Druhá generace přípojky SHDSL

Autor: P. Jareš <jaresp(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: SHDSL, Vydáno dne: 11. 06. 2007

Přípojka SHDSL je koncipována pro použití v metalických přístupových sítích poskytovatelů připojení. Druhá generace obsahuje především zdokonalení pro dosažení vyšších přenosových rychlostí.

Second generation of SHDSL lines

Abstract

Second generation of SHDSL lines are sometimes marked as SHDSL.bis lines or G.SHDSL.bis. In the end of 2003 ITU-T organization has released second version of G.991.2 recommendation. This version of recommendation introduces a lot of improvements in comparison to the first generation of SHDSL lines and it is designated for end equipment, which works in access networks of American region or Japan. In 2005, for access network of European type, amendment G was standardized.

Přípojka SHDSL (Single pair High speed Digital Subscriber Line) je navržena pro využívání jednoho metalického vedení (symetrického páru) pro oba směry přenosu s oddělením pomocí vidlice s potlačením ozvěn (EC). S ohledem na parametry přenosového prostředí je možné přenášet uživatelská data rychlostmi od 192 kbit/s do 2312 kbit/s. V případě požadavku na vyšší přenosové rychlosti, nebo v případě požadavku na překlenutí větší vzdálenosti, je standardizována dvoupárová varianta SHDSL nebo možnost využít opakovače. K přenosu uživatelských dat se využívá šestnáctistavová pulsně amplitudová modulace s Trellis kódováním (16-TCPAM). Pro obousměrný přenos po jediném vedení se využívá vidlice s potlačením ozvěn. Systém SHDSL je navržen s ohledem na dodržování spektrální kompatibility s dalšími přenosovými systémy, které se mohou být provozovány v přístupové metalické síti. Podrobný popis první generace přípojky SHDSL je uveden dříve v článku Základní popis přípojky SHDSL. SHDSL je především určena pro domácí nebo malé firmy, které požadují symetrické přenosové rychlosti k poskytovateli připojení.

Přípojka SHDSL.bis

Druhá generace přípojek SHDSL se někdy označuje jako SHDSL.bis nebo G.SHDSL.bis. Organizace ITU-T vydala na konci roku 2003 druhou verzi doporučení G.991.2. Tato verze doporučení přináší řadu vylepšení oproti první generaci SHDSL a je určena pro koncová zařízení, která pracují v přístupových sítích Amerického regionu nebo Japonska. Pro přístupové sítě Evropského typu byl standardizován doplněk G v roce 2005.

Mezi nejvýznamnější inovace patří:

definování podmínek pro datové přenosy s využitím většího počtu paralelních vedení,
vyšší výkonnost přenosu,
definovaní způsobu pro přenos více vzájemně nezávislých spojení na společné fyzické vrstvě a podpora pro dynamické změny přenosových rychlostí mezi jednotlivými typy spojení na fyzické vrstvě,
definování způsobu přechodu koncového zařízení do klidového režimu bez vysílání a procesu znovuobnovení spojení,
definování nových postupů zapouzdření uživatelských dat.

Datové přenosy s využitím více symetrických párů vedení
Původní návrh systému SHDSL z roku 2001 počítal s využitím maximálně dvou symetrických párů vedení pro přenos uživatelské informace. Přenosový systém tedy dokázal, za určitých podmínek, přenášet uživatelská data rychlostí až 2 x 2312 kbit/s. Inovace u druhé generace SHDSL.bis spočívá v podpoře až pro 4 symetrické páry, které lze využít pro souběžný přenos uživatelských dat.

Výkonnost přenosu
Při zvyšování výkonnosti přenosu je možné rozšířit využívané frekvenční pásmo nebo využívat modulaci s větším počtem stavů. Negativním důsledkem, při rozšiřování šířky frekvenčního pásma, je vzrůst měrného útlumu na vyšších frekvencích a tedy omezené využití výhod rozšíření pouze pro kratší délky metalického vedení. Navíc rozšíření šířky frekvenčního pásma může způsobit problémy se spektrální nekompatibilitou v metalické přístupové síti. Druhý způsob zvyšování výkonnosti přenosu zaváděním většího počtu stavů modulace klade vyšší nároky na parametry přenosového prostředí, respektive na poměr signálu k šumu při detekci a vyhodnocování přijatého symbolu. V systému SHDSL.bis jsou využity obě metody pro zvýšení výkonnosti přenosu.

V první verzi doporučení G.991.2 jsou uvedeny následující analytické vztahy, které určují možné uživatelské přenosové rychlosti (režie SHDSL zvyšuje přenosovou rychlost na fyzické vrstvě o 8 kbit/s). Pro modulaci 16-TCPAM platí:

v_p = n × 64 + i × 8 [kbit/s]

(1)

kde:

parametr n je definován intervalem 3 ≤ n ≤ 36,
parametr i leží pro všechna n ≤ 35 uvnitř intervalu 0 ≤ i ≤ 7,
pro n = 36 je hodnota i omezena na i = 0, 1.

Zvýšení výkonnosti přenosu definovala organizace ITU-T jako nepovinné vylepšení a záleží na výrobci, zda-li se rozhodne pro implementaci. Pro modulaci 16-TCPAM dodatek G doporučení modifikuje parametry rovnice (1) na:

parametr n je definován intervalem 3 ≤ n ≤ 60,
parametr i leží pro všechna n ≤ 59 uvnitř intervalu 0 ≤ i ≤ 7,
pro n = 60 je hodnota i omezena na i = 0, 1.

Pro 16-TCPAM je rozmezí přenosových rychlostí od 192 kbit/s do 3848 kbit/s s krokem o velikosti 8 kbit/s při modulační rychlosti v_m = v_p/3.

Pro modulaci s dvounásobným počtem stavů 32-TCPAM je výsledná přenosová rychlost uživatelských dat stanovena vztahem (1) s parametry:

parametr n je definován intervalem 12 ≤ n ≤ 89,
parametr i pro n ≤ 88 leží uvnitř intervalu 0 ≤ i ≤ 7,
pro n = 89 je povolená hodnota i = 0.

Uvedené podmínky znamenají, že přenosový systém SHDSL.bis je za odpovídajících podmínek schopen dosáhnout přenosových rychlostí v rozmezí od 768 kbit/s do 5696 kbit/s s krokem o velikosti 8 kbit/s při modulační rychlosti v_m = v_p/4.

Při využívání M symetrických párů pro přenos uživatelských dat, existuje v koncovém zařízení vzájemně M nezávislých fyzických vrstev a přenosová rychlost se určuje pro každý pár vedení nezávisle.

Problematika spektrální kompatibility u systému SHDSL je zohledněna například proměnnou šířkou využívaného frekvenčního pásma pro jednotlivé datové přenosy. Se změnou šířky frekvenčního pásma tedy souvisí i změna modulační rychlosti.

Deaktivace a znovuobnovení činnosti přípojky SHDSL.bis
S problematikou spektrální koexistence v metalické přístupové síti souvisejí i možnosti koncových zařízení měnit svůj vysílací výkon v závislosti na aktuálním stavu přenosového prostředí nebo v závislosti na činnosti uživatele a jeho požadavcích na okamžitou výkonnost přenosu.

Již první generace přípojek SHDSL měla implementovány obvody pro omezení vysílacího výkonu PBO (Power Back-Off). Důvodem pro implementaci těchto obvodů je redukce vysílacího výkonu v případě velmi dobrých podmínek přenosu, nebo například kratší délky účastnického vedení. Snížením vysílací výkonové úrovně bude koncové zařízení menší měrou působit jako zdroj přeslechového rušení do ostatních symetrických párů metalického kabelu.

Doporučení pro druhou generaci přípojky SHDSL zavádí procedury pro omezení vysílacího výkonu, ve smyslu deaktivování nebo dokonce přerušení spojení a jeho následné obnovy v závislosti na činnosti koncového uživatele. Implementace těchto procedur v koncovém zařízení je nepovinná. Zahájení deaktivace spojení mohou iniciovat obě jednotky (STU-C i STU-R). Vlastní proces probíhá výměnou zpráv v EOC kanálu v záhlaví SHDSL rámce. Při deaktivaci spojení se v koncových zařízeních uloží parametry spojení pro potřeby rychlého znovuobnovování spojení.

Proces znovuobnovení spojení může opět zahájit kterákoliv z obou jednotek. Pro potřeby reaktivace spojení se použijí parametry spojení, které byly stanoveny u posledního úspěšného spojení. Proces znovuobnovení spojení by měl skočit přibližně do 500 ms. Pokud procedura znovuobnovení spojení selže, koncová zařízení se pokusí navázat spojení za pomoci klasické procedury navazování spojení (hand-shake) dle ITU-T G.994.1.

Podpora pro víceuživatelské přenosy
S rostoucími požadavky na přenosové rychlosti přichází také požadavek na implementaci podpory pro současný přenos vzájemně nezávislých datových toků. Ať už se jedná o různé datové toky jednoho uživatele, např. přístup do sítě Internet a přenos signálů služby ISDN-BRA, nebo o datové toky od více nezávislých uživatelů. Organizace ITU definovala 3 režimy přípojky SHDSL.bis:

typ 1 – synchronní přenosový mód + širokopásmová data,
typ 2 – synchronní přenosový mód + paketový/buňkový režim,
typ 3 – synchronní přenosový mód + nestrukturovaná data (Clear Channel).

Vzhledem k možnosti přenášet současně dva nezávislé uživatelské datové toky, je vhodné do koncových zařízení implementovat i procedury pro dynamické změny přenosové rychlosti mezi jednotlivými datovými toky. Samozřejmě s ohledem na maximální dosažitelnou přenosovou rychlost na fyzické vrstvě. Byl definován protokol DDR (Dynamic Rate Repartitioning) pro dočasné realokování jednotlivých časových intervalů v SHDSL rámci.

Nové postupy pro přenos uživatelských dat
V druhé generaci doporučení jsou definovány nové postupy zapouzdření uživatelských dat. Ke stávajícím procedurám byly přidány procedury pro přenos dat v paketovém režimu, v synchronním režimu přenosu uživatelských dat s vyhrazeným signalizačním kanálem a v synchronním režimu přenosu uživatelských dat (data služeb ISDN-BRA nebo POTS) s podporou protokolu přímého přístupu ke spoji prostřednictvím signalizace LAPV5.

Simulace přípojek SHDSL

Program Simulace přípojek xDSL, který je přístupný na MATLAB serveru, byl doplněn o možnost simulace výkonnosti přípojky SHDSL.bis, v souladu s přílohou B a doplňkem G doporučení ITU-T G.991.2.

Ve vstupním formuláři uživatel pro přípojku SHDSL definuje typ použité modulace. Zvolený typ modulace určuje interval přenosových rychlostí, které budou uvažovány v průběhu výpočtu. Pro potřeby simulace je nutné zadat další podmínky, které popisují charakter přenosového prostředí. Simulační program umožňuje zadat až deset různých segmentů, kterými může být tvořeno metalické vedení mezi poskytovatelem připojení a koncovým uživatelem. U každého segmentu lze definovat jeho typ (jde-li o vedení nebo o tzv. nezakončenou odbočku), druh a délka symetrického páru. Program tak umožňuje velmi přesně simulovat možnou heterogenní strukturu symetrického páru v reálné přístupové síti.

Pro modelování přeslechového rušení lze využít buď předdefinované modelové profily rušení organizace ITU-T nebo metodu superpozice vysílacích masek PSD. Modelové profily rušení (model A, B, C) představují celkem tři typické situace, které se v metalické přístupové síti mohou vyskytnou. Modelový profil D představuje přeslechové rušení, které způsobují přenosové systémy stejného typu, jako je simulovaný systém. Druhý způsob získání průběhů masek PSD rušení přeslechy, je založen na modelování a superpozici masek přeslechů přímo od jednotlivých přenosových systémů. Tento způsob získávání výsledného profilu přeslechu je přesnější než způsob předchozí. Umožňuje modelovat situace na účastnickém vedení a to nejen v typech jednotlivých přenosových technologií, ale také v počtu, v jakém jsou v daném kabelu provozovány. Více o metodách modelování rušení lze nalézt v článcích Testování přípojek SHDSL, Modelování rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL, nebo také v [2].

Výsledky simulací a porovnání se skutečnými přípojkami
Porovnání teoretické závislosti maximální dosažitelné rychlosti na délce účastnického vedení je uvedeno na obr. 1 a obr. 2. Jako účastnické vedení se uvažoval symetrický pár v místním kabelu typu TCEPKPFLE 0,4 mm. Přenos byl ovlivňován přeslechovým rušením, které odpovídalo modelům A, B, C a D.

Obr. 1 - Závislost velikosti přenosové rychlosti na délce účastnického vedení pro modulaci 16-TCPAM a modely rušení A, B, C a D.

Na obr. 1 jsou uvedeny teoretické závislosti pro přípojku SHDSL, která využívá 16-TCPAM. Závislost velikosti přenosové rychlosti na délce vedení pro přípojku s modulací 32-TCPAM je uvedena na obr. 2.

Obr. 2 - Závislost velikosti přenosové rychlosti na délce účastnického vedení pro modulaci 32-TCPAM a modely rušení A, B, C a D.

Teoretické simulace výkonnosti přenosu byly porovnány s měřením na reálných přípojkách SHDSL.bis. Měření bylo prováděno s koncovými modemy firmy ZyXEL Prestige 791 a Prestige 724. Modem Prestige 724 splňuje pouze první verzi standardu G.991.2, proto jeho maximální přenosová rychlost je pouze 2320 kbit/s. Modem P791 je modem druhé generace přípojek SHDSL.bis. Výsledky simulace a reálných měření jsou uvedeny na obr. 3.

Účastnické vedení bylo tvořeno metalickým kabelem TCEPKPFLE 75x4x0,4 mm (základním prvkem je křížová čtyřka s průměrem jádra 0,4 mm, izolace žil z napěněného PE, plášť PE). Výsledky jsou uvedeny na obr. 3.

Obr. 3 - Porovnání výsledků teoretické simulace a reálných měření.

Rušení reálné přístupové sítě odpovídalo modelu B a bylo simulováno programem pro vypočtení časového průběhu rušení. Podrobný popis programu je uveden v článku Popis programu pro simulaci přípojek xDSL. Vygenerovaný časový průběh rušení byl nahrán do funkčního generátoru signálů Agilent 33220A a pomocí vazebních členů injektován do testovacího vedení.

Závěr
Z grafů, které porovnávají výkonnost přenosu pro obě modulace lze vyčíst, že přínos modulace 32-TCPAM je zřejmý přibližně do 1,2 km. Pro vyšší délky účastnického vedení je používání 32 stavů nepraktické. Vzhledem k rostoucímu útlumu vedení je dosažení potřebného odstupu signálu od šumu SNR = 39,85 dB, pro bitovou chybovost BER = 10^-7, možné pouze pro podstatně nižší přenosové rychlosti, než při používání modulace 16-TCPAM, která vyžaduje nižší poměr SNR = 33,37 dB. Zpřesnění odhadu přenosové rychlosti, především pro modulaci 32-TCPAM, je předmětem dalšího výzkumu.

Přípojky SHDSL představují způsob přenosu pro efektivní využití existující metalické přístupové sítě. Svou koncepcí pro symetrické přenosové rychlosti jsou předurčeny pro realizaci pronajatých okruhů a připojení menších firem. Druhá generace přípojky SHDSL.bis rozvíjí možnosti a spektrum poskytovaných služeb. Inovovaná generace nabízí vyšší přenosové rychlosti a dokonalejší podporu pro přenos různých typů uživatelských signálů.

Článek vznikl v rámci projektu NPV 1ET300750402 - Specifikace kvalitativních kritérií a optimalizace prostředků pro vysokorychlostní přístupové sítě.

Literatura
[1] Jareš, P. Základní popis přípojky SHDSL In: Access server [online]. 2004, roč. 2, č. 2004111601, s. 2004111601. Internet: http://access.comtel.cz/view.php?cisloclanku=2004111601. ISSN 1214-9675.
[2] Vodrážka, J. Přeslechy a jejich modelování. In: Elektrorevue [online]. 2002, č. 61, Internet: http://www.elektrorevue.cz/clanky/02061/. ISSN 1213-1539.
[3] Jareš, P. Testování přípojek SHDSL In: Access server [online]. 2004, roč. 2, č. 2004111602, s. 2004111602. Internet: http://access.comtel.cz/view.php?cisloclanku=2004111602. ISSN 1214-9675.
[4] Jareš, P. Modelování rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL In: Access server [online]. 2005, roč. 3, č. 200412220, s. 200412220. Internet: http://access.comtel.cz/view.php?cisloclanku=200412220. ISSN 1214-9675.