Modely metalické přístupové sítě

Autor: P. Jareš <jaresp(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Metalické vedení, Vydáno dne: 20. 06. 2006

Tento článek se přehlednou formou snaží přiblížit metody modelování metalické přístupové sítě. V jednotlivých kapitolách jsou postupně popsány modely sítě spolu s odpovídajícím způsobem modelování přeslechového rušení pro získání reálného modelu přístupové sítě pro simulační účely.

Methods for metallic access network modeling

Abstract

This paper is designed to bring closer methods for modeling metallic access network. In individual chapters was described network model along with appropriate way of modeling crosstalk interference to gain real model of access network for simulation purposes.

1. Úvod

Budoucnost přístupové sítě je bez diskuze spojena s optickými vlákny a kabely. Jedinou překážkou v jejích rychlém rozvoji zatím zůstává cena za vybudování. Zvláště v České republice si tedy na optickou přípojku až do domu asi ještě chvilku počkáme. Ekonomické aspekty tak dávají další šanci stávající přístupové síti, která je postavena na symetrických párech. Metalické přístupové sítě, díky technologii xDSL, zažívají své znovuzrození. Provozování nové technologie v síti s historicky odlišnou koncepcí není věc jednoduchá. Operátoři řeší řadu problémů. Pomoci v jejich řešení jim mají laboratorní simulace a analytické modely.

Modelování reálné přístupové sítě lze rozdělit do tří hlavních oblastí. První oblastí je modelování vlastností symetrického páru a modelování kompletní topologie metalického kabelu v přístupové síti. Druhou oblastí je modelování vysílacích parametrů koncových zařízení jednotlivých technologií. Třetí oblastí je simulace vzájemných přeslechových vazeb mezi jednotlivými symetrickými páry v kabelu respektive mezi jednotlivými technologiemi.

První a třetí oblast spolu velmi úzce souvisejí. Na způsobu a na přesnosti, s jakou chceme modelovat přeslechové rušení, záleží metoda simulace topologie přístupové sítě. Přeslechové vazby mezi jednotlivými páry lze modelovat dvěma způsoby. Zaprvé můžeme využít předdefinované modelové profily rušení, které standardizovala mezinárodní organizace ITU-T (podrobněji v Modelování rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL). Tyto modelové profily představují typické situace v přístupové síti, ve kterých se xDSL transceiver může vyskytnout. Zadruhé je možné přeslechové rušení vypočítat kombinací jednotlivých technologií, respektive jejich vysílacích parametrů. Pokud budeme využívat nadefinované profily rušení, lze i modelování topologie účastnického vedení zjednodušit na modelování přenosové cesty typu bod-bod. V modelování bod-bod se účastnické vedení považuje za homogenní vedení o určité nominální délce a průměru.

Při požadavku na vetší reálnost výsledků se reálná přenosová cesta musí modelovat jako kaskádně řazené úseky metalických vedení o různé nominální délce a různém průměru. U každého úseku vedení je nutné definovat zda se jedná o hladký úsek vedení nebo o tzv. nezakončenou odbočku vedení (bridged tap). Budeme-li chtít modelovat situaci v přístupové síti co nejpřesněji, bude nezbytné modelovat přeslechové vazby metodou kombinace jednotlivých technologií a topologii účastnického vedení modelovat pomocí kaskádních modelů s respektováním vzájemné polohy jednotlivých párů.

Při modelování symetrických párů je nutné zohlednit typ přenosové technologie, která bude na symetrickém páru provozována. Typ přenosové technologie totiž určuje šířku frekvenčního pásma v jakém je nezbytné modelovat parametry páru. Pro perspektivní systémy VDSL je třeba využívat frekvenční pásmo do 30 MHz. V takto širokém frekvenčním pásmu lze modelovat charakteristiky symetrického páru pomocí 13-ti parametrového modelu British Telecom. Více viz. článek Modelování metalických účastnických přípojek. Model BT simuluje primární parametry páru. Z primárních parametrů se následně počítají sekundární parametry a celková přenosová funkce vedení. Při modelování více typů symetrických párů, které jsou řazeny za sebe, se využívají závěry z teorie vedení. Podrobnější informace jsou uvedeny dále v textu.

2. Model přístupové sítě typu bod-bod

Při modelování bod-bod považujeme účastnické metalické vedení za homogenní vedení. Předpoklad homogenního vedení výrazně zjednodušuje modelování celé topologie svazku metalického kabelu pouze na modelování jednotlivých symetrických párů. Kabel se symetrickými páry vychází z přístupového multiplexoru (DSLAM) u místní ústředny poskytovatele připojení (HOST), respektive z hlavního rozvodu ústředny. Kabelový svazek může také vycházet od některé ze vzdálených účastnických jednotek ústředny (RSU). Délka a struktura metalického kabelu je závislá na místních podmínkách a typu přenosové technologie. Při modelování přeslechových vazeb mezi jednotlivými páry se předpokládá, vzhledem k zjednodušenému modelování celé topologie, využití modelových profilů rušení organizace ITU-T. Provozovatel může stanovit své vlastní podmínky modelování a zejména přeslechové parametry na základě situace ve své přístupové síti. Podrobnější popis postupu modelování je uveden v [1]. Velmi zjednodušená topologie přístupové sítě je ukázána na obr. 1 (Server BAS – Broadband Access Server plní funkci autentifikace, autorizace a další).

Obr. 1 – Jednoduchá struktura přístupové sítě

3. Kaskádní model přístupové sítě

Topologii uživatelského vedení nelze nikdy v reálné přístupové síti považovat za homogenní. Vzhledem k postupnému budování přístupové sítě a například i vzhledem k provedeným opravám v síti se reálné účastnické vedení může skládat z kaskády různých délek a typů symetrických párů. Navíc instalace uživatelského vedení může obsahovat tzv. nezakončené odbočky vedení, které podle své délky negativně ovlivňují výkonnost přenosu systému xDSL. Nezakončená odbočka je paralelně k účastnickému vedení připojený úsek symetrického páru zakončený naprázdno. Nezakončená odbočka tedy může vzniknout například z paralelních telefonních přípojek, neoprávněnou úpravou v domácím rozvodu účastníka nebo poruchou a následnou opravou v svazku kabelu. Obr. 2 ukazuje strukturu reálné přístupové sítě.

Obr. 2 – Struktura účastnického vedení v reálné přístupové síti

Obdobně jako při modelování bod-bod vychází účastnické vedení z multiplexoru DSLAM přes hlavní rozvaděč. Mezi hlavním rozvaděčem (MDF) a následným síťovým rozvaděčem (NDF) se předpokládá svazek homogenních metalických vedení. Vedení od síťového rozvaděče směrem k účastníkovi může být tvořeno kaskádou různých typů a průměrů vedení. Chceme-li stanovit celkový útlum vedení složený z více úseků s odbočkami, můžeme jej vyjádřit jako součin matic popisujících jednotlivé kaskádně řazené úseky. Obr. 3 ukazuje simulovanou strukturu uživatelského vedení, která se skládá z celkem 5 úseků a jedné nezakončené odbočky.

Obr. 3 – Příklad reálného úseku uživatelského vedení

Modelování přeslechů metodou kombinace technologií je ze své podstaty přesnější než modelování přeslechového rušení pomocí modelových profilů rušení. Vychází z vysílacích masek spektrální výkonové hustoty (PSD), které jsou upravovány pomocí přenosových funkcí přeslechu v [1]. Počet přenosových technologií stejné spektrální třídy je zohledněn pomocí analytických vztahů taktéž uvedených v [1]. Výsledný vztah pro výpočet celkového průběhu PSD od všech systémů 1 až N je dán součtem bílého šumu na pozadí a přeslechů na blízkém a vzdáleném konci. Zjednodušení při výpočtu přeslechového rušení spočívá v tom, že hodnoty přeslechových parametrů (K_NEXT, K_FEXT) jsou průměrovány v celé délce uživatelského vedení a exaktně se nezohledňuje vliv jednotlivých úseků vedení. Dále je vlastní výpočet přeslechového rušení zjednodušen o nerespektování závislosti na poloze mezi rušícím a rušeným párem v rámci jedné skupiny nebo i v rámci různých skupin téhož svazku kabelu. Hodnoty přeslechových konstant se proto preventivně stanovují na základě nejhoršího případu rušení v kabelu. Tento princip však vede k pesimistickému výsledku ve výsledné úrovni rušení.

4. Přesné modelování stavu přístupové sítě

Při zpřesňování modelování stavu přístupové sítě je nutné opustit zjednodušující předpoklad o rovnoměrném rozprostření rušících párů v profilu kabelu, který má za následek zjednodušující výpočet přeslechových parametrů K_NEXT a K_FEXT. Míra přeslechového rušení se bude počítat pro jednotlivé úseky zvlášť a pomocí přeslechových parametrů K_NEXT a K_FEXTbude zohledněna poloha rušeného páru a rušícího páru. Na obr. 4 je uveden příklad analýzy přeslechů pro směr downstream.

Obr. 4 – Analýza směru downstream

Topologie stromu přístupové sítě je shodná s topologií, která je uvažována již v odstavci 3. Modelované účastnické vedení vychází z přístupového multiplexoru DSLAM, respektive z hlavního rozvaděče místní ústředny. Mezi multiplexorem DSLAM a hlavním rozvaděčem je účastnické vedení většinou tvořeno metalickými páry kategorie 5 s podstatně menšími přeslechovými vazbami a lepšími přenosovými vlastnostmi než jaké mají symetrické páry v metalickém kabelu přístupové sítě. Proto lze vzájemné vlivy mezi jednotlivými páry v tomto úseku zanedbat.

Navazující topologii přístupové sítě je pro potřeby výpočtů vhodné rozdělit do tzv. dělících bodů. Optimální umístění dělících bodů je vždy do jednotlivých sítových rozvaděčů přístupové sítě. Propojení síťových rozvaděčů je totiž většinou tvořeno homogenním metalickým kabelem, což vede ke snadnějším výpočtům poměrů na vedení. Pro každý dělící bod se pro potřeby simulace vypočítá úroveň užitečného signálu účastníka a také úrovně přeslechových rušení na vzdáleném a blízkém konci od okolních účastníků, které negativně ovlivňují přenos na digitální přípojce modelovaného účastníka. Obr.4 ukazuje modelový výpočet pro směr přenosu downstream. Modré šipky představují vliv rušení na blízkém konci NEXT, které se počítá z vysílacích masek směru upstream jednotlivých přenosových technologií. Červené šipky představují vliv rušení na vzdáleném konci FEXT, které se vypočítává z vysílacích masek pro směr downstream. Modelování směru přenosu upstream bude obdobné. Pouze velikost přeslechového rušení NEXT bude závislé na vysílacích parametrech systémů ve směru upstream a velikost přeslechového rušení FEXT na parametrech pro směr downstream.

Vzhledem k velkém počtu symetrických párů v jednom metalickém kabelu a z toho vyplývající náročnosti získání parametrů měřením kabelu a vzhledem k nárokům při výpočtech, je možné provést určitou redukci počtu přeslechových parametrů jejich sdružením podle polohy. S ohledem na obvyklou konstrukci místních kabelů, které jsou používány, je možné symetrické páry (a následně přeslechové parametry) rozdělit do následujících kategorií:

sousední symetrické páry – páry v rámci jedné čtyřky a páry sousedních čtyřek v rámci stejné podskupiny,
blízké symetrické páry – páry ve vzdálených čtyřkách stejné nebo sousední podskupiny
vzdálené symetrické páry – páry ve čtyřkách vzdálených podskupin

Uvedené rozdělení přeslechových parametrů do tří skupin by mělo být dostatečné pro modelování reálných situací v přístupové síti bez zvýšené náročnosti na získání konkrétních hodnot. Pro potřeby Digitální správy spektra a koordinace vysílání jednotlivých transceiverů metodou Vectored DMT, bude nezbytná plná znalost přenosových funkcí přeslechů mezi jednotlivými páry v celém profilu kabelu.

5. Závěr

Schopnost přesně modelovat topologii a charakter rušení v přístupové síti je velmi důležitá. Vzhledem k mohutnému zvyšování počtu provozovaných digitálních účastnických přípojek v přístupových sítích a rozšiřování pásma (ADSL2+, VDSL2) bude nezbytné zavádět nové metody DSM, které budou schopny zajistit požadovanou kvalitu služby všem koncovým uživatelům. A právě pro zavádění metod DSM bude nutné umět simulovat aktuální stav přístupové sítě a testovat nové možné uspořádání přenosových systémů k ještě efektivnějšímu využití celého potenciálu metalické přístupové sítě.

Program pro simulace výkonnosti přenosu přípojek xDSL, který pro své výpočty modeluje přístupovou síť podle postupu uvedeného v kapitole 3, je zpřístupněn na MatLab serveru a je dostupný na následující adrese Simulace přípojek xDSL.

Příspěvek vznikl za podpory projektu NPV 1ET300750402.

Literatura

[1] Vodrážka, J. Přeslechy a jejich modelování. In: Elektrorevue [online]. 2002, č. 61, Internet: http://www.elektrorevue.cz/clanky/02061/. ISSN 1213-1539.
[2] ITU-T Recommendation G.996.1.,Test procedures for Digital Subscriber Line (DSL). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION (06/1999).
[3] Křepelka, V.: Spektrální zatížení přenosového prostředí. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Brno 2006.
[4] Jareš, P. Modelování rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL. In: Access server [online]. 2005, roč. 3, č. 200412220, s. 200412220. Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=200412220. ISSN 1214-9675.
[5] RAUSCHMAYER, Dennis J. ADSL/VDSL Principles: A Practical and Precise Study of Asymmetric Digital Subscriber Lines and Very High Speed Digital Subscriber Lines. Indianopolis, USA: Macmillan Technical Publishing, 1999. ISBN 1-57870-015-9.