Další stádium vývoje digitálních účastnických přípojek

Autor: J. Vodrážka <vodrazka(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: xDSL, Vydáno dne: 20. 03. 2013

Přípojky xDSL, jak se zdálo, dosáhly poslední etapy svého vývoje variantou VDSL2. Další rozvoj pevných přístupových sítí je záležitostí optických vláken. Nicméně připravované doporučení ITU-T s pracovním označením G.fast dává metalickým vedením další šanci.

The next stage of digital subscriber lines abstract:

xDSL subscribe lines, in option VDSL2, seemed to have reached the last stage of its development. Further development of the fixed access network is a matter of optical fibers. However, the upcoming ITU-T recommendation with working title G.fast gives to metallic line another chance.


Přípojky VDSL2

Zatímco v některých částech světa se již delší dobu instalují plně optické přípojky FTTH (Fiber to the Home) na principu pasivní optické sítě (PON) v České republice se rozvíjejí jen velice pomalu. I v řadě dalších zemí se stále počítá s využitím metalických vedení až na hranice teoretického maxima. Za systém, který se na toto maximum dostane, byla ještě donedávna považována přípojka VDSL2.

Digitální účastnické přípojky s velmi vysokou rychlostí VDSL (Very high speed Digital Subscribe Lines) byly standardizovány pro kmitočtová pásma nejprve 12, pak téměř 18 a posléze 30 MHz. Spektrální profily jsou charakteristické střídáním pásem pro směry upstream a downstream při frekvenčním duplexu (FDD). Dělicí kmitočty jsou jiné pro plán označovaný 997, vhodný pro symetrii přenosových rychlostí a 998, vhodný pro asymetrii přenosových rychlostí. Pro Evropu jsou dle doporučení ITU-T G.993.2 možné oba plány podle výběru provozovatele sítě.

Popis přípojek VDSL je uveden v článku Varianty přípojek VDSL2 a podrobnější informace lze získat v článku Spektrální profil přípojek VDSL2 vybraný pro sítě v ČR.

Motivace k rozšíření kmitočtového pásma

Je zřejmé, že teoreticky lze dosáhnout u VDSL až přenosové rychlosti přes 100 Mbit/s na krátké vzdálenosti. Pokud uvažujeme aplikaci modulace VDMT (Vectored Discreete Multitone) u všech přípojek a tedy 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. 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 a šumovou rezervu 6 dB. Bližší popis je uveden v článku Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti u přípojky VDSL2 s potlačováním přeslechů.

VDSLrychlosti

Obr. 1. Limitace přenosové rychlosti VDSL2 pro plán 997 s modulací VDMT – plnou čarou (sestupný směr modře, vzestupný směr červeně

Je zřejmé, že pro délky nižší než 200 m dochází k limitaci přenosových rychlostí na 400 Mbit/s pro součet přenosových rychlostí obou směrů přenosu. Zvýšení rychlosti je možno dosáhnout rozšířením kmitočtového pásma pro takto krátké přípojky. Uvažuje se o rozšíření na 100, 200 až 300 MHz. V součtu obou směrů přenosu se tak předpokládá dosažení přenosové rychlosti minimálně 1 až 2 Gbit/s.

V případě takto krátkých přípojek je ovšem nutno uvažovat architekturu sítě s optickým vláknem dovedeným do vzdálenosti 200 a méně metrů k účastníkovi, tedy FTTB a FTTC (Fiber to the Building, Fiber to the Curb). Pro tyto situace se zavádí označení Fiber to the Distribution Point (FTTdp).  Mini DSLAM (DSL Access Multiplexor) v distribučním bodě bude mít typicky max. 16 portů.

Tabulka 1 – Odhad maximální rychlosti (v součtu downstream a upstream) pro určitou šířku pásma a vzdálenost

Pásmo do kmitočtu

30 MHz

100 MHz

200 MHz

300 MHz

Teoretická celková rychlost

400 Mbit/s

1,3 Gbit/s

2,5 Gbit/s

3,5 Gbit/s

Maximální délka vedení

200 m

110 m

77 m

63 m

Uvedené hodnoty rychlostí jsou teoretické. V praxi bude pásmo využito typicky až od 23 MHz a budou vynechaná pásma UHF a DAB (Digital Audio Broadcast), aby se při případném vyzařování z vedení nerušilo vysílání radiového signálu.

Využití fantomových okruhů

Fantomové okruhy se používaly u dálkových telefonních vedení ke zvýšení přenosové kapacity. Principem je navázání signálu do středů transformátoru dvou vedení a tím vytvoření dalšího okruhu, jak ukazuje obr. 2.

fantom

Obr. 2. Fantomový okruh vytvořený pomocí dvou párů, typicky v rámci jedné čtyřky

Využití tohoto principu je omezeno směrem k narůstajícímu kmitočtu nemožností precizního vyvážení symetrizačních transformátorů a dále narůstajícími přeslechy mezi základními okruhy a fantomovým okruhem. Uvedené jevy lze eliminovat potlačováním přeslechů pomocí modulace VDMT a tím dosáhnout např. sumární rychlosti až téměř 500 Mbit/s v každém ze směrů na délce kabelu 400 m.

Tabulka 2 – Výsledky modelování vedení s fantomem bez a s použitím potlačování přeslechů pomocí modulace VDMT.

Modelování pro délku kabelu 400 m

Frekvenční plán VDSL2 do 17 MHz

Frekvenční plán VDSL2 do 30 MHz

downstream [Mbit/s]

upstream [Mbit/s]

downstream [Mbit/s]

upstream [Mbit/s]

2 vedení plus fantom

150

67

176

80

2 vedení

166

92

226

118

2 vedení plus fantom s potlačováním přeslechů

382

243

493

449

Mimo fantomových okruhů lze realizovat ještě tzv. superfantom pomocí 4 vedení. Tak lze získat celkem 7 okruhů: 4 základní, 2 fantomové a mezi nimi jeden superfantom.

Vedle fantomových okruhů se činili pokusy s přenosem v tzv. souhlasném módu, kdy jsou jednotlivé vodiče párů brány jako samostatné přenosové cesty a společný vodič (plus případné stínění) je na zemi. Vznikající silné přeslechy je možné kompenzovat také použitím VDMT modulace. Tímto řešením se ovšem připravíme o výhodu symetrických vedení, tj. značnou odolnost proti okolnímu rušení. Z důvodů značného vzájemného rušení mezi vedeními a okolím se proto tento způsob prakticky neujal.

Napájení optického uzlu z uživatelského modemu

U klasických analogových a základních přípojek ISDN se provádí napájení koncového zařízení z ústředny (typicky napětí zdroje 60 V a napájecí proud v desítkách mA). U přípojek s extrémní rychlostí podle specifikace s pracovním označením G.fast se počítá s opačným tokem napájení. Z účastnického modemu bude napájen uzel (mini DSLAM) v distribučním bodě.

Důvodem k tomuto řešení jsou již řadu let řešené problémy s napájením zařízení umístěných v přístupové síti mezi ústřednou telekomunikačního operátora a účastníkem. Zařízení v distribučním bodě je připojeno k síti operátora optickým vláknem, takže není možné dálkové napájení po signálovém vedení. Vyřešit místní napájení z rozvodné sítě je většinou problematické. Logickým vyústěním je tedy napájení z účastnické strany, kde je však nutná sumarizace napájecího výkonu od několika účastníku, aby se zajistil dostatečný příkon jak pro individuální modem daného účastníka, tak pro společnou část mini DSLAM včetně optického zakončení ONU (Optical Network Unit).

Duplexní metoda a modulace

U varianty přípojky G.fast do 100 MHz bude zřejmě modulace DMT používat 2048 subkanálů s roztečí 51,75 kHz (u klasických přípojek ADSL/VDSL je používána rozteč 4,3125 nebo 8,625 kHz). Maximální počet bitů alokovaných na subkanál bude zřejmě omezen na 12 (u klasických přípojek ADSL/VDSL je používáno až 15 bitů). Prakticky se předpokládá použití adaptivní modulace, kdy nebude nutná při poklesu SNR či naopak nárůstu realokace nosných, ale při nárůstu chyb v detekci stavu se uplatní přechod na robustnější mód, kde se skupiny bodů konstelačního diagramu sdružují do stavů nižšího stupně modulace. Např. když se zjistí v režimu modulace 16-QAM, že stavy nejsou spolehlivě rozlišitelné, začne se majoritně vyhodnocovat, v jakém kvadrantu I-Q konstelačního diagramu se přijímaný stav vyskytuje, takže se principiálně přejde na 4-QAM.

Na rozdíl od přípojek ADSL a VDSL, které užívají frekvenční duplex FDD, se u přípojek s extrémní šířkou pásma používá časový duplex TDD. To umožňuje daleko flexibilnější přidělování přenosové kapacity a eliminuje dilema s přidělováním pásem pro jednotlivé směry přenosu. Předpokládá se široký rozsah přidělení rychlostí downstream/upstream od 90/10% přes 50/50%  až do 10/90% celkové přenosové kapacity. Časová synchronizace není problém, protože musí být řešena již s ohledem na modulaci VDMT.

Pro některé realizace se ovšem modulace VDMT z důvodů extrémní výpočetní náročnosti a extrémních frekvencí neuvažuje. Kabelový strom se použije jako sdílené médium, podobně jako rozvod kabelové televize a přidělování kapacity jednotlivým účastníkům se řeší časově děleným přístupem TDMA. Protože v jeden okamžik vysílá modem jen na jednom vedení, není nutno se zabývat přeslechy a není nutno aplikovat modulaci VDMT. To ovšem předpokládá dostatečnou rezervu v přenosové kapacitě. Principiálně se může jednat o prodlouženou metalickou sekci pasivní optické sítě PON, kde jeden její segment je řešen jedním centrálním a několika účastnickými modemy a sdílení média TDMA ve směru upstream je řízeno z centrálního prvku optické sítě OLT. Ve směru downstream je vhodné, když bude vysílání řešeno selektivně k jednotlivým účastnickým modemům, tedy ne tak, jak je to běžné v optických sekcích PON, kde se kompletní signál pro všechny účastníky ve směru downstream šíří ke všem účastnickým jednotkám. Vyřeší se tím potenciální rušení přeslechy a ušetří se tím napájecí výkon.

Modely vedení do 300 MHz               

Pro klasické přípojky xDSL se vesměs používá model vedení dle British Telecom označovaný BT 7, BT  BT 13 (číslo udává počet parametrů modelu), který aproximuje primární parametry vedení a který je koncipovaný do kmitočtu 30 MHz, jak uvádí článek Modelování metalických účastnických přípojek.

Vedle toho se pro modelování sekundárních parametrů, zejména měrného útlum do kmitočtu 100 MHz, případně až 250 MHz či 600 MHz používá odlišný model určený pro specifikacích vnitřních rozvodů budov (tzv. strukturované kabelové rozvody) označovaných kategoriemi 5, 6, 7, případně třídami D, E, F, podle šířky pásma.

Pro modelování měrného útlumu vedení v dB/km se zde používá funkce:

vzorecCat5

kde, k1=0,01967, k2=2,3.10-7, k3 =2000 jsou parametry modelu.

Vztah s uvedenými parametry se používá k předpisu limitních hodnot pro kabely s nestíněnými páry UTP (Unshielded Twisted Pair) kategorie 5 (Cat 5) do 100 MHz, případně i výše. Právě tyto typy kabelů se často vyskytují v budovách i v souvislosti s uvažovanou topologií FTTdp a aplikací přípojek G.fast. Uvažují se i místní kabely se čtyřkovou skupinovou konstrukcí, kabely s izolací PVC (u nás např. SYKFY) a podle místních podmínek v různých zemích vnitřní sdělovací kabely pod omítku.      

Pro modelování symetrických vedení pro potřeby G.fast se předpokládá model odlišné koncepce, který modeluje sériovou Zs a paralelní Yp složku homogenního vedení. Pro porovnání si uvedeme různé modely kabelu kategorie 5. Na obr. 3 je vynesena frekvenční závislost útlumu úseku 100 m do kmitočtu 300 MHz. Na grafech je vidět model limitního průběhu kategorie 5, který nesmí být překročen, dle výše uvedeného vztahu, model pro potřeby standardu g.fast optimalizovaný do 300 MHz a konečně devítiparametrový model BT, který byl koncipován pouze do kmitočtu 30 MHz. Je zřejmé, že model G.fast je poměrně optimistický, počítá, že kabely mají určité rezervy oproti stanoveným limitům a prakticky odpovídá spíše průběhu pro kabel kategorie 6.

grafyCat5_300M

Obr. 3 Porovnání různých modelů pro vnitřní kabel kategorie 5

Závěr

Přípojky xDSL, jejich vývoj a standardizace neskončila variantou VDSL2. Připravované doporučení ITU-T s pracovním označením G.fast dává metalickým vedením další šanci v kmitočtových pásmech stovek MHz a přitom se očekávají rychlosti řádově až Gbit/s. S tím jsou spojené některé inovace a nové znaky, popsané v článku. Záleží na operátorech a dalších subjektech, zda optické vlákno dovedené do distribučního bodu (FTTdp) bude vhodným řešením, zejména z hlediska ekonomického a zda nepřeváží spíše řešení plně optické přípojky až do účastnické zásuvky (FTTH).

Tento článek vznikl za finanční podpory TA ČR v rámci projektu číslo TA02011015 „Výzkum a vývoj nového komunikačního systému s vícekanálovým přístupem a mezivrstvovou spoluprací pro průmyslové aplikace“ řešeného ve spolupráci se společností CERTICON.

Reference

[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 2007.
[3] Vodrážka, J.: Spektrální profil přípojek VDSL2 vybraný pro sítě v ČR. Access server. http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2011040001
[4] Vodrážka, J.: Varianty přípojek VDSL2. Access server http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006052401
[5] Vodrážka, J.: Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti u přípojky VDSL2 s potlačováním přeslechů. Access server. http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2008080002