej pętli
abonenckiej. Dodatkowo aplikacja VoDSL pozwala na dynamiczne zagospodarowanie
dostępnych zasobów. Oznacza to, iż połączenia głosowe zajmują pasmo tylko w czasie
aktywności rozmówców, a w przeciwnym przypadku pasmo jest dostępne dla innych aplikacji,
np. głosowych lub dostępu do sieci Internet. Aby rozwiązania VoDSL cieszyły się
zainteresowaniem abonentów muszą oferować usługę wraz z wszystkimi funkcjami
dodatkowymi, pozwalać na wykorzystanie posiadanych przez klienta urządzeń końcowych oraz
gwarantować jakość świadczonej usługi na poziomie porównywalnym z POTS. Wprowadzenie
usługi VoDSL wymaga rozbudowy i doposażenia sieci telekomunikacyjnej o następujące
elementy:
1. Zintegrowane urządzenie dostępowe (IAD) dostarczające interfejsów pomiędzy DSL,
a sieciowym wyposażeniem abonenckim.
2. Multiplekser linii DSL (DSLAM).
3. Węzeł dostępowy (Access Data Switch) separujący ruch pomiędzy siecią transmisji
danych i PSTN.
4. Brama głosowa (VG) realizująca funkcje konwertera sygnalizacji i danych (analogowych,
cyfrowych) pomiędzy siecią pakietową i PSTN.
Na rysunku 6 przedstawiono architekturę VoDSL.
Sieć pakietowa
transmisji
danych (Packet Backbone
Network)
Access
Data
Switch
Sieć telefoniczna
PSTN
Brama głosowa
(Voice Gateway)
Centrala końcowa
(Class 5 Switch)
DSLAM
xDSL
DSLAM - DSL Access Multiplexer
IAD - Integrated Access Device
CPE - Customer Premises Equipment
CPE
IAD
głos
dane
Rys. 6. Architektura VoDSL.
Obecnie ADSL Forum rozważa dwa alternatywne protokoły transportowe dla
implementacji usługi VoDSL: IP (Internet Protocol) i ATM. W związku z tym, że protokół IP
aktualnie nie posiada mechanizmów zapewniających QoS (Quality of Service), preferowane są,
rozwiązania oparte na protokole ATM (ALL2), który oferuje dojrzałe mechanizmy QoS. Poza
tym szacuje się, że około 90% zainstalowanych urządzeń DSLAM używa protokołu ATM do
komunikacji z węzłami dostępowymi (Access Data Switch), co pozwala na zastosowanie jednej
technologii sieciowej w obszarze dostępowym oraz w rdzeniu sieci. Do sterowania i sygnalizacji
w architekturze VoDSL proponowane są protokoły: H.323, H.248 i SIP (Session Initiation
Protocol).
PODSUMOWANIE
Można zauważyć, iż jednym z głównych kierunków rozwoju technologii xDSL jest
dążenie do dostarczania usług głosowych i transmisji danych poprzez jeden zunifikowany
interfejs, co jest zgodne z koncepcją sieci BISDN.
Usługa VoDSL pozwala na konwergencję środowiska PSTN i transmisji danych
w obrębie sieci dostępowej. Zastosowanie tego rozwiązania jest w stanie znacząco obniżyć
koszty dostępu do sieci, gdyż wykorzystuje istniejące zasoby kablowe, oferuje skalowalne
pasmo dla transmisji danych oraz głosu i nie wymaga od abonenta dodatkowych inwestycji
związanych z wymianą urządzeń końcowych.
BIBLIOGRAFIA
[1]. Koletka B., ISDN czy ADSL, Nowoczesne technologie w sieciach teleinformatycznych,
1/2001.
[2]. Urbanek A. Przekaz głosu w DSL, NetWorld 5/2001.
[3]. Technologie sieci rozległych, Vademecum teleinformatyka, NetWorld, 2001.
[4]. Voice over Digital Subscriber Line (VoDSL), The International Engineering Consortium,
www.iec.org.
[5]. Voice-over-Digital Subscriber Line (VoDSL) Service-New Revenue from Existing
Infrastructure, The International Engineering Consortium, www.iec.org.
[6]. Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), The International Engineering
Consortium, www.iec.org.