Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti u přípojky VDSL2 s potlačováním přeslechů

Theoretic bit rate on VDSL2 line with cross-talk cancelling - Abstract

Již delší doba uplynula od vydání doporučení ITU-T pro přípojky VDSL (Very-high-speed Digital Subscriber Line) 2. generace, využívající na metalických párech pásmo variantně do 12, 17 nebo 30 MHz. Viz též články Druhá generace VDSL2 a Varianty přípojek VDSL2. Zásadním vlivem omezujícím dosažitelnou přenosovou rychlost jsou přeslechy, které lze potlačovat při použití modulace VDMT (Vectored Discreete Multitone) - viz článek Vektorová modulace DMT.

Úplné potlačování přeslechů

Pro účastnické přípojky s frekvenčním dělením FDD je klíčový zejména přeslech typu FEXT (Far End Cross-Talk) rušící směr od poskytovatele k účastníkovi. Ten není možné kompenzovat na účastnické straně, protože jednotlivé modemy nemají k dispozici signály z jiných přípojek, ze kterých by získaly kompenzační signál (odečtení přeslechů vznikajících při souběhu přípojek). Je však možné provést předkompenzaci již na vysílací straně v účastnickém multiplexoru DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexor). Efektivní je použití modulace DMT s aplikací předkompenzace FEXT označované VDMT, tj. DMT s vektorizací signálu. Tou se lze přiblížit propustnosti přípojky, která odpovídá pouze šumu pozadí AWGN, nebo šumu, který odpovídá přeslechům od ostatních nekoordinovaných přípojek.

Pokud uvažujeme aplikaci modulace VDMT u všech přípojek a potlačení přeslechů pod hladinu šumu pozadí -136 dBm/Hz, dosáhneme výsledků zobrazených pro kmitočtový plán 997 (vhodný pro stejné přenosové rychlosti v obou směrech) do 30 MHz na obr. 1 a pro plán 998 (vhodný pro vyšší přenosovou rychlost směrem k účastníkovi) rovněž do 30 MHz na obr. 2. Pro porovnání je uvedeno, jak poklesne přenosová rychlost v obou směrech přenosu, pokud potlačování přeslechů není využito, konkrétně pro 20% obsazení kabelu přípojkami stejného typu. Veškeré výpočty jsou provedeny pro místní kabel čtyřkové konstrukce s průměrem měděného jádra 0,4 mm.

Obr. 1. Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti VDSL2  plán 997 s modulací VDMT – plnou čarou (AWGN ‑136 dBm/Hz - sestupný směr modře, vzestupný směr červeně

Obr. 2. Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti VDSL2  plán 998 s modulací VDMT – plnou čarou (AWGN ‑136 dBm/Hz - sestupný směr modře, vzestupný směr červeně)

Vzhledem k počtu obsazených přípojek v kabelu (desítky až stovky) a počtu subkanálů u VDSL2 (až 4096) lze očekávat vysoké nároky na výpočetní náročnost při realizaci VDMT. Náročnost výpočtu může být redukována využitím znalostí charakteru přeslechů přenosového prostředí. Je totiž známo, že dominantní je přeslechové rušení způsobené rušením od tří až pěti nejbližších sousedních párů ve stejné podskupině metalického kabelu (prostorová selekce). Podobně lze využít i faktu, že přeslechy jsou frekvenčně závislé a lze redukovat výpočet pro nosné s nízkými interferencemi, zejména na nízkých kmitočtech (kmitočtová selekce). 

Částečné potlačování přeslechů

Vzhledem k výpočetní náročnosti je nutné provádět koordinaci jen u omezeného počtu přípojek, resp. u omezeného počtu subkanálů a realizovat tak částečné potlačení přeslechů FEXT. Lze tak provádět selekci prostorovou, frekvenční, příp. obojí zároveň. Pro mnohabodové přístupové sítě není možné potlačování NEXT, proto se jím nebudeme zabývat. Vliv NEXT se řeší striktním frekvenčním duplexem FDD.

Selekci je možno provádět během inicializace spojení na základě analýzy přenosových funkcí vedení a přeslechů. Přitom lze jako východisko vzít maximální možnou míru potlačení přeslechů danými technickými prostředky (maximalizace propustnosti), nebo na základě požadavků na přenosové rychlosti podle povahy poskytovaných služeb zvolit potřebný rozsah redukce přeslechů.

V praxi je nutno téměř vždy připustit určité množství nekoordinovaných přípojek (tj. přípojek nezapojených do systému koordinované správy spektra a potlačování přeslechů). V případě řešení potlačování přeslechů mezi přípojkami VDSL2 bude určité procento dále provozováno na bázi SHDSL, ADSL, ADSL2/2+. Původní předpoklady vycházející ze skupinové konstrukce kabelů používaných v ČR byly následující:

1. Největší přeslechy lze očekávat mezi vedeními, které jsou součástí jedné čtyřky
2. Výrazné přeslechy jsou v rámci podskupiny a prostorovou selekci pro VDMT bude tak možné řešit uvnitř dané podskupiny
3. Nejnižší přeslechy lze očekávat mezi vedeními různých podskupin, která jsou navíc oddělena v profilu kabelu jinou podskupinou
4. Částečným potlačením FEXT (v rámci méně než 50% profilu) se bude možné přiblížit výsledkům dosaženým při plnému potlačení přeslechů

Po hlubší analýze a měřeních na místních kabelech bylo zjištěno:

• Předpoklad 1 se nesplnil – v důsledku relativně dobrého vyvážení prvků čtyřky se dosahuje poměrně nízkých nerovnováh a tím i přeslechů
• Předpoklad 2 se splnil jen částečně. Existují kabely a kabelové skupiny, kde potlačení přeslechů uvnitř podskupiny redukuje nejvýznamnější zdroje přeslechů. Ve většině případů zůstane však ještě dosti výrazný zbytkový přeslech.
• Předpoklad 3 se splnil. Vzdálené podskupiny se na rušení podílejí výrazně méně než sousední podskupiny.
• Předpoklad 4 se nesplnil. Přiblížení k propustnosti dosažitelné při plném potlačení přeslechů je možné až po potlačení přeslechů v rámci dané podskupiny a podskupin sousedních (to odpovídá 3/5 profilu), často je však do potlačení třeba zapojit i několik dalších dominantních rušičů ze vzdálených podskupin.

Uvedené závěry je možno demonstrovat na výsledcích měření a simulací. Nejprve uvádíme vliv přeslechů v profilu kabelových skupin. Je počítán sumární přeslechový výkon v pásmu do 30 MHz od vedení 1 až 49 do referenčního vedení 0, které je součástí podskupiny 0 až 9. Sousedními podskupinami jsou vedení číslovaná v rozsahu 10 až 19 a 40 až 49. Na obr. je ukázána situace pro jednu podskupinu místního kabelu. Bližší analýzou a sumarizací přeslechových výkonů lze pro tento případ konstatovat, že potlačení FEXT od vedení 8 a 9 vede ke snížení šumu o 1,9 dB, od dalších 4 vedení v profilu kabelu o 3,4 dB, od dalších 4 vedení o 4,2 dB.

Obr. 3. Příklad celkového přeslechu FEXT od jednotlivých párů v kabelu – skupina 3

Z toho lze potvrdit závěr, že koordinace v rámci podskupiny, resp. v rámci 10 vedení je nedostatečná a nepovede ve většině případů ke kýženým výsledkům.

V dalším postupu se zaměříme přímo na důsledky přeslechů a jejich vliv na dosažitelnou přenosovou rychlost. Uvažujeme modulaci DMT, frekvenční pásmo od 138 kHz do 30 MHz a přenosové funkce vedení a přeslechů získané měřením na úseku místního kabelu s délkou 400 m a s průměrem jádra 0,4 mm. Výběr vedení k potlačení se provádí na základě stanovení meze (odstup v dB) vzhledem k nejhoršímu případu přeslechů. V tab. 1 jsou uvedeny výsledky pro prostorovou selekci pro různý práh pro potlačení přeslechů. Vedle dosažitelné přenosové rychlosti, která je počítána přes celé pásmo bez rozlišení směrů přenosu, jsou uvedeny i počty vedení, která jsou nad stanoveným prahem a která je nutno zapojit do systému potlačování přeslechů.

Tab. 1. Výsledky simulace pro prostorovou selekci při potlačování FEXT

Je zřejmý postupný nárůst přenosové rychlosti s narůstajícím počtem koordinovaných vedení, avšak k plnému potlačení (v posledním sloupci) se přibližují přenosové rychlosti s narůstajícím počtem koordinovaných vedení jen velmi zvolna.

Lepších výsledků lze dosáhnout při frekvenční selekci (výběr tónů ze všech vedení), jak ukazuje tab. 2 na dosažitelných přenosových rychlostech a přepočtených počtech vedení. Přepočet je proveden vzhledem k celkovému počtu subkanálů.

Tab. 2. Výsledky simulace pro frekvenční selekci při potlačování FEXT

Závěr

Problém přeslechů v kabelech s metalickými vedeními lze částečně či úplně vyřešit potlačováním přeslechů pomocí modulace VDMT. Uplatnění v praxi je otázkou zvládnutí značné výpočetní náročnosti prováděných algoritmů.

Tento příspěvek vznikl za podpory GAČR v rámci projektu GA102/07/1503.

Odkazy:

1. Šimák, B. - Vodrážka, J. – Svoboda, J.: Digitální účastnické přípojky xDSL, 1. díl, Metody přenosu, popis přípojek HDSL, SHDSL, ADSL, VDSL. Sdělovací technika, Praha 2005.
2. Vodrážka, J. – Šimák, B.: Digitální účastnické přípojky xDSL, 2. díl, Vlastnosti přenosového prostředí a jejich měření. Sdělovací technika, Praha 2008.
3. Brady, M. H. - Cioffi, J. M.: TheWorst-Case Interference in DSL Systems Employing Dynamic Spektrum Management. Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Applied Signal Processing. Volume 2006, Article ID 78524, p. 1–11.
4. Cendrillon, R. – Ginis, G. - Bogaert, E. – Moonen, M.: A Near-Optimal Linear Crosstalk Canceler for VDSL. Submitted to IEEE Transactions on Signal Processing 2004. on-line (10.11.2006) http://eprint.uq.edu.au/archive/00001831/01/linea r_canc.pdf