Popis programu pro simulaci přípojek xDSL

Následující text popisuje komplexní program, který je určen pro simulování provozu digitálních účastnických přípojek. Program je přístupný na simulačním serveru MatLab. Článek podrobně shrnuje možnosti při zadávání vstupních dat, strukturu a funkčnost vlastního programu i výstupy jednotlivých simulací.

---

Description of simulation program for xDSL lines

Abstract

This paper describes complex program, which is dedicated for simulation of digital user lines operation. Program is available on simulation server Matlab. In details we are showing possibilities of entering input data, structure and functionality of this program and output of individual simulations.

---

Zjednodušené ideové schéma činnosti programu je uvedeno postupně na obr. 1 až 4. Program je modulárně řešen. To znamená, že si hlavní tělo programu na jednotlivé výpočetní úkoly volá příslušné podprogramy. Výhoda modulárního řešení spočívá v možnosti snadné modifikace stávajících nebo v možnosti snadného přidání zcela nových modulů. Z toho plyne snadná modifikovatelnost a rozšiřitelnost celého simulačního programu.

Funkce simulačního programu

Hlavní tělo programu spustí uživatel po kliknutí na tlačítko příslušné simulace. Poté dojde k vyčtení potřebných hodnot ze vstupního formuláře a podle zvoleného typu přípojky si program načte zbývající konstanty a proměnné z interního modulu Deklarace konstant.

Hlavní tělo programu po získání všech vstupních hodnot zavolá podprogram pro spočtení charakteristik uživatelem nadefinované topologie vedení, viz obr. 1. Postupně se tak pro každý zadaný úsek spočtou z primárních parametrů vedení a typu úseku (vedení/odbočka) jeho sekundární parametry. Při více zařazených úsecích se využijí závěry z teorie vedení o kaskádním řazení dvoubranů.

Je-li ve vstupním formuláři zadán požadavek na výpočet pomocí zadání útlumu úseku vedení, dojde ke změně v postupu získávání sekundárních parametrů vedení (přenosová funkce úseku vedení) a k určení konstant přeslechových vazeb.

Po skončení všech výpočtů podprogram vrátí do hlavního těla průběhy velikosti přenosové funkce vedení, útlumovou charakteristiku vedení, přeslechové konstanty na blízkém a vzdáleném konci, celkovou délku svazku kabelu a další proměnné.

Obr. 1 - Blokové schéma části programu pro výpočet parametrů vedení

Po spočtení parametrů vedení následuje výpočet přeslechového rušení, které představuje rušení od souběžně pracujících přenosových systémů a simuluje tak reálnou situaci v přístupové síti.

Simulovat prostředí v reálné přístupové síti lze dvěma způsoby. Zaprvé uživatel může využít tzv. modelové profily rušení. Ty standardizovala mezinárodní organizace ITU-T a představují typické situace v síti s různou úrovní a charakterem rušení. Druhý způsob spočívá ve vytvoření vlastní modelové situace kombinováním typů a počtů jednotlivých technologií.

Uživatel také může na server nahrát časový průběh nebo spektrální výkonovou hustotu rušení a doplnit ji o kombinaci dalších přenosových systémů. Pokud je na server nahrán časový průběh respektive průběh PSD rušení, musí uživatel zadat ve vstupním formuláři ještě délku celé sekvence časového průběhu, respektive frekvenční krok PSD. Po spuštění simulace dojde k nahrání souboru se vzorky rušení a program zkontroluje, zda-li jsou vstupní data v souboru validní pro další výpočet. Validitou se rozumí dostatečný počet vzorků rušení a odpovídající správný frekvenční krok.

Nejprve si popíšeme postup programu při generování rušení pomocí nahrání souboru a kombinace technologií (obr. 2). Po vložení časového průběhu rušení program ze vstupního formuláře zná délku celé sekvence a zjistí si počet vzorků v souboru. Z těchto údajů spočte postupně vzorkovací frekvenci, šířku frekvenčního pásma a frekvenční krok. Frekvenční krok lze zjistit již z časového průběhu. Program MatLab z časového průběhu rušení o N vzorcích vypočte N vzorkové oboustranné spektrum signálu. Přičemž první vzorek je velikost stejnosměrné složky signálu. Při nevyhovujícím frekvenčním kroku (větším než je požadováno) je simulace přerušena a uživatel je na tuto skutečnost upozorněn. V případě splnění podmínky dojde k vypočtení jednostranné spektrální výkonové hustoty rušení. Další procedury v úpravě vytvořeného průběhu PSD jsou shodné s dále popsaným postupem při importu souboru se zaznamenanou PSD rušení.

Obr. 2 - Blokové schéma části programu zpracovávájící vstupní soubor s průběhem rušení.

Po nahrání souboru s průběhem jednostranné PSD rušení dojde také ke kontrole zadaného frekvenčního kroku z vstupního formuláře. Pokud velikost kroku vyhovuje, jsou ze vstupních dat postupně určeny šířka pásma a velikost vzorkovací frekvence. Velikost šířky frekvenčního pásma je také kontrolována a musí odpovídat zvolené přenosové technologii. Je-li šířka pásma menší než je přípustné, bude doplněna na požadovanou šířku hodnotami šumu pozadí AWGN = -140 dBm/Hz s frekvenčním krokem, který odpovídá kroku PSD. Je-li šířka pásma větší než je nezbytné, bude PSD zkrácena.

Druhý parametr, který se kontroluje je frekvenční krok. První podmínku, kdy frekvenční krok nahrané nebo spočtené PSD musí odpovídat zvolené technologii, již program dříve vykonal. Pro potřeby dalších výpočtů programu je však potřeba, aby velikost frekvenčního kroku odpovídala konkrétní přesné hodnotě dle technologie. Je-li frekvenční krok roven požadované hodnotě, jeho korekce není nutná. Pokud je frekvenční krok menší než požadovaná hodnota, je třeba provést decimaci PSD.

Decimace se prování pomocí funkce programu Matlabu s úpravou signálu pomocí dolní propusti osmého řádu s Čebyševovou aproximací. K takto korigované PSD je možné přidat masku PSD, která bude spočtena kombinací technologií. Kombinace technologií umožňuje uživateli libovolně kombinovat typy a množství jednotlivých přípojek xDSL. Pomocí analytických vztahů se pak vypočítává výsledná maska PSD přeslechového rušení.

Při využití modelových profilů rušení jsou pro zadanou přenosovou technologii načteny z knihoven příslušné průběhy přeslechového rušení. Z těchto průběhů pak pomocí analytických vztahů program vypočte výslednou masku PSD rušení (detailnější popis je uveden v článku Modelování rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL a blokové schéma je uvedeno na obr. 3).

Obr. 3 - Blokové schéma části programu pro výpočet výsledného průběhu přeslechového rušení.

V závislosti na požadovaném typu simulace se s výslednou maskou přeslechového rušení provede odhad přenosové rychlosti přípojky xDSL nebo se z výsledné masky vypočte zpětnou Fourierovou transformací jedna z možných realizací časového průběhu rušení.

U nově spočteného časového průběhu rušení je možné zkontrolovat, zda-li rozložení četnosti výskytu amplitud odpovídá daným mezím dle standardů ITU-T (odhad přenosové rychlosti je uveden v článku Odhad přenosové rychlosti přípojky SHDSL, blokové schéma části programu je uvedeno na obrázku 4).

Obr. 4 - Blokové schéma poslední části programu s odhadem přenosové rychlosti a vytvořením časového průběhu rušení.

Vstupní parametry výpočtu

Vstupní data simulací jsou zadávána prostřednictvím přehledného vstupního formuláře. Ten se skládá z několika tématicky seskupených tabulek. Mezi jednotlivými tabulkami jsou pak umístěna tlačítka pro spouštění příslušných simulací. Výsledky se zobrazují vždy do nově otevřeného okna webového prohlížeče.

1. Tabulka – Volba analyzované přípojky
V této tabulce uživatel zadává základní informace o simulované digitální přípojce a o prostředí, ve kterém bude zvolená přípojka pracovat.

Přenosová technologie
Prvním parametrem je typ digitální přípojky, pro kterou se budou provádět vlastní výpočty. Program je schopen simulovat provoz pro následující typy přípojek:

• SHDSL – podle doporučení ITU-T G.991.2.
• ADSL over ISDN – dle doporučení ITU-T G.992.1 Annex B.
• ADSL over POTS – dle doporučení ITU-T G.992.1 Annex A.
• ADSL2+ over ISDN – dle doporučení ITU-T G.992.5 Annex B.
• ADSL2+ over POTS – dle doporučení ITU-T G.992.5 Annex A.
• VDSL over ISDN – dle doporučení ITU-T G.993.1.

Parametry přípojky xDSL
Podle zvoleného typu přípojky musí uživatel určit ještě některé doplňkové parametry. Parametry jsou následující:

• Doplňkové parametry pro přípojku SHDSL se nezadávají.
• Pro přípojku ADSL/ADSL2+ se volí metoda duplexního přenosu:

• FDD – frekvenční dělení.
• EC – potlačení ozvěn.

• Pro přípojku VDSL je vždy použita varianta FDD, ale volí se frekvenční plán:

• A - vhodnější pro asymetrický přenos.
• B - vhodnější pro symetrický přenos.

Profil rušení
Pro vybranou digitální přípojku je potřeba zvolit typ okolního prostředí, ve kterém bude přípojka provozována, respektive pro které se bude simulace počítat:

• Modelový profil A – velmi silné rušení v kabelovém svazku, přípojka je provozována v kabelu s vysokou obsazeností digitálními systémy.
• Modelový profil B – střední úroveň rušení v kabelovém svazku, přípojka je provozována v kabelu se střední obsazeností digitálními systémy.
• Modelový profil C – představuje kabelový svazek se stejnou obsazeností digitálními systémy jako v modelovém profilu B, navíc jsou v kabelu provozovány přenosové systémy PCM a ISDN-PRA s linkovým kódem HDB3.
• Modelový profil D – představuje kabelový svazek kabel s padesáti procentní obsazeností přenosových systémů stejného typu jako je zvolená digitální přípojka.
• Kombinace technologií – při volbě této položky se pro výpočet přeslechového rušení využije skladba systémů zadaná v tabulce Parametry pro výpočet rušení.
• Kombinace technologií + časový průběh rušení – tato volba umožňuje do programu nahrát vlastní soubor s časovým průběhem rušení, které bylo zaznamenáno například digitálním osciloskopem. Pomocí tabulky Parametry pro výpočet rušení lze pak k nahranému časovému průběhu přidat další přeslechové rušení z kombinace technologií.
• Kombinace technologií + průběh PSD rušení – obdobně jako v předchozí položce umožňuje tato volba nahrát do programu vlastní soubor s průběhem jednostranné spektrální výkonové hustoty rušení, která byla změřena například spektrální analyzátorem. Pomocí tabulky Parametry pro výpočet rušení lze pak k nahranému průběhu jednostranné PSD přidat další přeslechové rušení z kombinace technologií.

Šumová rezerva
Pomocí proměnné Šumová rezerva (Noise Margin) lze ovlivnit výkonnost přenosu digitální přípojky. Proměnná udává rezervu v hodnotě odstupu signálu od šumu (SNR) s jakou se navazuje spojení a která zajišťuje nepřerušení účastnického provozu při částečném zhoršení přenosových podmínek. Obvyklá je hodnota 6 dB. Hodnota 0 dB je hraniční a měla by ještě zajistit chybovost při přenosu menší než BER = 10^-7.

2. Tabulka – Parametry pro výpočet rušení
Hodnoty proměnných z tabulky Parametry pro výpočet rušení nepatří vždy mezi povinně zadávané údaje. Proměnné se uplatňují pouze ve výpočtech, ve kterých se definuje charakter přeslechového rušení pomocí kombinace technologií nebo pomocí kombinace technologií s vložením dat ze souboru. Pro testování různých situací v kabelovém svazku tabulka shrnuje nejběžnější typy a různé počty digitálních přípojek. Uživatel může zadat přípojky:

• SHDSL – celkem až tři skupiny přípojek se vzájemně různými přenosovými rychlostmi.
• HDSL – počítá se s dvoupárovou variantou.
• ADSL/2+ over POTS, ADSL/2+ over ISDN – mimo počtu přípojek se zde volí i varianta vytvoření duplexního provozu (FDD nebo EC).
• ISDN-BRA - základní přístup ISDN s kódem 2B1Q.
• ISDN-PRA - primární přístup ISDN s rychlostí 2048 kbit/s s kódem HDB3 (příp. jiný linkový systém E1, PCM30/32.
• VDSL – pro tento typ přípojky se počítá vždy s metodou FDD a je možné zadat variantu frekvenčního plánu A nebo B.

3. Tabulka – Parametry pro výpočet rušení a vedení
Hodnoty proměnných, které jsou zadávány v tabulce Parametry pro výpočet rušení a vedení, také nepatří mezi vždy povinně zadávané údaje. Tyto hodnoty jsou relevantní pouze při požadované simulaci na výpočet časového průběhu rušení nebo parametrů vedení (viz. dále). Pro uvedené simulace je třeba dodefinovat:

• Krok frekvence [kHz] – určuje krok na frekvenční ose.
• Horní mezní frekvence [kHz] – určuje šířku frekvenčního pásma.
• Směr přenosu - downstream (vypočítá rušení na straně účastnického modemu), upstream (vypočítá rušení na straně ústředny).

   Pokud uživatel požaduje provést simulaci přenosové rychlosti, uvedené proměnné se budou volit automaticky a to podle typu přípojky.

4. Tabulka – Parametry pro výpočet vedení
Topologie stromu přístupové sítě je možné modelovat až 10-ti úseky různého typu vedení s definovanou délkou úseku [km]. Jednotlivé úseky mohou mít charakter vedení nebo nezakončené odbočky (Bridged Tap). Typ kabelu v jednotlivých úsecích je charakterizován zejména průměrem jádra [mm] a provedením izolace. Je možno volit mezi těmito typy:

• Typické evropské kabely specifikované dle ETSI v doporučení ITU-T G.996.1 s průměrem jádra - 0,32 (ETSI) - 0,4 (ETSI) - 0,5 (ETSI) - 0,63 (ETSI) - 0,9 (ETSI).
• Typický místní čtyřkový kabel TCEPKPFLE z produkce Pražské kabelovny a.s. s průměrem jádra - 0,4 (Prakab) - 0,6 (Prakab) - 0,8 (Prakab).
• Typický místní čtyřkový kabel TCEPKPFLE dle údajů Českého Telecomu - 0,4 (CT) - 0,6 (CT) - 0,8 (CT).
• Vnitřní kabely SXKFY - 0,5 (izolace PE), SYKFY - 0,5 (izolace PVC), UCEKFY - 0,4 (izolace PE), UTP cat 5 - 0,5 (kabel pro LAN do 100 MHz).

   Pro potřeby některých simulací se ještě možné zadat Zakončovací impedanci vedení [Ω].

5. Tabulka – Uživatelské zadání míry přeslechů
Za normálních podmínek se odvíjejí parametry přeslechů od zvoleného typu vedení. Tyto hodnoty lze změnit, pokud se zatrhne volba ANO v tabulce Zadání útlumu přeslechu úseku vedení. Poté bude simulace zohledňovat uživatelem zadané hodnoty (získané např. měřením) pro nejhorší případ v kabelu (nejčastěji vedení v rámci jedné čtyřky):

• Útlum přeslechu na blízkém konci při referenčním kmitočtu A_NEXT(f_ref) v [dB].
• Útlum přeslechu na vzdáleném konci při referenční frekvenci A_FEXT(f_ref) a délce l v [dB].
• Útlum vedení při referenční frekvenci A(f_ref) v [dB] a při délce l.
• Referenční frekvence f_ref v [kHz].
• Délka vedení l v [km].

Výstupy simulace

Program vypočítává ze vstupních dat celkem tři druhy simulací. Jednotlivé výpočty jsou spuštěny po kliknutí na příslušná tlačítka, která jsou umístěna intuitivně mezi jednotlivými bloky se vstupními parametry. Výsledek simulace se zobrazí vždy v novém okně prohlížeče.

Vypočti vp
Po spuštění této simulace se pro zadaná vstupní data zobrazí odhadnutá přenosová rychlost pro směr upstream (od účastníka) a downstream (k účastníkovi). Počítá se kompletní bitová rychlost na přenosovém médiu včetně záhlaví. Užitečná rychlost může být nižší o záhlaví vyšších vrstev komunikace.

Jedná se o teoretické hodnoty, v praxi jsou limitovány použitým zařízením a způsobem přenosu (např. u ADSL v celistvých násobcích 32 kbit/s, limit pro upstream je 800 nebo 1024 kbit/s), kódovým ziskem započítávaným konkrétním modemem. Symetrická přípojka SHDSL nastavuje vždy nižší z hodnot v obou směrech přenosu. Na výstupní stránce se zobrazí graficky průběh výkonové spektrální hustoty PSD rušení ve směru upstream i downstream.

Pro tuto simulaci se nezohledňuje uživatelem zadaná hodnota Zakončovací impedance vedení Z [Ω], protože ji program nastaví automaticky sám. Hodnoty frekvencí (f_k – frekvenční krok, f_h – horní mezní frekvence) a konkrétní směry přenosu zadané v tabulce Parametry pro výpočet rušení a vedení nejsou zohledňovány. Simulace jednotlivé frekvenční parametry nastaví automaticky a výpočet teoretické přenosové rychlosti provede pro oba směry.

Pro přípojku SHDSL se nastaví následující parametry:

• f_k = 1 kHz.
• f_h = 2 000 kHz.
• Z = 135 Ω.

Pro přípojku ADSL over POTS, ADSL over ISDN se nastaví následující parametry:

• f_k = 4,3125 kHz.
• f_h = 1 104 kHz.
• Z = 100 Ω.

Pro přípojku ADSL2+ over POTS, ADSL2+ over ISDN se nastaví následující parametry:

• f_k = 4,3125 kHz.
• f_h = 2 208 kHz.
• Z = 100 Ω.

Pro přípojku VDSL (frekvenční plán A i B) se nastaví následující parametry:

• f_k = 4,3125 kHz.
• f_h = 12 000 kHz.
• Z = 100 Ω.

Vypočti rušení
Tato simulace graficky zobrazuje průběh výkonové spektrální hustoty PSD rušení pro zvolený směr a také jednu z možných realizací časového průběhu rušení. K spočtené realizaci se na výstupní stránce vypíše hodnota napětí špička a délka celé sekvence. Časovou realizaci rušení (normovanou na interval -1 až 1 V) je možné si ze stránky stáhnout jako řadu čísel (vzorků). Počet a hustotu vzorků lze ovlivnit volbou horní mezní frekvence a frekvenčním krokem v tabulce Parametry pro výpočet rušení.

Vypočti parametry vedení
Výsledky této simulace jsou graficky zobrazené průběhy útlumu vedení, absolutní hodnoty přenosové funkce a impulsní odezvy celé topologie vedení v přístupové síti tak, jak byla nadefinována. Parametry výpočtu horní mezní frekvence a frekvenční krok jsou vyčteny z tabulky Parametry po výpočet rušení a vedení.

Spočtené výsledky simulace se uživateli zobrazí vždy v novém okně prohlížeče.

Příspěvek vznikl za podpory projektu NPV 1ET300750402.

Literatura:
[1] 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.
[2] Jareš, P. Odhad přenosové rychlosti přípojky SHDSL In: Access server [online]. 2005, roč. 3, č. 2005091201, s. 2005091201. Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005091201. ISSN 1214-9675.
[3] ITU-T Recommendation G.996.1. Test procedures for Digital Subscriber Line (DSL). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION (06/1999).