Hierarchická aktivní přístupová síť s použitím modulace VDMT

Autor: J. Vodrážka <vodrazka(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: VDSL/VDSL2, Vydáno dne: 29. 11. 2008

Metalické účastnické přípojky VDSL2 lze provozovat při použití modulace VDMT značnými přenosovými rychlostmi, ovšem jen na krátkou vzdálenost. Na větší vzdálenost lze použít hybridní opticko-metalickou síť (FTTC) nebo aktivní plně metalickou síť.

Hierarchical active network with VDMT - abstract

The classical access networks consist of digital subscriber lines (xDSL) on metallic as well as optical lines in FTTx architecture. The VDSL2 line systems with VDMT modulation and line bounding will be used for a data bit rates of hundreds Mbps and distance between active nodes can be measured in hundreds meters. The original all-metallic concept is hierarchic active access network (HAAN).


Zásadním vlivem omezujícím dosažitelnou přenosovou rychlost na metalických vedeních jsou přeslechy, které lze potlačovat při použití modulace VDMT (Vectored Discreete Multitone) - viz článek Vektorová modulace DMT. Přípojky VDSL2 (Very-high-speed Digital Subscriber Line) lze přitom provozovat při rychlostech dle článku Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti u přípojky VDSL2 s potlačováním přeslechů. Pokud je požadována vyšší přenosová rychlost na větší vzdálenost, je možné využít hybridní přístupovou síť, viz např. článek Základy FTTx. Není-li možné či ekonomické realizovat optické sekce přístupové sítě, lze ponechat metalická vedení a využít principu sdružování více vedení pro navýšení přenosové rychlosti a aktivních prvků v síti, které zajistí regeneraci signálu a vícestupňové multiplexování, včetně statistického multiplexu pro redukci přenosové rychlosti směrem k centrálnímu prvku sítě.

Navržená koncepce hierarchické aktivní přístupové sítě řeší značně omezenou překlenutelnou vzdálenost u metalických vedení při požadavku účastnických přenosových rychlostí řádově desítek Mbit/s. Zvýšení dosahu je možné pomocí aktivních prvků umístěných ve struktuře kabelového stromu, podobně jako u hybridní přístupové sítě FTTC (FTTCab) ovšem s tím rozdílem, že aktivní prvek není připojen k centrálnímu prvku provozovatele optickým vláknem, ale svazkem metalických vedení v existujícím místním kabelu na principu tzv. inverzního multiplexu (též zkratka IM či označení Multi-Pair Bonding).

Model hierarchické aktivní přístupové sítě

Pro maximalizaci přenosové rychlosti je vhodné použít potlačování přeslechů ve svazku např. 10 párů (5 čtyřek), což odpovídá jedné podskupině místního kabelu. V traťovém rozváděči, příp. i v síťových rozváděčích je umístěn aktivní prvek (externí jednotka DSLAM) připojená k centrálnímu DSLAM svazkem vedení pro zvýšení celkové přenosové rychlosti. V aktivních síťových prvcích navíc dochází ke sdružování toků od více účastníků a lze uplatnit koncentraci provozu a výhody statistického multiplexu, případně vysílání společného toku více účastníkům (broadcast). Obecně je možno uspořádání hierarchické přístupové sítě zobrazit strukturou na obr. 1. Na účastnický multiplexor DSLAM je připojen svazkem m0 párů externí DSLAM umístěný v mezilehlém rozvaděči. Přenos ve svazku vedení je zajišťován pomocí přípojek VDSL2 s modulací VDMT, tedy s kompenzací přeslechů FEXT uvnitř svazku vedoucí k maximalizaci přenosové rychlosti. Za předpokladu stejných rychlostí přípojek ve svazku R(d0) pracujících na vzdálenosti d0 je přenosová rychlost této sekce R0 = m0 . R(d0), což je rychlost, kterou je připojena externí jednotka DSLAM k centrálnímu multiplexoru DSLAM.

hier_sit

Obr. 1 Obecná struktura hierarchické přístupové sítě

Na externí DSLAM mohou být připojeni přímo účastníci, nebo může následovat další hierarchický stupeň aktivních prvků DSLAM v počtu s1 připojených svazkem m1 párů na vzdálenost d1 rychlostí Rm1 . R(d1). Přitom se využívá koncentrace provozu, takže R0s1.R1. Zavádíme koncentrační činitel K1, takže lze vyjádřit:

hier_vzor1

a obecně pro p stupňů hierarchie:

hier_vzor2

a dále platí:

hier_vzor3

Pro rychlost v místě p lze psát:

hier_vzor4

Výsledná rychlost pro účastníka bude limitována propustností všech sekcí.

Pro telekomunikační aplikace v přístupové síti není praktické vytvářet více než dvě úrovně hierarchie. Koncentrační (agregační) poměr je možné volit v určitém rozmezí v závislosti na typech provozovaných služeb, např. poměr 1:K1, kde K1 je z intervalu 2 až 20 u jednoúrovňové hierarchie, příp. poměr 1:K1:K2, kde K1 je z intervalu 2 až 5 a K2 z intervalu 2 až 8 u dvouúrovňové hierarchie.

Odhadované přenosové rychlosti

Pro odhad dosažitelné přenosové rychlosti budeme uvažovat, že je použito potlačování přeslechů ve svazku 10 párů (5 čtyřek; příp. ve větším svazku, pokud je to účelné), což odpovídá jedné podskupině místního kabelu.

Zaměříme se tedy na přenosovou rychlost dosažitelnou na svazku deseti vedení. Pokud bude použito úplné potlačení přeslechů FEXT, bude působit pouze zbytkový šum pozadí AWGN (uvažována hodnota -130 dBm/Hz) a dostaneme rychlosti ve směru vzestupném a sestupném podle obr. 2 pro kmitočtový plán 997 a podle obr. 3 pro kmitočtový plán 998 znázorněné čárkovaně. Výpočty jsou provedeny pro místní kabel čtyřkové konstrukce s průměrem měděného jádra 0,4 mm.

hier_graf1

Obr. 2 Celkové přenosové rychlosti svazku pro plán 997 s úplnou (čárkovaně) a částečnou (plnou čarou) koordinací VDMT (sestupný směr modře, vzestupný směr červeně)

hier_graf2

Obr. 3 Celkové přenosové rychlosti svazku pro plán 998 s úplnou (čárkovaně) a částečnou (plnou čarou) koordinací VDMT (sestupný směr modře, vzestupný směr červeně)

Podle vzdálenosti externích prvků DSLAM od centrálního účastnického multiplexoru a dále v závislosti na délkách přípojek od posledního aktivního prvku k účastnickým modemům můžeme dospět k různým výsledkům a zejména k široké škále kombinací přenosových rychlostí. Uvedeme si některé příklady scénářů řešení jednoúrovňové aktivní přístupové sítě.

hier_tab1

Tab. 1 Dosažitelné přenosové rychlosti pro různé scénáře hierarchické aktivní přístupové sítě pro kmitočtový plán 997

Nejprve v tab. 1 pro plán 997. Jsou uvažovány tři délky sekcí d0 od centrálního k externímu aktivnímu prvku DSLAM. Pro každý případ dále dvě varianty délky d1 a v posledním sloupci celková délka od centrálního DSLAM k účastnickému modemu d. Výsledná přenosová rychlost pro účastníka bude vždy menší z hodnot R(d1) a R1 pro příslušný směr provozu. Snahou je, aby parametry hierarchické přístupové sítě d0, d1, m0, m1, s1, K1 byly nastaveny tak, aby se rychlosti R(d1) a R1 příliš nelišily.

V praxi je nutné vycházet ze skutečné situace v síti, protože zejména vzdálenost d0 bude určena polohou traťového či síťového rozváděče. Vzdálenosti d1 pak budou nabývat různých hodnot pro různě vzdálené účastníky v intervalu, který bude omezen minimálními přípustnými hodnotami přenosových rychlostí pro požadovanou službu. Dosah je možno prodloužit sdružením více vedení i na poslední sekci k účastnickému modemu (poslední řádek tabulky). Obdobná tabulka je připojena i pro plán 998 (tab. 2).

hier_tab2

Tab. 2 Dosažitelné přenosové rychlosti pro různé scénáře hierarchické aktivní přístupové sítě pro kmitočtový plán 998

Volba plánu 997 či 998 záleží na převažujících typech služeb. Pro stejné přenosové rychlosti v obou směrech je vhodnější kmitočtový plán 997. Charakter služeb v přístupové síti pro převažující segment domácností hovoří spíše pro vyšší přenosovou rychlost ve směru k účastníkovi a tedy pro kmitočtový plán 998. Jeho použití v hierarchické jednoúrovňové přístupové síti umožní dosáhnout přenosových rychlostí přibližně 50/15 Mbit/s do vzdálenosti 1,4 km. Při dvouúrovňové hierarchii by se dosažitelná vzdálenost prodloužila na cca 2 km. Pro symetrický přenos zejména pro podnikatelské subjekty s nižšími požadavky na přenosovou rychlost je vedle toho k dispozici přípojka SHDSL, u jejíž rozšířené verze za použití sdružování vedení lze dosáhnout rychlostí přes 10 Mbit/s na vzdálenost až několika km. Spektrálně jsou přípojky VDSL2 a SHDSL velice dobře slučitelné.

Závěr

Koncepce hierarchické aktivní přístupové sítě je originálním přínosem autora k řešení značně omezené překlenutelné vzdálenosti u metalických vedení při požadavku účastnických přenosových rychlostí řádově desítek Mbit/s. Zvýšení dosahu je možné pomocí aktivních prvků umístěných ve struktuře kabelového stromu, podobně jako u hybridní přístupové sítě FTTC (FTTCab) ovšem s tím rozdílem, že aktivní prvek není připojen k centrálnímu prvku provozovatele optickým vláknem, ale svazkem metalických vedení v existujícím místním kabelu na principu tzv. inverzního multiplexu (Multi-Pair Bonding).

Pro maximalizaci přenosové rychlosti je vhodné použít potlačování přeslechů ve svazku vedení. V traťovém rozváděči, příp. i v síťových rozváděčích je umístěn aktivní prvek (externí jednotka DSLAM) připojená k centrálnímu DSLAM svazkem vedení pro zvýšení přenosové rychlosti. V aktivních síťových prvcích navíc dochází ke sdružování toků od více účastníků a lze uplatnit koncentraci provozu.

Tento příspěvek vznikl za podpory grantového projektu GACR 102/07/1503.

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/linear_canc.pdf