Technologie Home PNA

Home PNA system

Abstract

Koncepce domácí sítě vybudovaná s pomocí Home PNA počítá se společným vysokorychlostním připojením domácnosti (např. VDSL, kabelový modem) a propojením jednotlivých zařízení, jako jsou počítače, sdílená tiskárna, audiovizuální technika a další, pomocí existujícího telefonního rozvodu (telefonní zásuvky instalované v různých místech bytu či domu). Pomocí brány lze připojit i klasickou metalickou lokální síť LAN na bázi Ethernetu či bezdrátovou síť (WiFi).

obr. 1 Typické uspořádání sítě v objektu účastníka

Na rozdíl od přípojek xDSL, které jsou uzpůsobené pro stejné přenosové médium, se u Home PNA počítá s rozvětvenými rozvody typu sběrnice či hvězda (paralelně zapojené telefonní přístroje), takže je nutné počítat se zhoršením parametrů v důsledků odrazů na odbočkách. Naproti tomu je možno tyto rozvody využívat jako sdílené médium pro mnohabodové spojení podobně jako síť Ethernet na koaxiálním vedení. Typické uspořádání je uvedeno na obr. 1. Oddělovací blok IF (Isolation Function) má za úkol odfiltrovat signály ve vyšších kmitočtových oblastech mezi systémy v přístupové síti (např. VDSL) a vnitřními rozvody účastníka (Home PNA). Vnitřní telefonní rozvody se rozvětvují k jednotlivým přístupovým bodům AP (Access Point), kde se nacházejí telefonní přístroje a datové terminály. Obrázek současně ukazuje (čárkovanou čarou), jak může být řešeno napojení takto vytvořené LAN do sítě WAN pomocí VDSL modemu s rozbočovačem, který zakončuje datovou komunikaci od provozovatele připojení v přístupové síti a díky integrované funkci mostu (bridge) či směrovače (router) přes rozhraní Ethernet umožňuje připojení jednotlivých zařízení lokální sítě řešené na telefonních párech pomocí technologie Home PNA.

Verze Home PNA a způsob přenosu

Původní Home PNA verze 1 umožňovala přenos rychlostí pouze 1 Mbit/s, verze 2 díky vícestavové modulaci a pokročilejšímu zpracování signálů přenos rychlostí 10 Mbit/s, přičemž se předpokládá dosah až několik stovek metrů. Přenos mezi přístupovými body Home PNA probíhá poloduplexně v pásmu 4,5 až 9,5 MHz pomocí modulace QAM s nosnou 7 MHz, modulační rychlostí 4 nebo 2 MBd a alokací 2 až 8 bitů na symbol (4 až 256 stavů QAM). Základní vlastnosti a fyzický přenos je popsán v dokumentech specifikujících Home PNA (verze 2) a v doporučení ITU-T G.989.1 [1], přístup k médiu pak v doporučení ITU-T G.989.2 [2]. Vysílat může vždy jen jediná stanice v síti, ostatní jsou na příjmu. Přístup k médiu se řeší pomocí vrstvy MAC (Medium Access Control) podobně jako u Ethernetu. Je zaveden systém priorit umožňující diferencovat služby (prioritní přístupové sloty).

Nejnovější verze Home PNA 3 je koncipována pro rychlost 100 Mbit/s (teoreticky až 240 Mbit/s) po symetrických párech či koaxiálních kabelech TV rozvodů. Modulační rychlost 2 až 24 MBd (při 2 až 10 bitech/symbol, adaptace pro každý datový rámec) se dosahuje rozšiřováním pásma až do 21 MHz (2, 4, 8, 16 MBd), příp. 28 MHz (3, 6, 12, 24 MBd). Nové doporučení ITU-T nese označení G.9954 [4]. Přehled vlastností uvádí následující tabulka.

Modulační rychlost je závislá na vlastnostech prostředí, zejména na zvlnění útlumové charakteristiky. Odbočky na vedení způsobují (viz obr. 3 až 5) maxima útlumu, čímž se zmenšuje efektivní šířka pásma a rovněž se zvyšuje mezisymbolová interference. V případech, kdy část pásma je znehodnocena nárůstem útlumu by klasická modulace QAM nemusela fungovat. Proto se používá modulace označená FDQAM (Frequency Diverse QAM). Zjednodušeně řečeno - modulační rychlost se sníží tak, aby v dostupném pásmu mohlo být vysíláno několik kopií modulovaného signálu pro zvýšení spolehlivosti příjmu.

Vysílací výkon je omezen pro redukci vyzařování v pásmu KV pro variantu #1 špičkovou hodnotou PSD (Power Spectral Density) -71,5 dBm/Hz s nominální hodnotou -76 dBm/Hz v celé šířce využívaného pásma. U dalších variant začíná maska PSD na -71,5 dBm/Hz a klesá se směrnicí 15 dB/ dekádu. Navíc v okolí amatérských pásem 4; 7; 10,1; 14; 18; 21 a 24,9 MHz je vysílací výkon lokálně snížen pomocí úzkopásmových filtrů. Rovnoměrného rozložení výkonu v celém pásmu se dosahuje pomocí skrambleru. Základní funkční bloky vysílače Home PNA ukazuje obr. 2.

Obr. 2 Základní funkční bloky vysílací části Home PNA

Vysílací filtr má za úkol filtrovat signál vystupující z modulátoru tak, aby vyhovoval masce PSD.

Struktura rámce

Rámec Home PNA na fyzické vrstvě (obr. 3) doplňuje k rámci Ethernet přídavné služební bajty. Preambule je dlouhá 16 bajtů, aby byla zajištěna dostatečná doba na adaptaci a synchronizaci přijímače. Začátek rámce je vysílán s minimální možnou modulační rychlostí (2 MBd) a minimálním počtem stavů (4). Teprve vlastní datové pole se přenáší vyšší nominální rychlostí, pokud to odstup signálu od šumu dovolí. Nastavená modulační rychlost, šířka pásma, konstelace QAM a další informace se přenášejí ve služebním poli Frame Ctrl.

Obr. 3 Struktura rámce Home PNA

Dále v rámci následují adresy DA (Destination Address) a SA (Source Address), pole Ethertype a na konci pak zabezpečení rámce Ethernet FCS (Frame Check Sequence) doplněné dalším zabezpečením CRC-16 a koncovým bajtem EOF (End of frame).

Parametry prostředí a dosažitelné přenosové rychlosti

Na následujících obrázcích se nejprve podíváme na typické případy přenosového prostředí pro Home PNA, vybrané na základě doporučených testovacích vedení, a pak na dosažitelné přenosové rychlosti. Parametry prostředí byly pro potřeby tohoto článku přepočteny podle skutečných vlastností u nás velice rozšířeného vnitřního telefonního kabelu typu SYKFY. Testovací vedení obsahují větší počet zakončených i nezakončených odboček podle větvení sítě.

Na obr. 4 je zobrazen útlum vedení celkové délky 55 m se třemi odbočkami délek 7,5; 7,5 a 45 m z nichž dvě jsou zakončeny kapacitně (270 a 330 pF) a jedna odporem 100 ohmů. Odpovídá strukturou zkušebnímu vedení č. 4 (Loop #4) z doporučení [4]. Pro tři varianty šířky pásma (do 10; 21; 28 MHz) vycházejí výpočtem přenosové rychlosti dosažitelné na tomto vedení 16; 64; 96 Mbit/s. Přenosové rychlosti jsou počítané pro maximální bitovou chybovost (BER – Bit Error Rate) 10^-6, což typicky odpovídá rámcové chybovosti (FER - Frame Error Rate) 10^-2 s šumovou rezervou 6 dB při působení bílého šumu s hustotou -135 dBm/Hz.

Obr. 4 Frekvenční závislost útlumu testovacího vedení č. 4

Na obr. 5 je zobrazen útlum vedení celkové délky 107 m s pěti odbočkami délek 3x1,7; 3,7 a 7,5 z nichž dvě jsou zakončeny kapacitně (330 pF), dvě odporem 100 ohmů a jedna je nezakončená. Odpovídá strukturou zkušebnímu vedení č. 6 (Loop #6). Pro tři varianty šířky pásma vycházejí přenosové rychlosti dosažitelné na tomto vedení 10; 40; 60 Mbit/s.

Obr. 5 Frekvenční závislost útlumu testovacího vedení č. 6

Na obr. 6 je zobrazen útlum vedení celkové délky 33 m se šesti odbočkami délek 1,5; 2x3; 3,6; 4,5 a 6 m z nichž jedna je zakončena kapacitně (500 pF) a ostatní jsou nezakončené. Odpovídá strukturou zkušebnímu vedení č. 9 (Loop #9). Pro tři varianty šířky pásma vycházejí přenosové rychlosti dosažitelné na tomto vedení 8; 36; 48 Mbit/s. I když je celková délky nižší než vedení č. 6, nezakončené odbočky způsobí významné odrazy a značný pokles přenosové rychlosti. Vliv nezakončených odboček lze ověřit pomocí simulačního programu.

Obr. 6 Frekvenční závislost útlumu testovacího vedení č. 9

Pro představu si na závěr uvedeme vypočítané přenosové rychlosti v závislosti na délce hladkého vedení bez odboček. Opět pro tři šířky pásma (varianty #1 až 3) a kabel typu SYKFY (obr. 7).

Obr. 7 Přenosové rychlosti pro kabel SYKFY

Obdobné závislosti můžeme pro porovnání uvést pro kabel typu UTP kategorie 5 pro strukturované rozvody (obr. 8). V důsledku přibližně polovičního měrného útlumu vycházejí téměř dvojnásobné přenosové rychlosti. Je zřejmé, že pro vedení bez odboček lze s úspěchem provozovat síť LAN pomocí adaptérů Home PNA až na vzdálenost několika stovek metrů.

Obr. 8 Přenosové rychlosti pro kabel UTP kategorie 5

Závěr

Home PNA představuje zajímavé řešení přenosu po existujících telefonních i jiných vedeních s rychlostmi až přes 100 Mbit/s. Verze 3 umožňuje i použití koaxiálního kabelu s charakteristickou impedancí 75 ohmů. Řešitelný by jistě byl i přenos po koaxiálním kabelu klasické sběrnicové varianty Ethernetu s charakteristickou impedancí 50 ohmů, pravděpodobně s vyšší rychlostí než 10 Mbit/s.

Koncové stanice Home PNA jsou řešeny nejčastěji jako adaptéry mezi telefonními rozvody a rozhraním Ethernet 100/10BASE-T, nebo s připojením přes rozhraní USB. Centrální body rozsáhlejších sítí, obsahujících oddělené segmenty telefonních rozvodů (jednotlivé přípojky pobočkové ústředny), se osazují multiplexory vybavenými příslušnými počty Home PNA portů a jedním portem Ethernet k připojení na Internet. Home PNA představuje alternativu k řešení domácích sítí a prosazuje se vedle bezdrátových sítí WLAN a vedle přenosu PLC po silových rozvodech 230 V/50 Hz.

Tento příspěvek vznikl za podpory GAČR v rámci projektu GA102/03/0434 „Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy“.

Literatura

[1] Doporučení G.989.1 (02-2001) - Phoneline networking transceivers – Foundation.
[2] Doporučení G.989.2 (11-2001) - Phoneline networking transceivers – Payload format and link layer requirements.
[3] Doporučení G.989.3 (03-2003) - Phoneline networking transceivers – Isolation function
[4] Doporučení G.9954 (02-2005) - Phoneline networking transceivers – Enhanced physical, media access, and link layer specifications.