ZASTOSOWANIE PAKIETU SIMULINK DO MODELOWANIA TRANSMISJI VDSL*

Transkrypt

1 Paweł Sroka Politechika Pozańska Istytut Elektroiki i Telekomuikacji psroka@et.put.poza.pl 2004 Pozańskie Warsztaty Telekomuikacyje Pozań 9-10 grudia 2004 ZASTOSOWANIE PAKIETU SIMULINK DO MODELOWANIA TRANSMISJI VDSL* Streszczeie: W artykule przedstawioo model symulacyjy systemu trasmisyjego VDSL wykorzystującego modulację OFDM. Opisao modele układów adajika i odbiorika oraz model kaału trasmisyjego wykoae przy pomocy pakietu Matlab/Simulik. Zaprezetowao wyiki przykładowych przebiegów symulacyjych obrazujące działaie symulatora. 1. WPROWADZENIE Wzrost zapotrzebowaia a dostęp do iformacji oraz usług multimedialych, przy jedoczesym rozwoju techiki komputerowej i elektroiki powszechego użytku, powoduje koieczość poszukiwaia owych metod trasmisji daych, pozwalających a zwiększeie przepływości systemów trasmisyjych. Techologią, która wykorzystuje jako medium łącze aboeckie, pozwalając a ajszersze korzystaie z usług dostępych w sieci, jest rozwijaa w ostatim czasie techika szerokopasmowej trasmisji daych VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Lie). Techologia VDSL może być uważaa za rozwiięcie stadardu ADSL, a jedocześie jest kompatybila z usługami opartymi a techologiach SDH, czy ATM. Większe możliwości trasmisyje systemów zgodych z tym stadardem są osiągae przez użycie pasma częstotliwości o szerokości rzędu 10 do 30 MHz. W związku z tym poważie ograiczoy jest zasięg systemu trasmisyjego do 1 km, gdyż tłumieie sygałów o wysokich częstotliwościach w pętli aboeckiej jest bardzo sile. VDSL dopuszcza trasmisję zarówo w trybie asymetryczym jak i symetryczym, zapewiając przepływości do 56 Mbit/s w trybie asymetryczym i 26 Mbit/s w każdym kieruku w trybie symetryczym. Pasmo częstotliwości wykorzystywae w trasmisji rozciąga się od 138 khz do 30 MHz [3, 6]. Jedocześie zachowując kompatybilość z usługami protokołów wyższych warstw, takich jak ATM czy SDH, system trasmisyjy VDSL zapewia trasmisję dwóch ścieżek daych: kaału z przeplotem, przezaczoego dla daych wymagających szczególie silego zabezpieczeia przed zakłóceiami oraz kaału szybkiego, służącego do przesyłaia daych wymagających małych opóźień. Wykorzystaie szerokiego pasma częstotliwości w trasmisji VDSL powoduje, że przesyłay sygał daych jest arażoy a sile zakłóceia różego pochodzeia. Najsiliejszym typem zakłóceń w pętli aboeckiej są przeiki zbliże i zdale sygału, * Praca przygotowaa częściowo w ramach projektu VIPNet VDSL Techology for Improved Performace i the Access Network realizowaego w ramach iicjatywy UE Eureka zarówo pochodzeia obcego (przeiki sygału iych rodzajów systemów działających w obrębie tej samej wiązki łączy) jak i własego (przeiki sygału VDSL z iych systemów działających w obrębie tej samej wiązki łączy). W szczególości wyróżić moża zakłóceia pochodzące z trasmisji HDSL, w przedziale częstotliwości od 138 khz do 300 khz, ADSL, o paśmie do 1,1 MHz, a także iych systemów VDSL wykorzystujących te sam kabel. Oprócz przeików, bardzo poważym źródłem zakłóceń trasmisji VDSL są szumy pochodzeia radiowego. W ich ramach moża wyróżić przede wszystkim zakłóceia spowodowae iterferecją z sygałami komercyjych stacji radiowych oraz zakłóceia pochodzące od sygałów adajików amatorskich. Powodują oe dalsze ograiczeia możliwości trasmisyjych systemu VDSL w określoych przedziałach częstotliwości. Obecość tak szerokiej gamy sygałów zakłócających o relatywie dużej mocy (w przypadku sygałów radia amatorskiego moc zakłóceń może osiągać awet wartość 0 dbm) powoduje koieczość zastosowaia skomplikowaych rozwiązań w układzie trasceivera VDSL, takich jak zaawasowae układy korekcji sygału, czy kompesacji sygałów radiowych. Stąd jest koiecze przeaalizowaie wpływu różych rozwiązań układu trasceivera VDSL a jakość trasmisji daych. Do tego może być wykorzystay pakiet Matlab/Simulik, który pozwala a dokłade modelowaie układów adajika i odbiorika, a także szybką i wygodą prezetację wyików symulacji działaia układu. 2. BUDOWA NADAJNIKA VDSL Zadaiem przedstawioego systemu jest zapewieie całkowitej przepływości daych użytkowika rzędu kbit/s w przypadku trasmisji w dół. W związku z tym model odosi się do struktury i działaia modemu klasy A4 (asymetryczy) lub S4 (symetryczy). Model obrazuje połączeie typu FTTCab o zwielokrotieiu FDD, wykorzystujące pasmo częstotliwości określoe plaem B. Tak więc do trasmisji w dół przezaczoe są przedziały od 138 khz do 3 MHz i od 5,1 MHz do 7 MHz [3,6]. Jedak ze względu a obecość sygałów ADSL i HDSL w łączu, dola graica pasma systemu została przesuięta do wartości 1,1 MHz [1]. Maksymala PWT 2004, Pozań 9-10 grudia

2 liczba dostępych ośych w systemie wyosi 2047 (gdyż składowa stała ie jest wykorzystywaa), jedak do trasmisji w dół używaych jest wyłączie 840 ośych daych i 6 ośych sygałów pilota. Układ adajika, przedstawioy a rysuku 1, składa się z elemetów realizujących kodowaie admiarowe, składaie ramki sygału OFDM, odwzorowaie bitów w symbole QAM oraz geerowaie sygału OFDM i sterowaie jego mocą. Układ skramblera dokouje radomizacji wejściowego strumieia biarego zgodie z rówaiem [4, 7]: x() = m() + x( 18) + x( 23) (1) Dae wyjściowe ze scramblera są dalej przetwarzae w układzie bajtowego kodera Reeda Solomoa. Wektor daych iformacji wejściowej kodera ma długość 128 bajtów. Słowo kodowe, o długości 144 bajtów, tworzoe jest poprzez podzieleie przesuiętego wielomiau iformacyjego przez wielomia geerujący, określoy rówaiem [4, 7]: G(x) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 +1 (2) Rys. 1. Model układu adajika VDSL wykorzystującego modulację OFDM Warstwa kowergecji (PMS TC Physical Media Specific Trasmissio Covergece) modelu symulacyjego, przedstawioa a rysuku 2, uwzględia tylko fukcje skrambligu, kodowaia admiarowego i przeplotu iezależe od aplikacji systemu. Przetwarzaie iformacji odbywa się dla dwóch ścieżek: kaału z przeplotem o większej odporości a błędy oraz kaału szybkiego. Stąd w skład tej warstwy wchodzą: - pseudolosowy geerator sekwecji biarych, który reprezetuje źródło sygału wejściowego z wyższych warstw, - skrambler, - blok kodowaia Reeda Solomoa, - blok przeplotu, w przypadku kaału z przeplotem, - bloki buforowaia daych odpowiedio kaału szybkiego i kaału z przeplotem. Dae kaału o większej odporości a zakłóceia poddawae są astępie operacji przeplotu splotowego (covolutioal iterleavig). Długość bloku przeplotu wyosi 32, a parametr określający jego głębokość M = 12. Kolejym elemetem warstwy fizyczej adajika jest blok odwzorowaia bitów w symbole daych i składaia ramki OFDM. Zadaiem tego bloku jest odwzorowaie bitów z bufora ramki daych w warstwie kowergecji w symbole kostelacji QAM o wartościowościach od 2 do 32768, a astępie złożeie powstałego ciągu symboli w ramkę sygału, będącą odzwierciedleiem jego charakterystyki w dziedziie częstotliwości. Poieważ bufor ramki daych ma rozmiar 840 bajtów, czyli 6720 bitów, a średi rozmiar kostelacji wyosi 256, co odpowiada odwzorowaiu jedego bajtu a symbol, jest użytych 840 ośych. Podział pasma, określoy plaem częstotliwości B, otrzymyway jest przez rozdzieleie grupy wykorzystywaych ośych odpowiedią liczbą ośych o zerowej mocy, wymuszających brak sygału w przedziale od 3 MHz do 5,1 MHz. Układ składaia ramki sygału OFDM jest rówież odpowiedzialy za dołączeie 6 sygałów pilota oraz przełączaie adajika z trybu przesyłaia sekwecji treigowej w tryb trasmisji daych. Rys. 2. Schemat warstwy kowergecji adajika PWT 2004, Pozań 9-10 grudia

3 Sygał wyjściowy adajika VDSL otrzymyway jest w układzie adajika OFDM, przedstawioego a rysuku 3. W jego skład wchodzą: - układ realizujący odwrotą szybką trasformację Fouriera (IFFT), którego celem jest modulacja ośych ortogoalych sygałami z kostelacji QAM, - blok dołączaia cykliczego rozszerzeia symbolu OFDM (prefiksu i sufiksu), - blok kowersji sygału rówoległego a szeregowy, - układ regulacji mocy sygału adawaego. - koduktacja: G = 10-6 S/km, - iduktacja: L = H/km, - pojemość: C = 0, F/km, - impedacja źródła: 130 Ω/km, - impedacja obciążeia: 130 Ω/km. Sygał a wejściu odbiorika jest otrzymyway przez wykoaie operacji splotu sygału wejściowego VDSL z odpowiedzią impulsową kaału, której wykres przedstawioy został a rysuku 4. Model kaału trasmisyjego przedstawioo a rysuku 5. Rys. 3. Schemat układu adajika OFDM Zastosoway został blok IFFT o rozmiarze 4096, gdyż maksymala możliwa liczba ośych w systemie wyosi Cyklicze rozszerzeie symbolu OFDM składa się ze 170 próbek prefiksu i 150 próbek sufiksu. Jego rozmiar cykliczego rozszerzeia został dobray, przy uwzględieiu odstępu między ośymi wyoszącego 4,3125 khz i częstotliwości symboli OFDM wyoszącej 4 khz, zgodie z rówaiem [4,7]: f s = 2N SC 2N + L SC CP f + L CS β 3. MODEL KANAŁU TRANSMISYJNEGO (3) Przy modelowaiu kaału trasmisyjego założoo zastosowaie kabla pięćdziesięcioparowego o astępujących parametrach: - długość: d = 300 m, - współczyik strat: tgδ = , - rezystacja: R = 130 Ω/km, Rys. 4. Wykres odpowiedzi impulsowej kaału Zakłóceia pochodzące z przeików geerowae są zgodie z fukcjami widmowej gęstości mocy zawartymi w [5]. Zakłóceia pochodzące od sygałów komercyjych rozgłośi radiowych modelowae są za pomocą dziesięciu przebiegów siusoidalych o różych częstotliwościach określoych stadardem [3]. Schemat układu geeratora zakłóceń został przedstawioy a rysuku 6. Rys. 5. Model kaału trasmisyjego VDSL PWT 2004, Pozań 9-10 grudia

4 Rys. 6. Geerator zakłóceń trasmisji VDSL 4. BUDOWA ODBIORNIKA VDSL Podobie jak w przypadku adajika, w odbioriku moża wyróżić trzy podstawowe bloki fukcjoale: - układ odbiorika OFDM z demodulacją, - układ korekcji sygału, - warstwa kowergecji odbiorika. Schemat układu odbiorika został przedstawioy a rysuku 7. Rys. 7. Układ odbiorika VDSL Zadaiem odbiorika OFDM, przedstawioego a rysuku 8, jest wzmocieie odbieraego sygału, odfiltrowaie sygałów o iepożądaych częstotliwościach, a astępie przetworzeie go a postać dogodą do demodulacji. Kompesacja zjawiska iterferecji międzysymbolowej, powodującego ziekształceie sygału daych, odbywa się poprzez zastosowaie cykliczego rozszerzeia, usuwaego w odbioriku OFDM. Następie w układzie 4096 puktowej trasformacji FFT otrzymywae są pary składowych syfazowej i kwadraturowej. Symbole z wyjścia układu odbiorika OFDM podlegają korekcji i decyzji, a astępie rozdzieleiu symboli daych i symboli sygałów pilota. Otrzymae symbole daych są z kolei odwzorowywae w wektory bitów, w zależości od wartościowości kostelacji. Do korekcji w dziedziie częstotliwości został użyty w modelu symulacyjym filtr liiowy wykorzystujący algorytm adaptacji oparty a kryterium miimalizacji błędu średiokwadratowego algorytm LMS. Adaptacja współczyików korektora odbywa się zgodie z rówaiem [8]: ci, + 1 = ci, γ e x i i = 0,1,..., N 1 (4) gdzie: e N = 1 ci, x i i= 0 d Warstwa kowergecji odbiorika VDSL, przedstawioa a rysuku 9, odpowiedziala jest za detekcję i korekcję błędów. Model symulacyjy uwzględia tylko elemety iezależe od aplikacji systemu, do których ależą: - układy składaia ramki daych kaału szybkiego i kaału z przeplotem, - blok odwróceia przeplotu (deiterleaver) kaału o większej odporości a zakłóceia, - dekoder Reeda Solomoa, - układ deskramblera. Parametry bloków przeplotu, kodowaia i skrambligu są komplemetare z układami w adajiku. Rys. 8. Schemat odbiorika OFDM Rys. 9. Warstwa kowergecji odbiorika VDSL PWT 2004, Pozań 9-10 grudia

5 5. PRZYKŁADOWE WYNIKI SYMULACJI Powyższy układ symulacyjy posłużył do zbadaia jakości trasmisji VDSL w założoych warukach. Sygał VDSL poddaway był zakłóceiom pochodzącym z przeików własych i obcych, a także zakłóceiom spowodowaym występowaiem szumu tła. Badaymi parametrami, w zależości od wartości stosuku mocy sygału do mocy szumu, były: bitowa stopa błędów kaału szybkiego, bitowa stopa błędów kaału z przeplotem oraz bitowa stopa błędów a wyjściu układu demodulacji. Wykresy bitowych stóp błędów przedstawioe zostały a rysuku 10. Sygał poddaway jest zakłóceiom pochodzącym z przeików, co widocze jest a rysuku 12, przedstawiającym widmo gęstości mocy sygału a wejściu odbiorika. Jedak odpowiedia filtracja i korekcja umożliwia prawidłową demodulację sygału, co zostało przedstawioe a rysuku 13, przedstawiającym widmo gęstości mocy sygału po filtracji. 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 BER 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 1,0E-07 1,0E SNR [db] BER kaału szybkiego BER kaału z przeplotem BER a wyjściu układu demodulacji Rys. 10. Wykresy bitowej stopy błędów w zależości od wartości SNR Widmo gęstości mocy adawaego sygału, przedstawioe a rysuku 11, wskazuje iż trasmisja odbywa się zgodie z plaem częstotliwości B określoym w stadardach. Rys. 12. Widmo sygału a wejściu odbiorika Rys. 11. Widmo sygału adawaego PWT 2004, Pozań 9-10 grudia

6 Rys. 13. Widmo sygału po filtracji w odbioriku 6. PODSUMOWANIE Opracoway model symulacyjy systemu trasmisyjego działającego w trybie VDSL zawiera wszystkie ajważiejsze elemety układów adajika i odbiorika, działających z wykorzystaiem modulacji OFDM oraz model kaału wraz z ajistotiejszymi źródłami zakłóceń. Budowa układu symulacyjego pozwala a badaia obejmujące pomiary stopy błędów, stosuku mocy sygału do mocy szumu, a także aalizę widma sygału, w zależości od doboru mocy adawaego sygału i rodzaju zakłóceń. Dzięki zastosowaiu pakietu Matlab/Simulik przy jego tworzeiu jest możliwe dodaie lub szybka modyfikacja iektórych elemetów. Jedocześie gotowe elemety pakietu pozwalają a szybka i przejrzystą wizualizację wyików symulacji. Jedak w przypadku aalizy bardziej skomplikowaych układów, zawierających złożoe układy kodowaia, korekcji czy kompesacji sygałów radiowych, jest koiecze użycie własych elemetów utworzoych a przykład z wykorzystaiem języka programowaia C++. Wykorzystywae są do tego specjale bloki umożliwiające wstawieie kodu programu apisaego w iym języku do modelu symulacyjego tworzoego w pakiecie Simulik. Utworzoy model symulacyjy systemu trasmisyjego VDSL staowi podstawę do przyszłych eksperymetów i badań ad owymi rozwiązaiami adajika i odbiorika VDSL. Telecommuicatios Stadards Istitute, Frace, 1999 [4] ETSI TS V1.1.1 ( ), Trasmissio ad Multiplexig (TM); Access trasmissio systems o metallic access cables; Very high speed Digital Subscriber Lie (VDSL); Part 2: Trasceiver specificatio, Europea Telecommuicatios Stadards Istitute, Frace, 2001 [5] Starr T., Cioffi J. M., Silverma P. J.: Uderstadig Digital Subscriber Lie Techology, Pretice Hall PTR, 1999 [6] T1E1.4/ R2, Very-high-bit-rate Digital Subscriber Lie (VDSL) Metallic Iterface, Part 1: Fuctioal Requiremets ad Commo Specificatio, ANSI T1 Workig Group T1E1.4 (DSL Access), Vacouver, Caada, February 2002 [7] T1E1.4/ , Very-high bit-rate Digital Subscriber Lies (VDSL) Metallic Iterface, Part 3: Techical Specificatio of a Multi-Carrier Modulatio Trasceiver, ANSI T1 Workig Group T1E1.4 (DSL Access),, Vacouver - Caada, February 2002 [8] Wesołowski K.: Podstawy cyfrowych systemów telekomuikacyjych, Wydawictwo Komuikacji i Łączości, grudzień 2003 SPIS LITERATURY [1] Bigham J. A. C.: ADSL, VDSL, ad Multicarrier Modulatio, Joh Wiley & Sos, 2000 [2] Bogucka H., Sawicki J.: Aaliza i projektowaie układów telekomuikacyjych z wykorzystaiem pakietu MATLAB-SIMULINK, Wydawictwo Politechiki Pozańskiej, Pozań, 1999 [3] ETSI TS V1.2.1 ( ), Trasmissio ad Multiplexig (TM);Access trasmissio systems o metallic access cables; Very high speed Digital Subscriber Lie (VDSL); Part 1: Fuctioal requiremets, Europea PWT 2004, Pozań 9-10 grudia