Použití redukce vysílacího výkonu u přípojek ADSL2 / 2+

Analýza nových vlastností přípojek ADSL2 a ADSL2+, zejména možnosti omezení vysílaného výkonu díky zavedení tzv. nízkopříkonových módů. Na základě provedených simulací byl zhodnocen vliv na přenosové rychlosti ve směru od provozovatele k účastníkovi.

Power back-off for ADSL2/2+ lines

Abstract

Jedním z nejzávažnějších omezujících faktorů všech xDSL technologií na dosahované přenosové rychlosti jsou přeslechy od ostatních digitálních systémů nacházejících se ve stejném kabelu. Rušení takto vzniklé se dá zčásti eliminovat při efektivní správě spektra, kdy se volí vhodně spektrální výkonová hustota masky PSD (Power Spectral Density) a vysílací výkony jednotlivých systému tak, aby se pokud možno co nejméně vzájemně ovlivňovaly. Proto jednou z mnoha nových vlastností přípojek ADSL2 a ADSL2+ je funkce umožňující redukovat vysílaný výkon (více o těchto nových vlastnostech se můžete dozvědět např. v [1], [2]). Konkrétně se jedná o omezování výkonu - Power Cutback (PCB) a dále pak o nízkopříkonové módy L2 a L3.

Omezování výkonu (PCB)

Princip je založen na snížení PSD masky na takovou úroveň, pří které je ještě splněna podmínka spočívající v dosažení takové přenosové rychlosti na kterou je daná přípojka kvalifikována. Velikost poklesu výkonu je stanoven v průběhu inicializační fáze a závisí především na odstupu signálu od šumu (SNR, Signal to Noise Ratio).

• Maximální možné snížení PSD masky je stanoveno na hodnotu 40 dB [3]. U kratších přípojek by bylo možné v některých případech ještě více snížit vysílací výkon, ale to už by se stejně minimálně projevilo na přeslechových vazbách.
• Proto, aby mohla být použita nejvhodnější hodnota PCB, je nutné provést více fází inicializace (iterační proces), a to z toho důvodu, že přesné SNR je známo až v konečné fázi, kdy už není povolena další změna PSD masky.

Výkonové režimy přípojky ADSL2

Pro přípojky druhé generace byly přidány k původnímu L0 dva nové režimy modemů ADSL použitelné v závislosti na aktivitě účastníka:

• L0 – ADSL přípojka je plně funkční. Pouze v tomto módu je možné přenášet uživatelská data plnou rychlostí v obou směrech přenosu.
• L2 – ADSL přípojka je aktivní, ale ze strany ATU-C (ADSL Transceiver Unit - Central Office) se vysílá se sníženým výkonem a tudíž je rychlost ve směru k účastníkovi (downstream) omezena na potřebné minimum, při kterém je ještě možné udržovat spojení. Modem ATU-R (ADSL Transceiver Unit - Remote Terminal) na straně účastníka vysílá stejným výkonem jako v módu L0. Mód L2 je použit v případě, když se po definovanou dobu nepřenášejí žádná uživatelská data v sestupném směru (downstream). Je-li potřeba přenést uživatelská data, musí přípojka přejít zpět do módu L0. V době, kdy je ATU-C ve stavu L2, je možné provést výměnou zpráv mezi ATU-C a ATU-R a nastavit ještě další snížení vysílaného výkonu v případě, že je nadbytečně velký (tzv. L2 trim, více v [1]).
• L3 – jde o tzv. režim spánku (sleep mode), kdy není přenášen žádný signál. ATU jednotky na obou stranách mohou být pod napájením, nebo mohou být vypnuté. Použije se při dlouhodobé absenci přenášených dat. V případě požadavku na přenos dat lze přejít z režimu L3 do L0 provedením rychlé inicializace přípojky, trvající asi 3 s. 

V další části článku jsou definovány podmínky při kterých se modelovalo a dále je na základě uvedených simulací zhodnocen jejich přínos a jejich případné nedostatky.

Podmínky modelování

Při modelování se vycházelo z technických podmínek správy spektra v kabelech zveřejněných Českým Telecomem, kde je stanoveno 6 vzdálenostních pásem, přičemž ADSL lze provozovat v prvních pěti (viz též článek Vliv omezování vysílacího výkonu na propustnost ADSL). Struktura kabelového stromu představující zjednodušenou situaci v přístupové síti je znázorněna na obr. 1, kde vzdálenosti pro jednotlivé pásma jsou následující:

l₁ = 1500 m, l₂ = 200 m, l₃ = 700 m, l₄ = 200 m, l₅ = 800 m, l₆ = 400 m, l₇ = 400 m

Obr. 1 Struktura kabelového stromu.

Pří zjišťování přeslechových vazeb mezi jednotlivými systémy bylo vycházeno z nejhorší možné varianty, u které se postupuje tím způsobem, že přidáváním jednotlivých systému se obsazují nejdříve kombinace s nejsilnějším rušením. Tomu pro kabelový strom s více než 50-ti páry (bylo uvažováno 1000 párů) odpovídá vztah

(1)

K_n - rušení od n systémů
K₁ - rušení od jednoho systému
n - počet zdrojů rušení (1 až 49)
m - celkový počet páru v kabelu

Jednotlivé systémy nejsou ukončeny v jednom místě, ale v průběhu kabelu se části svazku oddělují. Pro co možná nejlepší přiblížení skutečnosti bylo rušení od jednotlivých přípojek počítáno následovně:

rušení od přípojek ukončených ve stejném uzlu jako přípojka rušená:

(2)

rušení od ostatních přípojek:

(3)

Node_x - počet párů v x-tém uzlu
m_x - počet v páru v daném úseku kabelového stromu

Pro kabelový strom o 1000 párech pro hodnoty Node_x odpovídá:

Node₁ = 300, Node₂ = 300, Node₃ = 240, Node₄ = 120, Node₅ = 40

a počet párů (m_x) v jednotlivých úsecích následující:

m₁ = 1000, m₂ = 700, m₃ = 400, m₄ = 160, m₅ = 40

Při výpočtu celkového rušení byly brány v potaz přeslechy typu NEXT, FEXT a dále byl uvažován aditivní bílý šum (AWGN, Additive White Gaussian Noise) jehož hodnota je empiricky stanovena na -140 dBm/Hz. Parametry přeslechů K_NEXT a K_FEXT byly zvoleny na základě modelu TCEPKPFLE, podle něhož je K_NEXT = 2,57.10^-14 [-; Hz] a K_FEXT = 1,12.10^-16 [-; Hz , km] ( více o modelování přeslechů se lze dozvědět zde).

Kabel byl obsazen systémy ADSL2, ADSL2+ a SHDSL (PSD maska pro rychlosti 2304 kbit/s). Procentuální rozložení jednotlivých systému v kabelovém profilu je znázorněn v tab. 1 (uvažována extrémní situace kdy v jedné čtyřce kabelu je jeden DSL systém, neboli 50% obsazení).

Při modelování se ve všech případech braly v potaz pouze rychlosti ve směru downstream (směr upstream nebývá pro běžného uživatele tak kritický). V každém pásmu byly systémy ADSL2 a ADSL2+ rozděleny do čtyř kategorií přenosových rychlostí, kde procentuální rozdělení jednotlivých jmenovitých rychlostí uvádí tab. 2.

Byly uvažovány tři základní varianty označené:

• Plný výkon - bez omezování vysílacích výkonů
• PCB - s omezováním vysílacích výkonů pomocí PCB tak, aby bylo dosaženo jmenovité rychlosti, pokud je to možné (maximální výkon daný vysílací maskou PSD, minimální o 40 dB menší)
• PCB + L2/L3 - s omezováním vysílacích výkonů pomocí PCB a k tomu aktivace nízkopříkonových módů L2/L3 (pro dostatečné zviditelnění efektu nastaveno 30% přípojek v módu L2 – snížení rychlostí na 1/8 původní rychlosti – 50% přípojek v módu L3 – uvažovány jako vypnuté).

Výsledky modelování

V tab. 3 jsou zobrazeny dosažené přenosové rychlosti přípojkami ADSL2 a ADSL2+ (červeně zvýrazněná pole říkají, že nebyla dosažena daná jmenovitá rychlost). Za předpokladu, že všechny přípojky vysílají maximálním výkonem (varianta a), je jejich propustnost v jednotlivých pásmech značně omezena. V tomto případě není u systémů ADSL2 možné ani v prvním pásmu dosáhnout jmenovité rychlosti 4,096 Mbit/s. U ADSL2+ lze sice tuto rychlost provozovat, ale to pouze v prvním pásmu. Proto byly dále zjišťovány možnosti obou typů přípojek za situace, kdy byl aplikován model uvažující omezení výkonu pomocí mechanismu PCB. Za takto stanovených podmínek už je vysílací výkon přípojek kvalifikovaných na nižší rychlosti značně snížen což se také projevilo na dosahovaných rychlostech. Je zřejmé, že díky tomu lze určité procento systémů nacházejících se v blízkosti ústředny provozovat na rychlostech 4,096 Mbit/s. Nakonec byl zjišťován přínos nízkopříkonových módů L2 a L3. Podle předpokladů byl pozorován další nárůst propustnosti z čehož následně plyne, že tato situace je nejvýhodnější jak pro provozovatele tak pro vlastní účastníky využívajících služeb ADSL.

Názorné porovnání rychlostí pro jmenovité rychlosti 4,096 Mbit/s je zobrazeno na obr. 2 (ADSL2) a obr. 3 (ADSL2+). Lze vypozorovat, že s rostoucí vzdáleností je nárůst přenosových rychlostí méně významný. Tento jev se dá vysvětlit tím, že pro vzdálenější přípojky je přeslechový signál FEXT značně utlumen a tudíž i jeho případné snížení se tolik neprojeví. Při porovnání systémů ADSL2 a ADSL2+ lze konstatovat že podstatnější rozdíly ve výkonnosti se projevily pouze v prvních dvou pásmech. To je způsobeno tím, že za těchto podmínek je útlum na vyšších frekvencí (1,1 až 2,2 MHz) takový, že znemožňuje systémům ADSL2+ tato pásma využívat.

Obr. 2 Porovnání přenosových rychlostí ADSL2 pro jmenovitou rychlost 4,096 Mb/s.

Obr. 3 Porovnání přenosových rychlostí ADSL2+ pro jmenovitou rychlost 4,096 Mbit/s.

Jak už bylo řečeno, redukce výkonu se nejpodstatněji projeví u systémů nacházejících se blíže ústředně. Proto nyní bude podrobněji zkoumána alternativní konfigurace kabelového stromu, kdy jsou všechny systémy posunuty o 1 km blíže k ústředně (vzdálenost l₁ je zkrácena na 0,5 km, vzdálenosti l₂ až l₇ zůstaly zachovány). I zde byly jmenovité rychlosti rozděleny do čtyř kategorií podobně, jako v tab. 3 (50% přípojek o rychlosti 1,024 Mbit/s, 20% přípojek 2,048 Mbit/s, 20% přípojek 4,096 Mbit/s, 10% přípojek 6,144 Mbit/s pro ADSL2 nebo 8,192 Mbit/s pro ADSL2+).

Za těchto podmínek lze prohlásit, že navýšení rychlosti redukcí vysílacího výkonu je podstatně znatelnější. Je evidentní, že při takovémto uspořádání kabelového stromu je zavedení funkce PCB a L2/L3 módů výhodné pro většinu uživatelů, jejichž přípojky jsou kvalifikovány na vyšší přenosové rychlosti. Při užití scénáře, kdy není aplikována redukce vysílaného výkonu je vyloučeno, aby jakýkoliv účastník mohl využívat rychlostí 6,144 Mbit/s při užití ADSL2. U ADSL2+ je sice možné rychlost 8,192 Mbit/s dosáhnout, ale pouze pro nejkratší přípojky. Zavedením výše zmíněného mechanismu je v případě ADSL2 ve všech pásmech buď dosaženo dané jmenovité rychlosti nebo za nesplnění tohoto předpokladu alespoň zajištěn vzrůst přenosové rychlosti o přibližně 1,5 Mbit/s. Pro uživatele systému ADSL2+ je umožněno využití v prvních třech pásmech všech nabízených rychlostí a jejich celkový vzestup se pohyboval v závislosti na použitém pásmu v intervalu asi od 1,5 až do 3 Mbit/s.

Na obr. 4 a obr. 5 jsou porovnány rychlosti pro přípojky kvalifikované na nejvyšší přenosové rychlosti. Stojí za to si povšimnout, že u přípojek ADSL2+ je v prvním pásmu dosažena vyšší přenosová rychlost než jmenovitá a proto by se mohlo zdát výhodnější zde výkon neomezovat. Ale jedním z primárních zájmů provozovatele je nabídnout služby co možná největšímu počtu uživatelů a tudíž je pro něj výhodnější tyto přípojky částečně omezit a dovolit tak zvýšení propustnosti u systému nenacházející se v takové blízkosti ústředny.

Obr. 4 Porovnání přenosových rychlostí ADSL2 pro jmenovitou rychlost 6,144 Mbit/s

Obr. 5 Porovnání přenosových rychlostí ADSL2+ pro jmenovitou rychlost 8,192 Mbit/s

Závěrečné zhodnocení

Na závěr lze konstatovat, že zavedením omezování vysílacího výkonu (PCB) spolu s nízkopříkonovými módy (L2/L3), se sníží rušení způsobené přeslechy hlavně pro kratší přípojky vzdálené asi do 3 km od ústředny, jak ukazují výše uvedené simulace. Je to zapříčiněno především tím, že je pro ně přeslech FEXT mnohem výraznější, než pro vzdálenější přípojky a tudíž se pro ně snížením vysílacích výkonů na straně provozovatele i podstatněji sníží rušení. Díky tomu je možné kvalifikovat vybrané přípojky i pro takové rychlosti, které by za situace, kdy všechny systémy vysílají plným výkonem, nebylo možné garantovat. Dalším výrazným přínosem je snížená spotřeba elektrické energie hlavně na straně ústředny v případě L2 módu a na obou koncích přípojky při užití L3.

Nízkopříkonové módy mohou ale přinést i problémy. V případě inicializace modemu, kdy budou okolní přípojky převážně ve stavu L2 nebo L3, bude nízká úroveň rušení a tudíž bude umožněn přenos vyšší rychlostí. Ale jakmile dojde k návratu okolních přípojek do stavu L0, úroveň rušení se zvýší, což se následně projeví zvýšenou chybovostí a bude nutné dané spojení ukončit a provést reinicializaci. Tímto budou opět negativně ovlivněny převážně přípojky nacházející se blíže ústředně. Na druhou stranu  lze předpokládat, že pro kabelové stromy s velkým množstvím párů se střední hodnota počtu přípojek v L2/L3 módu nebude tak zásadně měnit. Navíc ADSL druhé generace umožňuje nastavení adaptivního režimu bez ztráty spojení SRA (Seamless Rate Adaptation), který dovolí plynule reagovat na nárůst i pokles rušení změnami přenosové rychlosti.

Příspěvek vznikl za podpory projektu NPV 1ET300750402.

Literatura
[1] Mach, P.: Přípojky ADSL2 a VDSL. Diplomová práce. ČVUT, FEL. Praha 2006.
[2] Aware, Inc.: ADSL2 and ADSL2+ - The New ADSL Standards (Revision 3), 2004.
[3] Doporučení ITU-T G.992.3 Asymmetrical Digital Subscriber Line 2 (ADSL2) transceivers.
[4] Doporučení ITU-T G.992.5 Asymmetrical Digital Subscriber Line 2+ (ADSL2+) transceivers.
[5] Vodrážka, J.: Přenosové systémy v přístupové síti. Vydavatelství ČVUT. Praha 2003.
[6] Ginis, G.: Low Power Modes for ADSL2 and ADSL2plus (Leden 2005).