Základní popis přípojky SHDSL

    SHDSL (Single pair High speed Digital Subscriber Line) je následníkem systému HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line) a slouží pro duplexní provoz po jednopárovém symetrickém vedení. Přenosové rychlosti na účastnickém rozhraní jsou od 192 kbit/s do 2312 kbit/s. Pro přenos se používá šestnáctistavová pulsně amplitudová modulace s Trellis kódováním (16-TCPAM). Samotný návrh SHDSL transceiveru (podle doporučení ITU-T G.991.2) je proveden s ohledem na spektrální kompatibilitu s dalšími technologiemi, které jsou využívány v přístupových sítích (zejména ADSL, ISDN). SHDSL není možné na rozdíl od ADSL provozovat na společném páru s analogovou telefonní přípojkou POTS (Plain Old Telephone Service) ani s přípojkou ISDN (Integrated Service Digital Network).

obr. 1 - Funkční model SHDSL spoje

    Na obr. 1 je uvedeno základní uspořádání SHDSL spoje. Tvoří jej dvě jednotky STU (SHDSL Transceiver Unit), účastnické vedení (Digital Local Loop) a případně i opakovače SRU (SHDSL Regenerator Unit). Opakovače (regenerátory signálu) se umísťují do trasy mezi dvě STU pro zvětšení překlenutelné vzdálenosti.
      STU se podle fyzického umístění rozlišují na jednotku STU-R (Remote) a STU-C (Central). STU-R je jednotka je umístěná na straně účastníka a STU-C je jednotka umístěná na straně poskytovatele připojení.STU-C působí jako nadřazená jednotka (master) pro jednotku účastníka (slave) a pro kterýkoliv opakovač na trase.
      Obrázek neznázorňuje funkce potřebné pro dohled a údržbu, dále pak obvody lokálního, dálkového napájení (zajišťuje jednotka STU-C).
      Kromě základního uspořádání uvádí obr. 1 i podrobněji hlavní funkční bloky a jednotlivé body rozhraní STU. Každá jednotka SHDSL se dělí na dva podbloky. První podblok je aplikačně nezávislý a skládá se z části PMD (Physical Media Dependent) a z části PMS-TC (Physical Media-Specific TC Layer). Druhý podblok je aplikačně specifický a je složený z části TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) a z rozhraní pro jednotlivá periferní zařízení.

  Základní funkce bloku PMD jsou :

• generování a obnova taktu (symbol timing generation and recovery)
• kódování a dekódování (coding and decoding)
• modulace a demodulace (modulation and demodulation)
• funkce potlačení ozvěn (echo cancellation)
• kompenzace parametrů vedení (line equalization)
• inicializace spojení (link startup)

    Blok PMS-TC plní funkce spojené s rámcovou synchronizací, vytvářením rámců, skramblováním a deskramblováním. V jednotkách STU je blok PMS-TC připojen rozhraním a(resp.b) k bloku TPS-TC.
      Blok TPS-TC je aplikačně specifický a má za úkol dělit uživatelská data do SHDSL rámců. To zahrnuje multiplexování, demultiplexování a sychronizaci dat jednotlivých účastnických kanálů. Vzávislosti na požadované službě přiděluje blok TPS-TC počet kanálů pro přenos uživatelských dat. Pomocí rozhraní g_C a g_R komunikuje TPS-TC sjednotlivými účastnickými perifériemi.
      Přestože je SHDSL podle doporučení ITU-T G.991.2 navrženo hlavně pro přenosy po jednom páru vedení, je možné při požadavku na překlenutí vyšší vzdálenosti (resp. při požadavku na vyšší přenosové rychlosti) použít i dvoupárová metalická vedení. Stejně jako pro jednopárový provoz je možné i při dvoupárovém provozu využít regenerátory signálu.

obr. 2 - Vrstvový referenční model SHDSL spoje

    Vrstvový model na obr. 2 jen jinak vyjadřuje dříve uvedené blokové schéma z obr. 1. Tento vrstvový pohled na jednotku SHDSL vychází ze všeobecného modelu xDSL, který je uveden v doporučení ITU-T G.995.1. Obr. 2 zobrazuje nejen vnitřní body rozhraní g_C, a (resp. g_R, b), ale také referenční body celého přenosového řetězce. Podle druhu požadované služby a způsobu využití se jednotka STU-R připojuje přes referenční body S/T, k odpovídajícímu terminálu (datovému, telekomunikačnímu, atd.). Referenční bod U je rozhraní mezi dvěmi jednotkami STU-x. Je-li do trasy zařazen regenerátor je bod U směrem k uživateli označován jako U-C a směrem k poskytovateli sítě je označován jako U-R. Jednotka poskytovatele STU-C je připojena k síti přes referenční bod V.

SHDSL transceivery jsou určeny pro přenosové rychlosti na uživatelském rozhraní od 192 kbit/s do 2,312 Mbit/s po krocích o velikosti 8  kbit/s. Povolené přenosové rychlosti jsou dány vztahem :

(1)

kde proměnné nabývají hodnoty :

(2)

Pro hodnotu n = 36 je proměnná i pouze 0 nebo 1.
    Velikost přenosové rychlosti na rozhraní U je o 8 kbit/s vyšší. Zvýšení hodnoty je způsobeno přidáním záhlaví rámce SHDSL.
    Doporučení ITU-T 991.2 uvádí i variantu s přenosem po dvou párech. Pak mohou být přenosové rychlosti uživatelských dat dvojnásobné. Od 384 kbit/s do 4,624 Mbit/s po krocích o velikosti 16 kbit/s.

Popis funkce SHDSL modemu

Blokové schéma postupu při zpracování dat na vrstvách PMS-TC a PMD vysílací části jednotky STU-C (resp. STU-R) je uvedeno na obr. 3.

obr. 3 - Zpracování dat na vrstvách PMS-TC a PMD ve vysílací části STU

    Proměnná n reprezentuje bitový čas (diskrétní změny signálu s periodou jednoho bitu), proměnná m reprezentuje symbolový čas (diskrétní změny signálu s periodou jednoho symbolu). Proměnná t představuje čas spojitého signálu po digitálně-analogovém převodu na linkovém rozhraní. Bloky vytváření rámců, CRC, skrambler a TCM kodér jsou součástí bloku PMS-TC. Kanálový prekodér (precoder) a tvarovač spektra (spectral shaper) jsou součástí bloku PMD.

Rámec SHDSL

    Postup rozdělení uživatelských dat do rámce SHDSL je následující. Rámec SHDSL (uveden na obr. 4) obsahuje 4 bloky uživatelských dat a každý blok uživatelských dat je tvořen 12 sub-bloky. Velikost sub-bloku je dána vztahem k_s = i + n × 8 bitů. Celkový počet uživatelských bitů jednom v rámci SHDSL je k_SHDSL = 4 × 12 ×  (i + n × 8). Rozsahy hodnot proměnných i a n, stejně jako povolené přenosové rychlosti uživatelských dat, jsou uvedeny ve vzorci (1) a (2). Zjednodušená struktura rámce SHSDL je shrnuta tab. 1.

tab. 1 - Shrnutí záhlaví rámce SHDSL

obr. 4 - Struktura rámce SHDSL

    Při dvoupárovém provozu je nezbytné rozdělit uživatelský datový tok mezi oba páry. Dělení se realizuje prokládáním sub-bloků mezi párem 1 a párem 2. Princip je ukázán na obr. 5, kdy je k_s bitů z každého sub-bloku přenášeno prvým párem a zbylých k_s je přenášeno druhým párem. Velikost každého sub-bloku je definována jako 2k_s, kde k_s = i + n × 8 bitů.

obr. 5 - Rozdělení dat mezi dva páry

    Na obou párech vedení se musí používat stejné přenosové rychlosti a vysílače obou párů musí dodržovat limity pro rámcovou synchronizaci. V STU-C se taktovací signál pro oba páry odebírá ze stejného zdroje. V jednotce STU-R se takt odvozuje od linkového signálu z každého páru.

Zabezpečení cyklickým kódem CRC

    Zabezpečení se přenáší v záhlaví rámce SHDSL 3x po dvou bitech (dělené záhlaví mezi bloky dat). Kód CRC (Cyclic Redundancy Check) se generuje pro každý rámec a je vysílán v rámci následujícím. Postup vytvoření šestice CRC bitů je následující: polynom uživatelských dat je vynásoben 2 ⁶. Takto vytvořený součin je následně vydělen generujícím (primitivním) polynomem. Zbytek po dělení je ona šestice CRC bitů. Zabezpečují se uživatelská data a záhlaví rámce mimo synchronizačního slova, CRC bitů, stuffingových bitů.

Generující polynom je :

(3)

Skrambler

    Blokové schéma skrambleru jednotky STU-C je uvedeno na obr. 6. Na obrázku označuje T_b zpoždění v délce trvání jednoho bitu a značka "Å" operaci XOR. Skrambler je tvořen posuvným registrem se zavedenou zpětnou vazbou. Pro jednotku STU-C je to za 5 a 23 zpožďovacím členem. Pro jednotku STU-R je vazba za 18 a 23 zpožďovacím členem. V datovém módu se v rámci SHDSL neskramblují bity synchronizace a stuffingu. Pokud přicházejí ve vstupní posloupnosti bity stuffingu a synchronizace, skrambler přestane být taktován a vstupní posloupnost f(n) přechází přímo na výstup s(n).

obr. 6 - Blokové schéma skrambleru STU-C

Kodér TCM

    Blokové schéma kodéru TCM (Trellis Coded Modulation)je na obr. 7.

obr. 7 - Blokové schéma TCM kodéru

    Sériový bitový tok ze skrambleru s(n) je konvertován do paralelního K-bitového slova {X₁(m)=s(mK+0), X₂(m =s(mK+1),....., X_K(m)=s(mK+K-1)} v m-tém symbolovém čase, kde X₁(m) je první vstupní bit.
    Po sérioparalelním převodu následuje konvoluční kodér. Na obr. 8 je dopředný nesystematický konvoluční kodér, kde doba T_s představuje zpoždění o jednu jednotku symbolového času, "Å" je operace XOR, "Ä" je operace AND. X₁(m) je vstupní hodnota do konvolučního kodéru, Y₁(m) a Y₀(m) jsou spočtené výstupní hodnoty.

obr. 8 - Blokové schéma konvolučního kodéru

    Binární koeficienty a_i a b_i jsou zadány do kodéru během fáze aktivace spojení. Koeficienty jsou voleny podle požadavků na přenos a podle konkrétní situace.

    Výsledné K+1-bitové slovo (Y₀(m),Y₁(m),....,Y_K(m)) je po TCM kodéru mapováno do jedné ze 16 úrovní PAM (obecně do 2 ^K+1 úrovní) a vytváří tak posloupnost x(m). Je-li přenášeno K informačních bitů pomocí jednoho stavu jednodimenzionální PAM, pak doba trvání stavu je K+1 krát doba trvání jednoho bitu n.

    Předpis pro mapování do 16-PAM je obsažen v tab. 2. Generované symboly procházejí výstupním filtrem, který omezuje frekvenční spektrum vysílaného signálu tak, aby vyhověl maskám PSD.

tab. 2 - Mapování bitů do PAM úrovní

Redukce vysílacího výkonu

    Z distribuční topologie účastnické přístupové sítě vyplývá, že pro zajištění vzájemné koexistence xDSL zařízení je nutné korigovat vysílací výkon jednotlivých přenosových zařízení. Cílem je, aby daný systém vysílal jen s minimálním vysílacím výkonem, který však postačuje pro zajištění dostatečné kvality přenosu (resp. dostatečného odstupu signál-šum).
    SHDSL systémy mají implementované obvody pro redukci vysílacího výkonu (PBO - Power Back-Off). Hodnota omezení vysílací úrovně je vybrána během fáze navazování spojení. Stanovuje se podle požadavků uvedených v doporučení ITU-T G.991.2. Maximální úroveň vysílacího výkonu je u systémů SHDSL 14,5 dBm a může být omezena až o 31 dB.

Maska PSD

    Jak už bylo výše zmíněno, mají systémy SHDSL definováno frekvenční spektrum vysílaného signálu. Cílem korekcí je, spolu s obvody PBO, zajistit lepší vzájemnou kompatibilitu s ostatními xDSL zařízeními nasazenými v přístupové síti.
    Prvním z těchto parametrů je maska výkonové spektrální hustoty (PSD). Jednotka STU by neměla během vysílání na všech přenosových rychlostech tuto masku překračovat. Systémy SHDSL by měli povinně podporovat symetrickou masku PSD, která je stejná pro oba směry přenosu, tj. platí pro vysílač v STU-R i STU-C. Podpora asymetrické PSD je nepovinná.
    Dalším parametrem je celkový vysílací výkon při zakončení zátěží 135 W. Systém SHDSL by se měl držet uvnitř definovaného intervalu ± 0,5 dB.

    Pro modulaci 16-TCPAM a pro oba směry přenosu dat, jsou v tab. 3 rozepsány detaily přenosové rychlosti, přiřazené symbolové (modulační) rychlosti a počty mapovaných bitů na symbol.

tab. 3 - Parametry přenosu pro 16-TCPAM

    Při vysílání jednotky STU by měla, na výstupu vysílače, být dodržena PSD maska popsaná následující funkcí ve W/Hz :

(4)

    kde proměnná MaskOffsetdB(f) je definována jako :

(5)

• f _int, je frekvence, na které se na protnou dvě funkce určující výsledný průběh PSDMASK_SHDSL
• PBO je hodnota útlumu vysílacího výkonu v dB
• K_SHDSL, konst, N, f _sym, f_3dB, jsou definovány v tab. 4
• L_mSHDSL je absolutní úroveň celkového výkonu s PBO = 0 dB
• v_p je přenosová rychlost uživatelského datového toku

tab. 4 - Parametry symetrické PSD

   Na obr. 9 je symetrická maska PSD pro přenosové rychlosti 256, 512, 768, 1536, 2048, 2304 kbit/s při PBO = 0 dB.

obr. 9 - PSD maska SHDSL bez omezení výkonu (PBO = 0 dB)

Taktování

    Konfigurace jednotek SHDSL umožňuje flexibilitu ve výběru taktu, která je založena na využití různých zdrojů. Seznam standardních synchronizačních konfigurací a možných příkladů jejich použití je uveden v tab. 5