Vliv omezování vysílacího výkonu na propustnost ADSL

Příspěvek ukazuje důsledky omezování vysílacího výkonu ve směru k účastníkovi (downstream) pomocí modelování propustnosti vysokorychlostních digitálních účastnických přípojek ADSL na základě situace v síti Českého Telecomu a na základě podmínek správy spektra vydaných v souvislosti se zpřístupněním místních vedení (LLU).

---

Transmitted output power limitation to ADSL performance

Abstract

This paper show consequences of transmitted output limitation in direction to user (downstream) with use of simulation, in which channel capacity of high-speed digital user lines ADSL in Czech Telecon network is measured and based on requirements for spectrum managing released because of local lines availability (LLU).

---

Správa spektra v kabelech použitá na základní element metalické přístupové sítě představovaný postupně rozvětvovaným kabelem opouštějícím hlavní rozvod ústředny (tzv. kabelový strom) má zajistit maximální propustnost provozovaných přípojek. Cílem je maximalizovat počet provozovatelných přípojek a velikosti jejich přenosových rychlostí. Protože se přípojky vzájemně ruší přeslechy, je třeba hledat cestu k optimálnímu využití přenosového média a maximalizovat vzdálenost od hlavního rozvodu, aby se zajistilo pokrytí co největšího počtu zájemců o vysokorychlostní přípojky. Vzdálenější přípojky jsou ovšem znevýhodněny větším útlumem vedení, a proto je snaha o kompenzaci použitím vyššího vysílacího výkonu, zejména v rychlejším, sestupném směru od poskytovatele k účastníkovi (downstream). Protože maximální vysílací výkon je limitován v příslušných doporučení, např. [1], maskami výkonové spektrální hustoty (PSD), je možno u delších přípojek použít masku PSD z doporučení a pro kratší přípojky stanovit masku přísnější. Uvedený princip omezování vysílacího výkonu se označuje u ADSL anglickým termínem power cutback, jinak u přípojek SHDSL a VDSL i zkratkou PBO (Power-back-off).

Podmínky modelování

Modelová situace vychází z technických podmínek správy spektra v kabelech Českého Telecomu zveřejněných v souvislosti s LLU [2], [3], kde je stanoveno celkem 6 vzdálenostních pásem, přičemž ADSL lze provozovat v pásmu 1 až 5. Limitní vzdálenosti účastníků v jednotlivých pásmech jsou uvedeny v tab. 1. Zároveň odpovídají vzdáleností uzlů (Node) použitého modelu kabelového stromu. V pásmu 1 a 2 je snížena maska PSD pro downstream (od 276 do 1104 kHz) o uvedené hodnoty v dB. Je uvažována varianta přípojky ADSL s frekvenčním dělením přenosových směrů uzpůsobená pro koexistenci se základní přípojkou ISDN na jednom vedení (FDD ADSL over ISDN).

Tab. 1: Vzdálenostní pásma

(Pozn. vedle vzdálenosti jsou stanoveny i hranice pro útlum, takže pro klasifikaci se použije buď limit vzdálenosti nebo útlumu podle toho, který je překročen dříve)

Pro modelování byl uvažován homogenní kabelový strom s místním kabelem čtyřkové skupinové konstrukce s průměrem měděného jádra 0,4 mm a izolací PE: měrný útlum 14,3 dB/km, útlum přeslechu NEXT 68 dB a FEXT 67 dB na referenčním kmitočtu 300 kHz. Hodnoty odpovídají výchozímu omezení pro instalaci digitálních účastnických přípojek, kdy v jedné čtyřce může být provozována pouze jediná taková přípojka (tj. na druhém páru čtyřky může být např. instalována analogová telefonní přípojka). Jak naznačuje zpráva [6], mohli bychom se dočkat v brzké době prodloužení pro kabely s větším průměrem žíly.

Rozvětvená struktura stromu byla zjednodušena do elementární podoby znázorněné na obr. 1.

Obr. 1 Modelová situace kabelového stromu

Přípojky z jednotlivých pásem jsou soustředěny do uzlů tak, jako by byly zakončeny v jediném místě (rozvaděči). Délky úseků jsou nastaveny tak, aby uzly ležely v limitní vzdálenosti pro dané pásmo:

l₁ = 1500 m, l₂ = 200 m, l₃ = 700 m, l₄ = 200 m, l₅ = 800 m, l₆ = 400 m, l₇ = 400 m.

Dalším krokem bylo stanovení počtu systémů n₁ až n₅ provozovaných v jednotlivých pásmech. Východiskem byla tab. 2 vymezující počty systémů ADSL a SHDSL v kabelovém stromu. Asymetrické přípojky ADSL budou ve většině případů použity pro domácnosti, přípojky SHDSL se stejnými rychlostmi v obou směrech přenosu spíše pro podnikatelské subjekty. Zároveň je uvedena maximální rychlost ADSL ve směru sestupném (DS) a vzestupném (US), které by mělo být dosaženo v jednotlivých pásmech. Z uvedených procent je odvozena referenční konfigurace kabelového stromu.

Tab. 2 Procentuální využití párů v kabelovém profilu

Porovnání přenosových rychlostí

Bližší popis modelování a grafické výstupy uvádí článek Modelování kabelového stromu. Výpočet modelu kabelového stromu si můžete vyzkoušet též na Matlab serveru.

Výpočet přenosových rychlostí na modelu kabelového stromu byl proveden nejen pro referenční konfiguraci, ale i pro další varianty. Bylo uvažováno zvýšení počtu digitálních systémů v kabelu oproti referenční konfiguraci vycházející z tab. 2 (obsazení 18% profilu), a to na pětinásobek SHDSL (8% přípojek SHDSL – označení v grafech +SHDSL), dva a půl násobek ADSL (41% přípojek ADSL – označení v grafech +ADSL), až téměř na maximálních 50%, tj.v každé čtyřce jeden digitální systém (označení v grafech +ADSL/SHDSL). Vedle kombinace těchto systémů byl proveden i test bez koexistující přípojky SHDSL (tj. 50% přípojek ADSL – označeno v grafech ++ADSL). Obr. 2 ukazuje porovnání výsledků oproti referenční konfiguraci pro směr sestupný (DS). Je zřejmé, že přidání dalších přípojek SHDSL příliš nesníží přenosové rychlosti ADSL v sestupném směru, určitý pokles je patrný jen v pásmu 1 a 2. Naopak výrazný je vliv nárůstu přípojek ADSL.

Obr. 2 Porovnání přenosových rychlostí pro různé obsazení kabelového stromu ve směru sestupném

Obr. 3 ukazuje porovnání výsledků oproti referenční konfiguraci pro směr vzestupný (US). Je zřejmé, že přidání dalších přípojek SHDSL sníží přenosové rychlosti ADSL výrazněji u vzdálenějších přípojek, a sice od pásma 3 více než přidání ADSL. Tato skutečnost je způsobena přeslechem na blízkém konci (NEXT) v důsledku plného překryvu vzestupného pásma ADSL s pásmem SHDSL. Absence SHDSL (++ADSL) znamená výrazné zvýšení přenosové rychlosti ADSL ve směru vzestupném pro vzdálenější přípojky.

Pozn.: V grafech jsou uvedeny teoretické hodnoty přenosové rychlosti na fyzické vrstvě. Modemy prakticky připouštějí maximální rychlosti US nejčastěji mezi 0,8 a 1 Mbit/s.

Obr. 3 Porovnání přenosových rychlostí pro různé obsazení kabelového stromu ve směru vzestupném

Podíváme se podrobně na důsledky redukce vysílací ho výkonu PBO (snížení masek downstream podle podmínek správy spektra v pásmu 1 a 2). Jak je patrné z obr. 4, kde je vliv PBO demonstrován na referenční konfiguraci a plně obsazenému kabelovém stromě (++ADSL), snížení masek pomůže pouze systémům v pásmu 3, a to nepříliš výrazně. Pro vzdálenější přípojky se rychlosti téměř neliší. Naopak přenosová rychlost přípojek v pásmu 1 a 2 je snížením masek podstatně redukována. Zdá se tedy, že přínos v pásmu 3 nevyváží úbytky přenosové rychlosti v pásmu 1 a 2, a to ani ve skutečné přístupové síti, která má podstatně složitější strukturu, než zjednodušený modelový případ. Nicméně v zájmu provozovatele je uspokojit maximální počet účastníků alespoň přípojkou s nižší přenosovou rychlostí.

Obr. 4 Porovnání přenosových rychlostí při použití omezovaní výkonu (PBO) a bez omezování vysílacího výkonu (-PBO) ve směru sestupném

Uvedené skutečnosti vyplývají z toho, že každou přípojku ruší nejvíce přeslechy od přípojek ve stejném pásmu, protože mají souběh na největší vzdálenosti kabelu. Obdobný souběh může nastat i s delšími přípojkami zakončenými v pásmech s vyšším pořadovým číslem, ale takto vznikající přeslechový signál není tak závažný, jelikož je již značně zeslaben útlumem vedení, ještě než se dostane do souběhu.

Dále byl zkoumán vliv uspořádání modelu v extrémní situaci, kdy l₂ = 0 a l₄ = 0. V takovém případě jsou přeslechy mezi systémy v různých pásmech největší. Vliv na přenosovou rychlost oproti referenční konfiguraci však byl nízký (pokles do 5%).

Závěr

Výše uvedené grafické porovnání ukazuje výpočet přenosových rychlostí ADSL pro různé případy. Prakticky využitelná přenosová rychlost by se získala po odečtení režie záhlaví ADSL, popř. dalších vyšších vrstev komunikace. Přesto lze konstatovat, že v pásmu 1 až 3, tj. do vzdálenosti 3 km od ústředny, by měla být dosažitelná rychlost 2 Mbit/s v sestupném směru i při 50% obsazení profilu kabelu.

Dále se na uvedeném modelu ukazuje, že snížení masek PSD pásmech 1 a 2 pomůže jen přípojkám zakončeným v pásmu 3 a to nepříliš výrazně, ovšem za cenu výrazného úbytku přenosové rychlosti v pásmu 1 a 2. Z hlediska maximalizace propustnosti kabelového stromu se zdá efektivnější snižování masek neprovádět a raději nabídnout bližším účastníkům vyšší přenosové rychlosti. Z pohledu provozovatele však může být významným argumentem uspokojení maximálního počtu účastníků přípojkami ADSL. Mechanismus omezování vysílacího výkonu PBO je nevyhnutelný pro sestupný směr tam, kde ústřednové jednotky nejsou umístěny v jednom bodě, např. v případě nehomogenního kabelového stromu. Dále je používán ve vzestupném směru (UPBO) např. u VDSL.

Nejefektivnější pro využití kabelového stromu a omezení přeslechů je provoz přípojek s nastavenou šumovou rezervou (Fixed Noise Margin) pro dané přenosové rychlosti, kdy každá přípojka vysílá s minimálním výkonem pro dasažení požadované šumové rezervy, takže pro nižší přenosové rychlosti a vzdálenosti se pohybujeme hluboko pod maskou PSD.

Příspěvek vznikl za podpory projektu „Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy“, GA102/03/0434.

Program pro výpočet kabelového stromu naleznete zde.

Odkazy

[1] ETSI TS 101 388 V1.3.1 (2002-05) - Technical Specification - Transmission and Multiplexing (TM); Access transmission systems on metallic access cables; Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) - European specific requirements.
[2] Referenční nabídka zpřístupnění metalického účastnického vedení (RUO), platné od 30.7.2004 - příloha 15: Technická specifikace.
[3] Referenční nabídka zpřístupnění metalického účastnického vedení (RUO), platné od 30.7.2004 - příloha 16: Správa spektra.
[4] ETSI TR 101 830-1 V1.3.1 (2002-12): Transmission and Multiplexing (TM); Access networks; Spectral management on metallic access networks; Part 1: Definitions and signal library.
[5] Jirouš, J.: Omezení rušení v kabelech se symetrickými páry pomocí filtrů. Diplomová práce. ČVUT, FEL. Praha 2005.
[6] Tisková zpráva: Český Telecom výrazně rozšiřuje dosah a pokrytí vysokorychlostním Internetem (17.03.2005).