Rozšiřování pásma u přípojky VDSL

Článek informuje o postupném rozšiřování kmitočtového pásma v přípojek VDSL až k cílovým 30 MHz pro dosažení vyšších přenosových rychlostí. Simulace na konkrétním kabelu ukazují dosažitelné vlastnosti.

Hlavním krokem při analýze dosažitelné přenosové rychlosti 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. U VDSL jsou to především přeslechy na vzdáleném konci (FEXT).

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.).

Kmitočtová pásma VDSL přípojek

Přípojka VDSL vychází ze stejné filozofie jako ADSL, a sice z koexistence s POTS či ISDN-BRA (oddělení pomocí splitterů). Vyšších přenosových rychlostí se dociluje podstatným rozšířením kmitočtového pásma až k 30 MHz, ovšem za cenu nižšího dosahu (maximálně se uvažuje 1,6 km). Pro oddělení směrů přenosu nelze v daných vyšších kmitočtových pásmech připustit překrývání pásem a oddělení pomocí potlačení ozvěn EC, jelikož by přeslech typu NEXT znemožnil přenos výrazným snížením odstupu signálu od šumu. U VDSL se proto používá metoda frekvenčního dělení FDD (Frequency Division Duplex), diskutovala se i aplikace metody časového dělení TDD (Time Division Duplex).

Systém VDSL je standardizován v doporučení ITU-T G.993.1 (pracovní označení g.vdsl). Standardizace připouští dvě vzájemně nekompatibilních metody popsané pro evropskou oblast v dokumentu ETSI TS 101 270-2:

• MCM (Multi-Carrier Modulation) - modulace s více nosnými, tj. modulace DMT standardizovaná a ověřená u ADSL.
• SCM (Single-Carrier Modulation) - modulace s jednou nosnou (myšleno v rámci jednoho pásma 1D,1U atd.), a to modulace QAM označovaná zde PSS (Pass-band Spectral Shaping) či CAP označovaná BSS (Base-band Spectral Shaping).

obr. 1 Znázornění vybraných variant VDSL ve frekvenčním spektru

Používá se pravidelné střídání pásem upstream (1U, 2U) a downstream (1D, 2D) podle dvou schémat (plán A označovaný též „998“ a plán B označovaný též „997“) podle obr. 1 do maximálního kmitočtu 12 MHz, přičemž se nemusí využít všechna pásma, ale jen ta, která jsou potřebná pro daný uživatelský profil a potřebnou přenosovou rychlost. Pod kmitočet 138 kHz lze přidat ještě pásmo upstream (U) od 25 kHz shodně jako u ADSL. Pro eliminaci rušení mezi ADSL a VDSL je možné začínat pásmo 1D až od kmitočtu 0,9 MHz. Z obrázku je zřejmé, že ADSL2++ je kompatibilní s VDSL s kmitočtovým plánem A a vylučuje se současné použití s plánem B, protože by docházelo k překryvu pásem downstream a upstream, což je nepřípustné z hlediska přeslechu NEXT.

U některých již v současnosti vyráběných modemů určených zejména pro sítě LAN a symetrický přenos rychlostí 10 Mbit/s se používá rozdělení pásem označované 10 Base-S. Právě v oblasti lokálních sítí a využití fyzického přenosu xDSL pro Ethernet je velice perspektivní oblastí. Označení první míle nese ve svém názvu skupina IEEE 802.3ah EMF (Ethernet in the First Mile), která si dala za úkol vytvořit koncepci a standardy pro řešení širokopásmového přístupu založeného na rozhraní Ethernet. V plánech EMF se počítá, že na vyšší vzdálenosti, než dokáže překlenout VDSL bude nasazován linkový systém SHDSL. Pokud bude požadována vyšší přenosová rychlost, bude možné použít větší počet párů (ve standardu ITU-T se dnes připouští jeden nebo dva páry), mezi které se rozdělí požadovaný digitální tok. Tak bude možné např. na vzdálenost 5 km přenášet signály s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s v obou směrech či na vzdálenost 1 km s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s po běžných telefonních vedeních.

Evropská specifikace ETSI TS 101 270-1 uvádí několik typů masek vysílacího výkonu PSD zvlášť pro plán A a B. Definují se dva základní typy masek: M1 pro zvýšené nároky EMC (např. závěsné kabely) s redukovaným výkonem hodnotou -80 dBm/Hz v amatérských radiových pásmech patrných a M2 se zvýšeným výkonem. Pro každý typ se předepisuje několik masek pro downstream v závislosti na umístění modemu na straně poskytovatele, jak je zřejmé i z obr. 1:

• Modem v místě ústředny (strategie FTTEx – Fiber to the Exchange) pro koexistenci s ADSL/POTS či ADSL/ISDN – pásmo 1D začíná od 138 kHz
• Modem v místě rozvaděče (strategie FTTCab – Fiber to the Cabinet) – pásmo 1D začíná až v okolí kmitočtu 900 kHz, aby se nerušil přenos na ostatních přípojkách provozovaných od ústředny (FTTEx)

K uvedeným pásmům lze přidat další dvě (3D a 3U) a využít tak kmitočty až do 30 MHz, přičemž dělicí kmitočet mezi nimi je předmětem diskusí. Uvedená hodnota 18 MHz je jeden z možných příkladů. Záleží na tom, zda se preferuje symetrie přenosových rychlostí či naopak nesymetrie.

Informační propustnost VDSL přípojek

Na simulacích si ukážeme přenosové možnosti a porovnání vybraných variant VDSL. Budeme předpokládat systém s frekvenčním plánem B a s modulací DMT. Nejprve si uvedeme efekt rozšíření kmitočtového pásma z 12 na 18 MHz na grafech, kde je uvedena teoretická informační propustnost, dosažitelná přenosová rychlost pro chybovost 10^-7 a navíc ještě pro šumovou rezervu 6 dB vždy pro celé pásmo bez rozlišení směrů přenosu upstream a downstream.

Na obr. 2 je uvedena situace pro jedinou přípojku v kabelu, kde nedochází k rušení přeslechy a na obr. 4 je případ s 20% obsazením kabelu přípojkami VDSL. Obdobná situace ovšem pro rozšíření kmitočtového pásma z 12 na 30 MHz je znázorněna na grafech obr. 3 a obr. 5. Je zřejmé, že rozšíření kmitočtového pásma nad 12 MHz je efektivní jen pro přípojky výrazně kratší než 1 km a to tím méně, čím je více přípojek v kabelu. Hranice 100 Mbit/s lze prakticky dosáhnout s daným typem kabelu na vzdálenost přibližně 300 m s jedinou přípojkou v kabelu, pro 500 m a obsazenější kabel lze očekávat již jen rychlost 50 Mbit/s a na 1 km pouze 25 Mbit/s.

obr. 2 Porovnání celkové teoretické informační propustnosti (tečkovaně), dosažitelné rychlosti pro chybovost 10^-7 (čárkovaně) a rychlosti se šumovou rezervou 6 dB (plně) pro pásmo do 12 MHz (tučné čáry) a 18 MHz (tenké čáry)

obr. 3 Porovnání celkové teoretické informační propustnosti (tečkovaně), dosažitelné rychlosti pro chybovost 10^-7 (čárkovaně) a rychlosti se šumovou rezervou 6 dB (plně) pro pásmo do 12 MHz (tučné čáry) a 30 MHz (tenké čáry)

obr. 4 Porovnání celkové teoretické informační propustnosti (tečkovaně), dosažitelné rychlosti pro chybovost 10^-7 (čárkovaně) a rychlosti se šumovou rezervou 6 dB (plně) pro pásmo do 12 MHz (tučné čáry) a 18 MHz (tenké čáry), 20 % obsazení kabelu

obr. 5 Porovnání celkové teoretické informační propustnosti (tečkovaně), dosažitelné rychlosti pro chybovost 10^-7 (čárkovaně) a rychlosti se šumovou rezervou 6 dB (plně) pro pásmo do 12 MHz (tučné čáry) a 30 MHz (tenké čáry), 20 % obsazení kabelu

V dalších úvahách se zaměříme na rozdělení propustnosti mezi směry upstream a downstream pro přípojky VDSL s šumovou rezervou 6 dB pro horní mezní kmitočet 5,1 MHz (pásma 1D a 1U), 12 MHz (pásma 1D, 1U, 2D a 2U) a 30 MHz (pásma 1D, 1U, 2D, 2U, 3D a 3U). Dolní mezní kmitočet nejdříve volíme 900 kHz v koncepci FTTCab. Nejprve je znázorněna na obr. 6 závislost přenosové rychlosti na délce přípojky pro jediný systém v kabelu a dále na obr. 7 pro 20% obsazení kabelu přípojkami VDSL.

obr. 6 Porovnání dosažitelné rychlosti pro chybovost 10^-7 (čárkovaně) se šumovou rezervou 6 dB pro směr upstream (tučně) a downstream (tence) pro pásmo do 5,1 MHz (plné čáry), 12 MHz (čárkovaně) a 30 MHz (tečkovaně)

obr. 7 Porovnání dosažitelné rychlosti pro chybovost 10^-7 (čárkovaně) se šumovou rezervou 6 dB pro směr upstream (tučně) a downstream (tence) pro pásmo do 5,1 MHz (plné čáry), 12 MHz (čárkovaně) a 30 MHz (tečkovaně), 20 % obsazení kabelu

Zatímco pro krátké přípojky je zachována optimální symetrie přenosových rychlostí, např. pro délku 300 m a obsazení 20% rychlosti přibližně 25/25 Mbit/s. Pro delší vzdálenosti rychle klesá směr upstream, který limituje plnou využitelnost VDSL výrazně pod délku 1 km, případně pro nesymetrické aplikace pro délky maximálně 1,5 km. Symetrický přenos s rychlostí 10/10 Mbit/s lze očekávat pro délky něco pod 1 km s využitím pásem 1D, 1U, 2U. Nesymetrický přenos s rychlostmi 15/5 Mbit/s pak pro 1 km s využitím pásem 1D, 1U, 2D.

Pokud rozšíříme pásmo na dolním okraji v pásmu 1D od 276 kHz a přidáme ještě pásmo upstream od 25 do 276 kHz dojdeme k vyšším rychlostem. Symetrii přípojky tím příliš nepomůžeme, pro obsazení 20% prodloužíme dosah na přibližně 500 m pro rychlosti 25/25 Mbit/s, nicméně asymetrické rychlosti 15/5 Mbit/s dosáhneme pro téměř 1,5 km a ještě na více jak 2 km vzdálenosti pak rychlosti 10/2 Mbit/s.

Závěr

Je zřejmé, že teoreticky lze dosáhnout u VDSL až přenosové rychlosti přes 100 Mbit/s na krátké vzdálenosti. V praxi však bývá na jednom kabelu instalováno větší množství digitálních systémů, přičemž počty párů v kabelu se běžně pohybují v desítkách až stovkách. V takovém případě lze pro 20% obsazení kabelu dosáhnou na přibližně 500 m rychlosti 25 Mbit/s symetricky. S poklesem přenosových rychlostí při zvyšující se penetraci digitálními přípojkami je třeba počítat. Přiblížení hranici 100 Mbit/s bude možné pomocí modulace DMT s vektorizací signálu pro kompenzaci přeslechu na vzdáleném konci.

S rozvojem nových variant přípojek xDSL se diskutují strategie pro jejich použití v síti pro dosažení vyšších přenosových rychlostí, např. pro přenos videopořadů pro televizi s vysokým rozlišením (HDTV), kdy se požadují rychlosti řádově desítek Mbit/s. Momentální stav s výrazným rozšířením přípojek ADSL hovoří spíše pro upgrade na variantu ADSL2+ a ADSL2++, které rozšiřují kmitočtové pásmo. Oproti tomu VDSL je výhodným řešením pro symetrické přenosy s požadavky i na nárůst přenosové rychlosti ve vzestupném směru (upstream), který u ADSL není možný, a uplatní se zejména v koncepci Ethernet over DSL (EFM – Ethernet in the First Mile), 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.993.1 Very-high-speed Digital Subscriber Line (VDSL) transcievers.
[6] Technical Specification ETSI TS 101 270-2 V1.1.1: Very high speed Digital Subscriber Line (VDSL); Part 2: Transceiver specification. 2003.
[7] IEEE 802.3ah -Ethernet in the First Mile Task Force - http://grouper.ieee.org/groups/802/3/efm/