Nové varianty přípojek ADSL

Článek informuje o druhé generaci přípojek ADSL2 a rozšiřování kmitočtového pásma pro dosažení vyšších přenosových rychlostí ADSL2+ a ADSL2++. Předpokládané vlastnosti jsou simulovány na modelu účastnického vedení.

U ADSL se pro přenos digitálního signálu používá metoda DMT (Discrete Multi-Tone), což je typ modulace s více nosnými kmitočty (Multi-carrier Modulation). Celé přenosové pásmo je rozděleno do řady dílčích subkanálů, podobně jako např. u metody OFDM využívané pro distribuci digitálního televizního vysílání DVB či u bezdrátových lokálních sítí (WLAN). V každém dílčím subkanálu se datový signál přenáší pomocí kvadraturní amplitudové modulace QAM. Šířka subkanálu je 4,3125 kHz a přenos probíhá s modulační rychlostí 4 kBd.

ADSL (viz též popis ADSL) je adaptivní systém pracující s pružným využíváním spektra, kdy lze dílčí sub-kanály, na něž je pásmo rozděleno, využít na základě dosahovaného odstupu signálu od šumu, v extrémním případě je i zcela vynechat. Dosažitelnou informační propustnost lze získat sečtením informačních propustností jednotlivých subkanálů. Při inicializaci ADSL modemů se provádí alokace bitů v jednotlivých subkanálech na základě zjištěného odstupu signálu od šumu pro garantovanou hodnotu.

Hlavním krokem při analýze dosažitelné přenosové rychlosti (viz též simulace xDSL a výpočet kabelového stromu) při koexistenci různých systémů na společném kabelu je zjištění celkového šumu na vstupu přijímače, jehož hlavní část tvoří rušení způsobené přeslechy od ostatních přenosových systémů.

Pro odhad dosažitelné přenosové rychlosti slouží modely vedení a přeslechů v kabelech uvedené v řadě pramenů, např. pro parametry vedení či pro přeslechy. Zde budeme uvažovat místní kabel s křížovými čtyřkami typu TCEPKPFLE se 75 prvky a s průměrem měděného jádra 0,4 mm, izolací žíly na bázi polyetylénu z produkce Pražské kabelovny (PRAKAB, a. s.). Přenosové rychlosti jsou počítány pro symbolovou chybovost 10^-7 a šumovou rezervu 6 dB.

obr. 1 Znázornění základních variant ADSL ve frekvenčním spektru

Počet využívaných subkanálů, jejich přidělení pro přenosové směry downstream a upstream a tím i celková šířka pásma závisí na variantě přípojky ADSL dané standardy ITU-T. Dnešní systémy podle doporučení ITU-T G.992.1 používají frekvenční pásmo do 1,104 MHz (obr. 1.) a maximálně 256 subkanálů. Bližší popis systému uvádí dřívější článek. Spodní část spektra je ovšem využita pro telefonní kanál, protože se počítá s koexistencí ADSL na jednom vedení s původní analogovou telefonní přípojkou (ADSL / POTS), která zůstává zachována díky oddělovacím filtrům (splitter), přičemž přenos ADSL začíná až od 6. subkanálu (25 kHz). Vedle toho může ADSL koexistovat i se základní přípojkou ISDN-BRA (ADSL / ISDN), kdy přenos ADSL začíná až od 32. subkanálu (138 kHz).

Varianta bez splitterů (ADSL splitterless či též ADSL lite) podle doporučení ITU-T G.992.2 používá frekvenční pásmo s polovičním horním mezním kmitočtem 552 kHz a maximálně 128 subkanálů. Pro evropskou oblast rozpracovává standardy technická specifikace ETSI TS 101 388. Rozdělení pásma je znázorněné na obr. 1 pro jednotlivé varianty přípojek. Duplexní přenos se zajišťuje buď frekvenčním dělením FDD (Frequency Division Duplex) nebo s frekvenčním překryvem pásma upstream a downstream s využitím oddělení pomocí vidlice s potlačením ozvěn EC (Echo Cancellation).

ADSL2

Vedle uvedených původních standardů ADSL byl schválen i standard pro ADSL2 druhé generace ITU-T G.992.3, G.992.4. Přínosem ADSL2 je zejména zavedení flexibilní struktury rámce bez pevné délky, která dovolí podstatně snížit režii přenosu a redukovat rychlost odpovídající záhlaví až pod 1 kbit/s. Přenosová rychlost ve směru downstream není již omezena hodnotou 8 Mbit/s. Během přenosu je možno adaptivně přizpůsobovat přenosovou rychlost podle šumových poměrů a měnit i vysílací výkon. Vysílací výkon ve směru downstream se redukuje během provozu, pokud není potřeba přenášet data plnou přenosovou rychlostí bez nutnosti re-inicializace. Z redukované úrovně vysílacího výkonu lze automaticky přejít při absenci přenášených dat do klidového režimu (sleep mode), kdy se vysílá jen s nezbytně nízkou úrovní signál pro udržení spojení a operativně lze přejít opět na plný výkon při obnovení potřeby přenášet data.

ADSL2 zachovává existující varianty přípojek a přichází navíc s plně digitálním režimem (ADM – All Digital Mode), kdy se obsazuje celé pásmo digitálním přenosem již od 1. subkanálu, takže se zvýší propustnost pro směr upstream až přes 2 Mbit/s (G.992.3 ANNEX J), jak ukazují též obr. 5, obr. 6.

K tomu přistupuje ještě varianta určená pro dlouhé vzdálenosti RE-ADSL2 (Reach Extended), kde je pásmo upstream naopak zúženo, aby se eliminoval přeslech typu NEXT na kmitočtovém přesahu na rozhraní pásem (G.992.3 ANNEX L), což demonstruje obr. 2. Zároveň je zúženo i pásmo downstream, protože na velké vzdálenosti se nevyužije kmitočtů blízkých 1 MHz, nicméně pro porovnání s konvenční přípojkou je na obrázku uvažována i varianta RE-ADSL2 do 1,104 MHz (v praxi je účelné, aby i kratší přípojky měly redukován směr upstream a nerušily dlouhé přípojky). Zúžení pásma upstream na kanály 6 až 23 prodlouží při 20% obsazení kabelu dosah přípojky přibližně ze 4,5 na 5,5 km, protože downstream není rušen přeslechem typu NEXT od směru upstream. Ten u běžné přípojky FDD ADSL/POTS přesahuje částečně do pásma downstream, protože jej nelze přesně s dělícím kmitočtem 138 kHz striktně odfiltrovat. Ještě se připouští další zúžení pásma upstream na rozsah 6 až 13 subkanálů, což se však již nijak neprojeví na nárůstu rychlosti downstream, naopak rychlost ve směru upstream je výrazně nižší.

obr. 2 Efekt prodloužení dosahu přípojky RE-ADSL2/POTS (tučná čárkovaná čára pro upstream se subkanály 6 až 23, tečkovaná čára pro upstream se subkanály 6 až 13) v porovnání se standardní přípojkou (tenká čára)

ADSL2+

Nejjednodušší možností, jak zvýšit maximální dostupnou přenosovou rychlost ADSL přípojky je rozšířit kmitočtové pásmo. Touto cestou jde varianta ADSL2+ (doporučení ITU-T G.992.5) s horním kmitočtem pásma 2,208 MHz a ADSL2++ (dosud není standardizováno) s horním kmitočtem pásma 3,75 MHz, která výší přenosových rychlostí již dokáže konkurovat přípojkám VDSL pro asymetrické aplikace (viz též obr. 1). Dosažitelné přenosové rychlosti ukazují následující obrázky vždy pro variantu s frekvenčním dělením směrů přenosu. Nejprve obr. 3 představuje variantu FDD ADSL/POTS s jedinou přípojkou v kabelu se směrem upstream pro všechny varianty od 25 do 138 kHz, downstream pak pro ADSL lite v pásmu 138 až 552 kHz, standardní ADSL a ADSL2 138 až 1104 kHz, ADSL2+ 138 až 2208 kHz a ADSL2++ 138 až 3750 kHz. Tytéž grafy jsou vyneseny na obr. 4 pro 20% obsazení kabelu přípojkami.

obr. 3 Porovnání variant FDD ADSL/POTS s různou šířkou pásma při jediné přípojce v kabelu

obr. 4 Porovnání variant FDD ADSL/POTS s různou šířkou pásma při 20% obsazení kabelu

Následující obr. 5 pak představuje variantu FDD ADSL/ISDN, která se používá v ČR i u většiny evropských provozovatelů, s jedinou přípojkou v kabelu se směrem upstream jednak v pásmu 138 až 276 kHz, jednak v pásmu 4,3 až 276 kHz pro plně digitální přenos (ADM), a směrem downstream pak pro standardní ADSL a ADSL2 276 až 1104 kHz, ADSL2+ 276 až 2208 kHz a ADSL2++ 276 až 3750 kHz. Tytéž grafy jsou vyneseny na obr. 6 pro 20% obsazení kabelu přípojkami.

obr. 5 Porovnání variant FDD ADSL/ISDN s různou šířkou pásma při jediné přípojce v kabelu

obr. 6 Porovnání variant FDD ADSL/ISDN s různou šířkou pásma při 20% obsazení kabelu

Uvedené simulace byly získány na základě pesimistického předpokladu, při němž se postupně přidávají systémy na páry s největší mírou přeslechů. Pokud uplatníme zásadu, že v kabelu budeme obsazovat maximálně jeden digitální systém xDSL v rámci čtyřky, což se činí v rámci zásad správy spektra i v síti Českého Telecomu, dojdeme pro přípojku FDD ADSL/ISDN při 10% obsazení kabelu k výsledkům podle obr. 7, kde vycházejí přenosové rychlosti směru downstream podstatně vyšší než v předchozím případě.

obr. 7 Porovnání variant FDD ADSL/ISDN s různou šířkou pásma při 10% obsazení kabelu (pouze jeden systém ve čtyřce)

ADSL nebo VDSL?

Naznačený vývoj ADSL spočívající ve zdvojnásobení horního mezního kmitočtu a počtu subpásem, případně i ještě výše, je perspektivním řešením pro kratší přípojky s vyšší přenosovou rychlostí. Diskutuje se výhodnost zavedení varianty ADSL2+, případně ADSL2++, nebo naopak využití přípojky VDSL, která může využít kmitočtové pásmo 138 kHz až 12 MHz, perspektivně až 30 MHz.

obr. 8 Porovnání přípojky FDD ADSL2+/ISDN (tučná čára) a ADSL2++/ISDN (čárkovaně) s VDSL ve variantě FTTCab kmitočtový plán A do 12 MHz (tenká čára) pro 20% obsazení kabelu

Výhodou VDSL mohou být vyšší maximálně dosažitelné rychlosti a možnost přenášet data i symetricky stejnými rychlostmi v obou směrech. Porovnání přípojky FDD ADSL2+/ISDN a ADSL2++/ISDN s VDSL ve variantě s umístěním modemů poskytovatele v místě rozvaděče (FTTCab) a kmitočtovým plánem A výhodným pro asymetrické aplikace od 0,9 do 12 MHz ukazuje obr. 8 pro 20% obsazení kabelu. Pro směr downstream vychází VDSL výhodněji než ADSL2++, i když pro délky mezi 1,5 až 2 km nepříliš výrazně. Upstream VDSL velice rychle klesá a omezuje použití této přípojky v dané konfiguraci pouze na délky něco málo přes 1 km.

Závěr

Je zřejmé, že teoreticky lze dosáhnout u ADSL2 až přenosové rychlosti přes 10 Mbit/s ve směru downstream, u varianty ADSL2+ až 25 Mbit/s a ADSL2++ až 40 Mbit/s. Opačný směr poskytne až 1,5 Mbit/s. V praxi však bývá na jednom kabelu instalováno větší množství digitálních systémů, přičemž počty párů v kabelu se běžně pohybují v desítkách až stovkách. U varianty FDD ADSL/ISDN lze pak dosáhnout sotva přenosové rychlosti 5 Mbit/s ve směru downstream při vzdálenosti 2 km od ústředny, u ADSL2+ jen přenosové rychlosti kolem 12 Mbit/s při vzdálenosti 1 km od ústředny, případně 16 Mbit/s u ADSL2++. S poklesem přenosových rychlostí při zvyšující se penetraci digitálními přípojkami je třeba předem počítat. Optimální využití přenosového prostředí je možné díky promyšlené správě spektra v místních kabelech. Maximum z metalických kabelů lze dostat při tzv. dynamické správě spektra DSM (Dynamic Spectrum Management), při které se vzájemně všechny nasazené systémy přizpůsobují, aby se maximalizovala celková výkonnost přenosu. Oproti ADSL je VDSL výhodným řešením pro symetrické přenosy s požadavky i na nárůst přenosové rychlosti ve vzestupném směru (upstream), který u ADSL není možný, i když jen pro omezenou délku přípojek přibližně do 1 km.

Tento příspěvek vznikl za podpory GAČR v rámci projektu 102/03/0434 „Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy“.

Literatura

[1] VODRÁŽKA, J.: Přenosové systémy v přístupové síti. Vydavatelství ČVUT. Praha 2003.
[2] VODRÁŽKA, J.: Přeslechy a jejich modelování. Elektrorevue. 2002, www.elektrorevue.cz.
[3] VODRÁŽKA, J. Vysokorychlostní přípojky VDSL. Sdělovací technika. 2002, roč. 50, č. 6.
[4] BINGHAM, J. A.: ADSL, VDSL and multicarrier modulation. John Wiley and Sons. New York 2000.
[5] ITU-T G.991.1 High-bit-rate Digital Subscriber Line (HDSL) transcievers.
[6] ITU-T G.991.2 Single-pair High-bit-rate Digital Subscriber Line (SHDSL) transcievers.
[7] ITU-T G.992.1 Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL) transcievers.
[8] ITU-T G.992.2 Splitterless Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL) transcievers.
[9] ITU-T G.992.3 Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL2) transcievers.
[10] ITU-T G.992.4 Splitterless Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL2) transcievers.