Již delší dobu jsou komerčně dostupná řešení
s přípojkami VDSL 2. generace, využívající na metalických párech pásmo do
12 až 30 MHz. Problémem jsou přeslechy, které lze však potlačovat při použití
modulace VDMT.
Theoretic bit rate on VDSL2 line with cross-talk cancelling - Abstract
The VDSL2 line systems with VDMT modulation
will be used for a data bit rates of hundreds Mb/s and distance between active
node and modems can be measured in hundreds meters. The crosstalk (FEXT) can be
cancelled by compensation in receiver (upstream direction) or pre-compensation
in transmitter (downstream direction).
Již delší doba uplynula od vydání doporučení ITU-T pro
přípojky VDSL (Very-high-speed Digital Subscriber Line) 2. generace,
využívající na metalických párech pásmo variantně do 12, 17 nebo 30 MHz. Viz též
články Druhá
generace VDSL2 a Varianty
přípojek VDSL2. Zásadním vlivem omezujícím dosažitelnou přenosovou rychlost
jsou přeslechy, které lze potlačovat při použití modulace VDMT (Vectored
Discreete Multitone) - viz článek Vektorová
modulace DMT.
Úplné potlačování přeslechů
Pro účastnické přípojky s frekvenčním dělením FDD je
klíčový zejména přeslech typu FEXT (Far End Cross-Talk) rušící směr od
poskytovatele k účastníkovi. Ten není možné kompenzovat na účastnické
straně, protože jednotlivé modemy nemají k dispozici signály z jiných
přípojek, ze kterých by získaly kompenzační signál (odečtení přeslechů
vznikajících při souběhu přípojek). Je však možné provést předkompenzaci již na
vysílací straně v účastnickém multiplexoru DSLAM (Digital Subscriber Line
Access Multiplexor). Efektivní je použití modulace DMT s aplikací
předkompenzace FEXT označované VDMT, tj. DMT s vektorizací signálu. Tou se
lze přiblížit propustnosti přípojky, která odpovídá pouze šumu pozadí AWGN,
nebo šumu, který odpovídá přeslechům od ostatních nekoordinovaných přípojek.
Pokud uvažujeme aplikaci modulace VDMT u všech přípojek a
potlačení přeslechů pod hladinu šumu pozadí -136 dBm/Hz, dosáhneme výsledků
zobrazených pro kmitočtový plán 997 (vhodný pro stejné přenosové rychlosti
v obou směrech) do 30 MHz na
obr. 1 a pro plán 998 (vhodný pro vyšší přenosovou rychlost směrem k
účastníkovi) rovněž do 30 MHz na obr. 2. Pro porovnání je uvedeno, jak poklesne
přenosová rychlost v obou směrech přenosu, pokud potlačování přeslechů
není využito, konkrétně pro 20% obsazení kabelu přípojkami stejného typu.
Veškeré výpočty jsou provedeny pro místní kabel čtyřkové konstrukce
s průměrem měděného jádra 0,4 mm.
Obr.
1. Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti VDSL2 plán 997 s modulací
VDMT – plnou čarou (AWGN ‑136 dBm/Hz - sestupný směr modře,
vzestupný směr červeně
Obr. 2. Teoreticky dosažitelné přenosové rychlosti
VDSL2 plán 998 s modulací VDMT – plnou čarou (AWGN ‑136 dBm/Hz
- sestupný směr modře, vzestupný směr červeně)
Vzhledem k počtu obsazených přípojek v kabelu
(desítky až stovky) a počtu subkanálů u VDSL2 (až 4096) lze očekávat vysoké
nároky na výpočetní náročnost při realizaci VDMT. Náročnost výpočtu může být
redukována využitím znalostí charakteru přeslechů přenosového prostředí.
Je totiž známo, že dominantní je přeslechové rušení způsobené rušením od tří až
pěti nejbližších sousedních párů ve stejné podskupině metalického kabelu
(prostorová selekce). Podobně lze využít i faktu, že přeslechy jsou frekvenčně
závislé a lze redukovat výpočet pro nosné s nízkými interferencemi,
zejména na nízkých kmitočtech (kmitočtová selekce).
Částečné potlačování přeslechů
Vzhledem k výpočetní náročnosti je nutné provádět
koordinaci jen u omezeného počtu přípojek, resp. u omezeného počtu subkanálů a
realizovat tak částečné potlačení přeslechů FEXT. Lze tak provádět selekci
prostorovou, frekvenční, příp. obojí zároveň. Pro mnohabodové přístupové sítě
není možné potlačování NEXT, proto se jím nebudeme zabývat. Vliv NEXT se řeší
striktním frekvenčním duplexem FDD.
Selekci je možno provádět během inicializace spojení na
základě analýzy přenosových funkcí vedení a přeslechů. Přitom lze jako
východisko vzít maximální možnou míru potlačení přeslechů danými technickými
prostředky (maximalizace propustnosti), nebo na základě požadavků na přenosové
rychlosti podle povahy poskytovaných služeb zvolit potřebný rozsah redukce
přeslechů.
V praxi je nutno téměř vždy připustit určité množství
nekoordinovaných přípojek (tj. přípojek nezapojených do systému koordinované
správy spektra a potlačování přeslechů). V případě řešení potlačování
přeslechů mezi přípojkami VDSL2 bude určité procento dále provozováno na bázi
SHDSL, ADSL, ADSL2/2+. Původní předpoklady vycházející ze
skupinové konstrukce kabelů používaných v ČR byly následující:
- Největší přeslechy lze očekávat mezi vedeními, které jsou součástí jedné
čtyřky
- Výrazné přeslechy jsou v rámci podskupiny a prostorovou selekci pro
VDMT bude tak možné řešit uvnitř dané podskupiny
- Nejnižší přeslechy lze očekávat mezi vedeními různých podskupin, která
jsou navíc oddělena v profilu kabelu jinou podskupinou
- Částečným potlačením FEXT (v rámci méně než 50% profilu) se bude možné
přiblížit výsledkům dosaženým při plnému potlačení přeslechů
Po hlubší analýze a měřeních na místních kabelech bylo
zjištěno:
- Předpoklad 1 se nesplnil – v důsledku relativně dobrého
vyvážení prvků čtyřky se dosahuje poměrně nízkých nerovnováh a tím i přeslechů
- Předpoklad 2 se splnil jen částečně. Existují kabely a kabelové
skupiny, kde potlačení přeslechů uvnitř podskupiny redukuje nejvýznamnější
zdroje přeslechů. Ve většině případů zůstane však ještě dosti výrazný zbytkový
přeslech.
- Předpoklad 3 se splnil. Vzdálené podskupiny se na rušení podílejí
výrazně méně než sousední podskupiny.
- Předpoklad 4 se nesplnil. Přiblížení k propustnosti
dosažitelné při plném potlačení přeslechů je možné až po potlačení přeslechů
v rámci dané podskupiny a podskupin sousedních (to odpovídá 3/5 profilu),
často je však do potlačení třeba zapojit i několik dalších dominantních rušičů
ze vzdálených podskupin.
Uvedené závěry je možno demonstrovat na výsledcích měření a
simulací. Nejprve uvádíme vliv přeslechů v profilu kabelových skupin. Je
počítán sumární přeslechový výkon v pásmu do 30 MHz od vedení 1 až 49 do
referenčního vedení 0, které je součástí podskupiny 0 až 9. Sousedními
podskupinami jsou vedení číslovaná v rozsahu 10 až 19 a 40 až 49. Na obr. je ukázána situace pro jednu podskupinu
místního kabelu. Bližší analýzou a
sumarizací přeslechových výkonů lze pro tento případ konstatovat, že potlačení
FEXT od vedení 8 a 9 vede ke snížení šumu o 1,9 dB, od dalších 4 vedení v profilu
kabelu o 3,4 dB, od dalších 4 vedení o 4,2 dB.
Obr. 3. Příklad celkového přeslechu FEXT od
jednotlivých párů v kabelu – skupina 3
Z toho lze potvrdit závěr, že koordinace v rámci
podskupiny, resp. v rámci 10 vedení je nedostatečná a nepovede ve
většině případů ke kýženým výsledkům.
V dalším postupu se zaměříme přímo na důsledky
přeslechů a jejich vliv na dosažitelnou přenosovou rychlost. Uvažujeme modulaci
DMT, frekvenční pásmo od 138 kHz do 30 MHz a přenosové funkce vedení a
přeslechů získané měřením na úseku místního kabelu s délkou 400 m a s průměrem jádra 0,4 mm. Výběr
vedení k potlačení se provádí na základě
stanovení meze (odstup v dB) vzhledem k nejhoršímu případu přeslechů.
V tab. 1 jsou uvedeny výsledky pro prostorovou selekci pro různý práh pro
potlačení přeslechů. Vedle dosažitelné přenosové rychlosti, která je počítána
přes celé pásmo bez rozlišení směrů přenosu, jsou uvedeny i počty vedení, která
jsou nad stanoveným prahem a která je nutno zapojit do systému potlačování
přeslechů.
Mez pro potlačení
|
[dB]
|
0
|
6
|
10
|
12
|
14
|
20
|
Přenosová rychlost
|
[Mbit/s]
|
89
|
110
|
118
|
131
|
168
|
345
|
Počet vedení
|
[-]
|
0
|
4
|
8
|
16
|
32
|
49
|
Tab. 1. Výsledky simulace pro prostorovou selekci při
potlačování FEXT
Je zřejmý postupný nárůst přenosové rychlosti
s narůstajícím počtem koordinovaných vedení, avšak k plnému potlačení
(v posledním sloupci) se přibližují přenosové rychlosti s narůstajícím
počtem koordinovaných vedení jen velmi zvolna.
Lepších výsledků lze dosáhnout při frekvenční selekci (výběr
tónů ze všech vedení), jak ukazuje tab. 2 na dosažitelných přenosových
rychlostech a přepočtených počtech vedení. Přepočet je proveden vzhledem
k celkovému počtu subkanálů.
Mez pro potlačení
|
[dB]
|
0
|
6
|
10
|
12
|
16
|
20
|
Přenosová rychlost
|
[Mbit/s]
|
89
|
100
|
109
|
117
|
146
|
198
|
Přepočet tónů na počet vedení
|
[-]
|
0
|
1,1
|
3
|
5,7
|
16,2
|
29,8
|
Tab. 2. Výsledky simulace pro frekvenční selekci při
potlačování FEXT
Závěr
Problém přeslechů v kabelech s metalickými
vedeními lze částečně či úplně vyřešit potlačováním přeslechů pomocí modulace
VDMT. Uplatnění v praxi je otázkou zvládnutí značné výpočetní náročnosti
prováděných algoritmů.
Tento příspěvek vznikl
za podpory GAČR v rámci projektu GA102/07/1503.
Odkazy:
- Šimák,
B. - Vodrážka, J. – Svoboda, J.: Digitální účastnické přípojky xDSL, 1. díl,
Metody přenosu, popis přípojek HDSL, SHDSL, ADSL, VDSL. Sdělovací technika,
Praha 2005.
- Vodrážka, J. – Šimák, B.: Digitální účastnické přípojky xDSL, 2. díl,
Vlastnosti přenosového prostředí a jejich měření. Sdělovací technika, Praha
2008.
- Brady, M. H. - Cioffi, J. M.: TheWorst-Case Interference in DSL Systems
Employing Dynamic Spektrum Management. Hindawi Publishing Corporation EURASIP
Journal on Applied Signal Processing. Volume 2006, Article ID 78524, p. 1–11.
- Cendrillon, R. – Ginis, G. - Bogaert, E. – Moonen, M.: A Near-Optimal
Linear Crosstalk Canceler for VDSL. Submitted to IEEE Transactions on Signal
Processing 2004. on-line (10.11.2006) http://eprint.uq.edu.au/archive/00001831/01/linea
r_canc.pdf