ECHIKI xdsl CYFWEG ŁĄCZA ABECKIEG 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 (Very high data rate Digital Subscriber Line) cyfrowego łącza abonenckiego o bardzo duŝej szybkości transmisji. 2 echnika HDSL charakterystyka ogólna echnika HDSL umoŝliwia dwukierunkowe przesyłanie strumieni E1 (M 2,048 Mbit/s) lub 1 (M 1,544 Mbit/s) na jednej, dwóch lub trzech parach przewodów. 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, którą zawsze dysponuje abonent. abl. 1. Przeciętny zasięg transmisji łącza HDSL w kablach, z izolacją polietylenową Średnica Ŝyły Przeciętny zasięg transmisji [km] [mm] HDSL 1-parowy HDSL 2-parowy Kod 2B1Q Kod CAP-128 Kod 2B1Q Kod CAP-64 0,4 3,1 3,3 3,7 4,0 0,5 4,8 5,0 5,4 5,7 0,8 9,2 9,4 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 z dostępu pierwotno-grupowego). Blok odwzorowania (M) przekształca ramki uŝytkowe aplikacji w 144 bajtowe ramki podstawowe. amki 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 ), gdzie jest przetwarzana na sygnał liniowy z modulacją 2B1Q lub CAP, wysyłany do linii abonenckiej (DLL) z regeneratorem (EG), 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 () wytwarza sygnał liniowy, który przez rozgałęźnik () 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 () jest kierowany sygnał nadawany przez nadajnik () z drugiego końca toru. a) Strona abonencka Strona sieciowa IA H DLL EG DLL H IA I M C C M I Część podstawowa HDSL Sekcja dostępu cyfrowego b) DLL CKE - ys. 1. Cyfrowe łącze abonenckie HDSL: a) model odniesienia, b) nadajnik/odbiornik HDSL. znaczenia: 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 A& (Bell Labs) w latach 80-tych, jako kod liniowy dla sygnałów cyfrowych, transmitowanych w skrętce miedzianej UP. eprezentuje on przypadek modulacji dwuwymiarowej, w której uŝywa się złoŝonych technik cyfrowego przetwarzania sygnałów w tym celu, aby równocześnie nadać dwa ortogonalne symbole kodu liniowego. gólnie rzecz biorąc, w modulacji CAP-2 k kaŝdy z zespolonych symboli transmitowanych w łączu przenosi jedną z 2 k 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 echnika ADSL charakterystyka ogólna echnika ADSL została opracowana w laboratoriach Bellcore w USA pod koniec lat 80. echnika 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. becnie 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. abl. 2. Przepływność transportowa i przeciętny zasięg transmisji systemów ADSL w kablach o średnicy 0,5 [mm], z izolacją polietylenową Przepływność transportowa [kbit/s] Zasięg transmisji [km] ADSL klasyczny ADSL G.Lite ADSL klasyczny ADSL d sieci Do sieci d sieci Do sieci G.Lite 2048 16 64 1536 32 512 4,8 5 6 4096 160 4,0 6144 384 3,7 8192 640 2,7 W łączu ADSL, ze względu na stosowany sposób modulacji wieloczęstotliwościowej DM (Discrete Multi-one), 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 (). 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 DM 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) -SM cyfrowa AU-C FSP-D FSP- AU- FSP-D FSP- PD b) -SM c) cyfrowa AU-C CE CE AU- CE PD CKE - ys. 2. Modele odniesienia łącza ADSL z częstotliwościowym (a) i cyfrowym (b) rozdziałem kierunków transmisji. znaczenia:,, kanały transportowe od sieci do abonenta, AU-C/ modem strony centralowej / abonenckiej, CE cyfrowy tłumik echa,,, kanały transportowe od abonenta do sieci, nadajnik symboli modulacji DM, odbiornik symboli modulacji DM, PD aktywna lub pasywna dystrybucyjna obszaru uŝytkownika, UZW układ zwrotnicy W modemach ADSL drugiej kategorii, podkanały DM 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 DM. 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 DM wynosić 69/68 x 4000 Bod. W modemach ADSL do formowania sygnału liniowego stosuje się technikę modulacji wieloczęstotliwościowej DM (Discrete Multi-one). W technice tej pasmo kanału transmisyjnego jest dzielone na = 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/ (sygnał/szum) w danym podkanale. ośne 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 Pilot Częstotliwość yquista Kanał cyfrowy do abonenta Pilot Częstotliwość yquista 3,4 6 7 8 31 32 64 254 16 33 34 35 36 37 38 39 40 253 255 25 138 1104f [khz] 4.3125 khz ys. 3. ozmieszczenie podkanałów DM w modemie ADSL FDM 4 echnika charakterystyka ogólna echnika jest pewnym uzupełnieniem techniki ADSL, umoŝliwiającym uzyskanie większych prędkości transmisji w skrętce przewodów, 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. abl. 3. Przepływność i średni zasięg transmisji łącza w kablu o średnicy przewodów 0,5 mm. Strumień do abonenta [Mbit/s] Strumień od abonenta [Mbit/s] 12,96 1.6 2.3 1,5 25,82 19,2 1,0 51,84 51,84 0,3 Zasięg transmisji [km] Ze względu na stosowaną metodę modulacji, opartą na transformacie falkowej, kanały cyfrowego łącza do i od abonenta zajmują pasmo powyŝej 300 khz (rys. 4 a). W ten sposób pasmo podstawowej usługi telefonicznej () jest tu poszerzone o pasmo kanałów 2BD podstawowej usługi. echnika transmisyjna nie ma jeszcze jasno zdefiniowanych standardów. ad jej standaryzacją pracują obecnie takie organizacje jak: ASI (grupa 1E1.4), ESI, DAVIC (Digital Audio-Visual Council), AM Forum i ADSL Forum. rganizacje te rozwaŝają moŝliwość implementacji dwóch architektur dla łącza, 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. -5-
a) Pasmo d abonenta Do abonenta b) U 0 3,4 80 300 700 1000 10000 erminal f [khz] -SM PD HUB SB SB c) erminal PD SB U HUB SB ys. 4. Cyfrowe łącze abonenckie : a) rozmieszczenie kanałów, b) model odniesienia łącza z aktywną siecią dystrybucyjną PD, c) model odniesienia łącza z pasywną siecią dystrybucyjną PD. znaczenia: rozgałęźnik, U jednostka sieci optycznej, SB terminal typu settop box, HUB przełącznik, komputer osobisty. 5 Uwarunkowania techniczne niekorzystne dla rozwoju technik xdsl echniki transmisyjne xdsl działają w obszarze abonenckim sieci telefonicznej i jako takie wykorzystują istniejąca infrastrukturę kabli 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. egatywny wpływ na efektywną przepływność i zasięg transmisji takiego łącza wywiera wiele czynników, które w przypadku transmisji sygnałów telefonicznych pasma podstawowego nie odgrywały Ŝadnej roli. ajwaŝniejsze 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 EX (od ang ear End Crosstalk) i zdalny FEX (od ang. Far End Crosstalk). -6-