Modelování účastnických přípojek s odbočkami

Metalické kabely, jimiž jsou realizovány účastnické přípojky v přístupových sítích, mohou obsahovat nezakončené odbočky (bridged taps), které mají nepříznivý dopad na přenosové parametry, což v důsledku znamená především omezení maximální dosažitelné přenosové rychlosti.

---

Simulation of local loops with bridged taps

Abstract

Metallic cables, which are used to realization of user lines in access networks, can contain bridged taps, which have unfavorable influence on transfer parameters. In results it mainly means reduction of maximal available transfer rate.

---

Nezakončenou odbočkou rozumíme úsek symetrického páru naprázdno, který je paralelně připojen k účastnickému vedení (viz obr. 1).

Obr. 1 - Vedení s nezakončenou odbočkou

Odbočky vznikají v místní kabeláži z mnoha důvodů, jak záměrně, tak neúmyslně. Nejčastějšími důvody vzniku odboček v místní síti jsou opravy kabelů (dojde-li k přerušení vedení v bodě, který není možno přesně lokalizovat, může technik provést opravu tak, že paralelně k přerušenému úseku připojí nový pár, aniž by odstranil původní vodiče, čímž vzniknou na účastnickém vedení dvě odbočky), připojení více než jedné telefonní zásuvky u účastníka (obvykle jde o přípojky pro tzv. paralelní telefonní přístroje) nebo realizace systémů využívajících telefonní rozvody pro implementaci lokálních sítí (např. systém HomePNA).

Modelování kabelu s odbočkami

V místě připojení dochází k rozdělení signálu šířícího se od vysílače na dvě složky. Část signálu projde odbočkou, na jejím konci se odrazí a v místě připojení se sčítá se signálem na účastnickém vedení. Přenosová funkce H(f) úseku vedení na obr. 1 je dle [1] při dokonalém impedančním přizpůsobení účastnického vedení dána vztahem:

(1)

kde

(2)

je vstupní impedance odbočky a d_i, γ_i a Z_0i jsou délka, měrná míra přenosu a charakteristická impedance příslušného úseku vedení.

Uvažujme případ, kdy generátor vysílá harmonický signál o frekvenci f, jíž odpovídá vlnová délka λ. Je-li délka odbočky rovna λ/4, pak se signál odbočkou šíří na vzdálenost 2d₃ = λ/2, a je tedy v bodě B v protifázi vůči signálu šířícímu se po účastnickém vedení; oba signály se následně sečtou a částečně potlačí, čímž vzniká v přenosové funkci úseku mezi body A' a C na frekvenci f tzv. nula. Další nuly vznikají na frekvencích, které jsou lichým násobkem uvažované frekvence f. Praktickým důsledkem je prudký nárůst útlumu na těchto frekvencích, tedy zúžení využitelného kmitočtového pásma a snížení dosažitelné přenosové rychlosti, která je z uživatelského hlediska nejdůležitějším parametrem.

Lokální maxima útlumové charakteristiky lze odhadnout podle vztahu:

(3)

kde k je nezáporné celé číslo, d_odb označuje délku odbočky a v rychlost šíření signálu na vedení, kterou je možno vyjádřit pomocí permitivity prostředí a rychlosti šíření světla ve vakuu:

(4)

 199860.10³ m.s^-1 (tj. přibližně 0,2 km.µs^-1) a odbočku délky 20 m to znamená, že první lokální maximum bude přibližně na kmitočtu 2,5 MHz a další budou následovat s pravidelným odstupem přibližně 5 MHz (viz též obr. 2 a obr. 3).

Obr. 2 - Útlum přípojky o délce 200 m s odbočkou proměnné délky

Obr. 3 - Útlum přípojky proměnné délky s odbočkou o délce 20 m

Hloubku maxima oproti útlumu vedení bez odboček je možno odhadnout (viz [1]) na základě vztahu:

(5)

kde α je měrný útlum odbočky (v dB.km^-1) a d_odb délka odbočky (v m).

Program Simulace přípojek xDSL v sekci „Parametry pro výpočet vedení“ umožňuje výpočet parametrů vedení s odbočkami s využitím 13-ti parametrového modelu British Telecom.

Modelová síť s odbočkami

Pro přístupové sítě použitelné pro nasazení novějších generací systémů xDSL můžeme uvažovat délky kabelů v rozsahu přibližně 300 m až 1600 m; je však třeba zohlednit potřebnou rezervu, jakož i délku účastnických rozvodů, která se běžně může pohybovat řádově v desítkách až stovkách metrů.

S ohledem na tyto skutečnosti byla pro analýzu chování odboček navržena taková topologie modelové sítě, jejíž implementace na měřicím pracovišti umožňuje flexibilně upravovat potřebné délky a vzdálenosti.

Obr. 4 - Základní topologie modelové sítě

Účelem modelové sítě znázorněné na obr. 4 je základní analýza chování odbočky v přístupové síti z hlediska útlumových poměrů. Z hlavního rozvaděče MDF (Main Distribution Frame) je veden kabel TCEPKPFLE (stíněný úložný kabel pro místní sítě ve čtyřkovém uspořádání, průměr jádra 0,4 mm, izolace žil z napěněného PE, plášť PE) v několika úsecích o délce 400 m k účastnickému rozvaděči NID (Network Interface Device)..

Účastnické rozvody představuje kabel SYKFY (stíněný kabel pro vnitřní použití v párovém uspořádání, průměr jádra 0,5 mm, izolace žil PVC, plášť PVC), příp. UTP (nestíněný kabel pro vnitřní použití v párovém uspořádání, průměr jádra 0,51 mm, izolace žil polyolefin, plášť PVC), o celkové délce 100 m rozdělené na tři úseky v délkách 50 m, 30 m a 20 m.

Odbočku, jež je realizována opět kabelem SYKFY, příp. UTP, o délce v rozmezí 0 m až 50 m s krokem 5 m, je pak možno připojit do vzdálenosti 50 m, 80 m nebo 100 m od účastnického rozvaděče. Příklad výsledku modelování představuje obr. 5 pro délku místního vedení 400 m, vnitřního rozvodu SYKFY 100 m a odbočku 20 m.

Obr. 5 - Útlum přípojky s místním kabelem délky 400 m (čárkovaně) + vnitřní kabel 100 m SYKFY (tečkovaně) s odbočkou o délce 20 m (plná čára)

Pro zkoumání chování účastnické přípojky s více odbočkami jakožto komplexního celku byl za základ zvolen model č. 1 definovaný doporučením ITU-T G.996.1 (viz obr. 6).

Obr. 6 - Model účastnické přípojky č. 1 podle doporučení ITU-T G.996.1

Z účastnického rozvaděče vychází stromová struktura se dvěmi hlavními větvemi, z nichž jedna obsahuje transceiver xTU-R. Písmeny A, B, C jsou označeny připojené telefonní přístroje, přičemž mikrotelefon přístroje A může být ve specifikovaných případech vyvěšen. Pro tyto účely je doporučením G.996.1 definován jednoduchý model telefonního přístroje s vyvěšeným a zavěšeným mikrotelefonem (obr. 7). Hodnoty použitých prvků jsou: R1 = 720 Ω, R2 = 183 Ω, C1 = 4300 pF, C2 = 500 pF. Výsledky modelování útlumu sítě č. 1 pro délku místního kabelu 400  m uvádí obr. 8.

Obr. 7 - Model telefonního přístroje s vyvěšeným (a) a zavěšeným (b) mikrotelefonem

Obr. 8 - Útlum přípojky 400 m + modelové sítě č. 1 realizované kabely SYKFY

Schéma na obr. 9 představuje model účastnické přípojky č. 3 definovaný rovněž doporučením G.996.1, v tomto případě nikoliv se stromovou, nýbrž s hvězdicovou topologií. Jedna větev je zakončena transceiverem xTU-R, v každé z ostatních větví je zapojen jeden telefonní přístroj.

Obr. 9 - Model účastnické přípojky č. 3 podle doporučení ITU-T G.996.1

Diagonálně přeškrtnutý čtverec zde označuje účastnickou zásuvku s připojeným telefonním přístrojem. Každý telefonní přístroj, stejně jako xTU-R, je k zásuvce připojen kabelem délky 1,83 m a stejného typu, jaký je použit pro ostatní kabeláž. Výsledky modelování útlumu sítě č. 3 pro délku místního kabelu 400 m uvádí obr. 10.

Obr. 10 - Útlum přípojky 400 m + modelové sítě č. 3 realizované kabely SYKFY

Závěr

Účelem uvedených modelů účastnických přípojek v přístupové síti je připravit podklad pro matematické simulace chování systémů xDSL při nasazení v sítích s různými konfiguracemi odboček. V současné době je velká část účastnických rozvodů  sítích PSTN a ISDN provedena kabely typu SYKFY. V souvislosti s rozvojem širokopásmových služeb se ovšem v účastnických rozvodech začínají čím dál více používat i kabely UTP (generické rozvody budov), které mají oproti kabelům SYKFY řadu výhod. Jedná se zejména o lepší útlumové poměry v kmitočtovém pásmu používaném systémy xDSL, lepší přeslechové poměry díky uspořádání vodičů v kabelu a lepší impedanční přizpůsobení v návaznosti na místní kabely typu TCEPKPFLE (žíly kabelu jsou v obou případech izolovány materiály s velmi blízkou relativní permitivitou).

Z uvedených výsledků modelování ověřených měřením na konkrétních kabelech vyplývá značný vliv odboček na průběh útlumu přípojky v podobě lokálních maxim a adekvátní vliv na impulsní odezvu při přenosu digitálních signálů. Kritické jsou zejména krátké odbočky (jednotky a desítky m), které mají zásadní vliv zejména na propustnost přípojek VDSL, provozovaných do kmitočtu 12 MHz (u VDSL2 až do 30 MHz).

Příspěvek vznikl za podpory projektu GAČR "Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy" (GA102/03/0434).

Odkazy

[1] BINGHAM, J. A. C.: ADSL, VDSL, and Multicarrier Modulation. New York, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2000. ISBN 0-471-29099-8
[2] STARR, T. – CIOFFI, J. M. – SILVERMAN, P. J.: Understanding Digital Subscriber Line Technology. Upper Saddle River, USA: Prentice Hall, 1999. ISBN 0-13-780545-4
[3] VODRÁŽKA, J. – JAREŠ, P. – HUBENÝ, T.: Simulace přípojek xDSL. MatLab server [online]. 2005. Internet: http://matlab.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005071801
[4] HRAD, J.: VDSL a odbočky v přístupové síti. Praha: ČVUT-FEL, 2003.