Metody dynamické správy spektra v metalické přístupové síti

Problematika správy frekvenčního spektra v metalické přístupové síti se v dnešní době dostává do popředí zájmu u poskytovatelů připojení, protože zvládnutí problémů v této oblasti vede k výraznému zvýšení výkonnosti digitálních účastnických přípojek.

Dynamic spectrum management methods in metallic access network

Abstract

Jedním z hlavních faktorů, který ovlivňuje výkonnost přenosu u přípojky xDSL, je rušení přeslechy. Přeslechové rušení způsobují přenosové systémy, které pracující na souběžných párech metalického vedení v kabelu. Pro předcházení poruchám, které jsou způsobené vysokou úrovní přeslechového rušení, jsou vysílací parametry dnes provozovaných přípojek xDSL navrženy pro nejhorší případ rušení. To znamená, že koncové transceivery xDSL pracují pouze s maximálními hodnotami vysílacích parametrů bez ohledu na aktuální situaci v přístupové síti. Takový přístup ovšem vede k nežádoucímu rušení okolních přenosových systémů a k neefektivnímu využívání potenciálu přístupové sítě. Řešením tohoto nevhodného stavu je zavedení metod dynamické správy spektra v přístupové síti.

1. Přípojky xDSL

Přípojky xDSL využívají stávající metalické symetrické páry vedení v přístupových sítí k poskytování služeb vysokorychlostního přenosu dat. Zkratka xDSL pokrývá několik různých typů přípojek. Tyto přípojky lze dělit podle služeb, které poskytují koncovým uživatelům. První skupinou jsou domácí uživatelé. Druhou skupinu pak tvoří uživatelé z malých nebo i středních firem. Pro plnění požadavků domácích uživatelů jsou určeny asymetrické přípojky ADSL, ADSL2+, VDSL. Požadavky segmentu malých a středních firem pokrývají symetrické přípojky HDSL a SHDSL.

S narůstajícím počtem digitálních přípojek v přístupové síti vzrůstá nutnost řešit nové problémy, které souvisí s jejich provozem a které negativně ovlivňují jejich možnosti. Jedním z hlavních faktorů, které ovlivňují a limitují provoz přípojek xDSL, je rušení přeslechy od souběžně pracujících přenosových systémů. Vzájemné ovlivňování různých přenosových systémů je pochopitelně nežádoucí jev. Problematika modelování přístupové sítě je blíže rozebrána v článku Modely metalické přístupové sítě.

Obecným termínem, který shrnuje problematiku a postupy pro řešení vzájemné koexistence přenosových systémů, je termín Správa spektra (SM - Spectrum Management). V současné době se přístupových sítích operátorů uplatňují postupy tzv. Statické správy spektra (Static Spectrum Management - SSM).

2. Statická správa spektra

Postupy spadající do SSM jsou prvním jednodušším krokem k řešení problémů v přístupové síti poskytovatele připojení. Spočívají především ve vytvoření modelových profilů rušení, které představují typizovanou situaci rušení v přístupové síti. Modelové profily mají sloužit pro testovací a srovnávací účely koncových zařízení přípojek xDSL. Dále pak se s ohledem na analyzované podmínky v přístupové síti stanovily důležité vysílací parametry transceiverů xDSL, u kterých je třeba provést podrobnou specifikaci pro zajištění vzájemné koexistence přenosových systémů.

Pro potřeby SSM se stanovily tzv. spektrální třídy přípojek xDSL. Systémy v jedné spektrální třídě mají shodně definovány své vysílací parametry. Jedná se především o celkový vysílací výkon a o tvar masky vysílací spektrální výkonové hustoty (PSD - Power Spectral Density). Na základě vlastností jednotlivých spektrálních tříd se pak stanovily jejich možné kombinace pro spolehlivý provoz v jednom metalickém kabelu přístupové sítě. Ze samotného principu stanovování jednotlivých spektrálních tříd přenosových systémů vyplývá neefektivita tohoto postupu. Vysílací parametry jsou stanoveny staticky a tak, aby přenosový systém za jakkoliv změněné nebo zhoršené situace poskytoval danou službu v dostatečné kvalitě (u xDSL je jedním z měřítek kvality maximální přípustná bitová chybovost BER = 10^-7). Dochází tak často při nastavení hodnot vysílacích parametrů ke zbytečnému předimenzování, protože se například nezohledňuje aktuální stav přenosové cesty, vzdálenost od ústředny, složení systémů pracujících na sousedních párech, typ přenášené zátěže a s tím související i nutná šířka pásma. Postupy SSM tedy využívají potenciál přístupové sítě méně efektivně než by bylo možné. Velkou výhodou SSM je jednoduchost. Není třeba dalších investic do již vybudované přístupové sítě, přístupových bodů DSLAM a infrastruktury. Veškerá inteligence z hlediska SM je soustředěna v přístupovém bodu DSLAM poskytovatele a modemy koncových účastníku se řídí jejich příkazy.

3. Dynamická správa spektra

Zjednodušená charakteristika DSM by mohla znít jako dynamická autonomní nebo koordinovaná optimalizace vysílacích parametrů modemů s respektováním parametrů přenosového kanálu a okolních systémů. Základní principy jsou dva. Prvním principem je nevysílat výkonem větším než je nezbytně nutné. Druhým pak nevyužívat širší frekvenční pásmo než je nezbytně nutné. Vývoj postupů a principů DSM započal přibližně v roce 1997 u pracovní skupiny s označením ANSI T1E1.4, která se zabývá technickými specifikacemi digitálních systémů a jejich rozhraními pro vysokorychlostní přenosy po metalických párech. Jednotlivé postupy DSM se v současné době dělí do dvou základních kategorií. A to na postupy autonomní a koordinované.

3.1 Autonomní postupy DSM

Do kategorie autonomních postupů se řadí metoda Iterative-Water-filling a Greedy Algorithm (tyto metody se ovšem mohou provádět i v koordinovaném režimu). Tyto dvě metody vycházejí ze základního Shannon Hartleyova vztahu, kdy je informační kapacita kanálu závislá na šířce frekvenčního pásma a odstupu signálu od šumu (SNR – Signal to Noise Ratio). Proto lze vhodnou modifikací tvaru vysílací masky PSD, což je rozložení vysílacího výkonu v celém využívaném frekvenčním pásmu, ovlivnit poměr SNR a tím i výkonnost přenosu. Přenosový systém si může dynamicky upravovat své vysílací parametry nejen podle aktuálního stavu vedení, ale hlavně podle typu, úrovně a rozložení rušení v celém využívaném frekvenčním pásmu.

Další výhodou autonomních postupů je pak, podobně jako u SSM, i nižší finanční nákladnost při vybudování a provozu přístupové sítě. V infrastruktuře sítě není potřeba instalovat dodatečná řídící a dohledová centra. Na druhou stranu absence koordinovaného postupu při alokování části frekvenčního spektra přináší nevýhody. Vede k nižší efektivnosti ve využívání potenciálu přístupové sítě. A navíc iterační autonomní postupy mohou vést i k nestabilitě přístupové sítě. Například při snaze eliminovat přeslechy od souběžně provozovaných přípojek, mohou modemy nekontrolovaně zvyšovat svůj vysílací výkon až na maximální hodnoty. Proto budoucnost přístupových sítí je svázána pouze s metodami, které budou provozovány v koordinovaném kontrolovatelném režimu.

3.2 Koordinované postupy v DSM

Metody koordinované správy spektra vyžadují existenci společného dohledového a řídícího centra (SMC – Spectrum Maintenance Centre). Základní schéma centra SMC je na obr. 1. Modemy koncových uživatelů (zde VDSL – 1 až VDSL - L) spolupracují s ústřednovou stranou (DSLAM) poskytovatele připojení a předávají mu nezbytná data o stavu přípojky. Do koordinačního centra SMC jsou pak předávána souhrnná data rozhraním SMC-D. Konfigurační příkazy a parametry jsou pak zpět do DSLAMu předávány řídícím rozhraním SMC-C. Komunikace konkrétního SMC a nadřazeného centra poskytovatele se děje přes rozhraní SMC-S.

Obr. 1 - Blokové schéma centra SMC

V rámci koordinované správy lze použít zmíněné metody Iterative-Water-filling a Greedy Algorithm. Centrum SMC odstraní během iteračních kroků negativní vlastnosti metod (jako je postupný nárůst vysílacího výkonu). Implementace SMC do přístupové sítě vyžaduje však dodatečné investice poskytovatele připojení a navíc klade vyšší nároky i na koncová zařízení modemů, které budou muset předávat do řídícího centra informace o stavu přípojky na straně uživatele. Podle existence SMC a stupně koordinace provozu v přístupové síti se rozlišuje několik úrovní DSM.

• Úroveň 0 – v přístupové síti nejsou uplatňovány postupy DSM (stav současných přístupových sítí).
• Úroveň 1 – přenosová rychlost a vysílací výkon jsou sledovány a řízeny.
• Úroveň 2 – parametry přijímaného signálu a PSD šumu jsou sledovány, vysílací parametry jsou sledovány a řízeny.
• Úroveň 3 – v reálném čase jsou sledovány a řízeny parametry užitečných signálů a rušení. Uživatelská data jsou navíc koordinovaně vysílána.

Přestože koordinovaná korekce vysílacích parametrů vede ke zlepšení výkonnosti přenosu jednotlivých digitálních přípojek, nadále dochází k ovlivnění datových přenosů přeslechovým rušením. Eliminace přeslechového rušení od okolních systémů, které mají odlišné vysílací masky PSD, je možná pouze pomocí vhodného tvarování těchto masek a to tak, aby docházelo k jejich minimálnímu překrývání ve frekvenčním pásmu.

Potlačit přeslechové rušení od systémů stejné spektrální třídy je možné, podle typu rušení, dvěma způsoby. Eliminovat přeslechy na blízkém konci je možné s využitím metody frekvenčního dělení směrů přenosu (FDD – Frequency Division Duplex). Potlačit přeslech na vzdáleném konci vyžaduje zavedení odlišných metod než je koordinovaná správa spektra. Pro potlačení přeslechu FEXT byla pro digitální přípojky, které využívající modulaci DMT, vyvinuta metoda s vektorizací signálu (Vectored DMT – více v článku Dynamická správa spektra a Vektorová modulace DMT, který bude na Access serveru zpřístupňen v dohledné době).

4. Metody dynamické správy spektra

Jak již bylo zmíněno, metody spočívají v modifikaci vysílací masky PSD přenosového systému tak, aby docházelo k efektivnímu využití používaného frekvenčního pásma ovšem s ohledem na provoz okolních přenosových systémů způsobujících rušení. Metoda Water-filling je především určena pro přenosové systémy s přenosem dat, který se uskutečňuje pomocí modulací s více nosnými (MCM – MultiCarrier Modulation). Princip této metody DSM je jednoduchý, přenosový systém má vysílat především na kmitočtech, na kterých je největší odstup signálu od šumu. Způsob alokace vyšší úrovně vysílacího výkonu, respektive rozložení výkonu, odpovídá známému procesu plnění misky vodou (odtud název metody Water-filling Method) v celé šířce využívaného frekvenčního pásma B. Pomyslnou stěnu misky tvoří křivka převrácené hodnoty poměru SNR v přenosovém kanálu. Proces navyšování výkonu je stejný, jako bychom vlévali vodu do této misky až do určité úrovně, která je dána výkonem P_x. Tento jednoduchý postup je zobrazen na obr. 2 a je vhodný při určování vysílacích parametrů modemu jednoho koncového uživatele.

Obr. 2 – Metoda Water-filling

V případě využití této metody ve více uživatelském prostředí je třeba proces alokace výkonu opakovat v několika iteračních postupech, aby se adekvátním způsobem reagovalo na změny vysílacího výkonu okolních přenosových systémů, které přeslechovým rušením negativně ovlivňují naši přípojku xDSL. Metoda Water-filling je pak označována jako Iterative Water-filling Method (obr. 3).

Obr. 3 - Iterační varianta metody Water-filling

Reálné využití této metody je v dnešní době především v přípojkách ADSL. Tyto přípojky během fáze navazování spojení mezi modemem účastníka a přístupovým multiplexorem DSLAM analyzují přenosové prostředí (útlum vedení, poměr SNR, atd.) a nastavují své vysílací parametry tak, aby pro požadovanou službu splňovaly kvalitativní podmínku maximální přípustné bitové chybovosti.

K obdobným výsledkům jako metoda Iterative-Water-filling má vést Greedy Algorithm. Rozdíl je jen v postupu při dosažení optimálního rozložení vysílacího výkonu pro jednotlivé přípojky xDSL. Také Greedy Algorithm je určen pro přenosové systémy pracující s modulací o více nosných. U přípojky xDSL se postupně prochází celé využívané frekvenční pásmo a počítá se výkon jaký by byl potřeba pro zvýšení počtu alokovaných bitů o jeden na příslušné nosné frekvenci. Pro nosnou, u které je nutný výkon nejmenší, se poté provede zvýšení vysílacího výkonu a tedy počtu alokovaných bitů.

5. Závěr

V jednotlivých kapitolách je proveden základní přehled a rozdělení problematiky pro správu spektra v metalické přístupové síti. Vzhledem k narůstajícímu počtu digitálních přípojek v přístupových sítích se popisovaná problematika dostává do popředí zájmu u poskytovatelů připojení, protože zvládnutí problémů spojených se spektrálním managementem vede k vyšším přenosovým rychlostem na účastnických vedeních a k možnosti nabízet nové a na přenosovou kapacitu náročnější služby.

Příspěvek vznikl za podpory 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] Šilhavý, P. Modulace DMT (Discrete MultiTone). In: Elektrorevue [online] 2001, č. 6, Internet: http://www.elektrorevue.cz/clanky/01006/. ISSN 1213-1539.
[3] Song, K.B., Chung, T.S., Ginis, G. Cioffi, J.M. Dynamic Spectrum Management for Next-Generation DSL Systems. IEEE Communications Magazine October 2002.
[4] Kerpez, K.J., Waring, D.L., Galli, S., Dixon, J., Madon, P., Advanced DSL Management. IEEE Communications Magazine. September 2003.
[5] Starr, T., Sorbara, M., Cioffi, J.M., Silverman, P.J., DSL Advances. Prentice Hall Professional Technical Reference. 2003. ISBN 0-13-093810-6.