Současný provoz telefonní přípojky a SHDSL

Coexistence of SHDSL and POTS service

Abstract

Současný přenos hovorového signálu spolu s datovým signálem je běžný pro digitální účastnické přípojky, jako jsou varianty přípojky ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) či VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line). Také díky této vlastnosti se uvedené druhy přípojek staly jedním z nejčastějších způsobů připojení jednotlivých účastníků k Internetu. Přípojky xDSL obecně využívají stávající metalické rozvody a tím se náklady na jejich instalaci značně snižují. Vzhledem k vlastnostem jednotlivých typů přípojek je snaha co nejvíce využít jejich potenciál a tedy i případné rozšíření jejich původního účelu. To nás přivedlo k úvaze nad možností koexistence digitální přípojky SHDSL s analogovou přípojkou POTS (SHDSL over POTS).

Zkratka SHDSL (Single-pair High-bit-rate Digital Subscriber Line) označuje přenosový systém, který je určen pro symetrický přenos digitálního signálu s využitím jednoho metalického páru (doporučení ITU-T G.991.2). Využívá se šestnáctistavová pulsně amplitudová modulace v základním pásmu doplněná o Trellis kódování (16-TCPAM). Dosažitelné přenosové rychlosti jsou pak od 192 kbit/s do 2312 kbit/s. Velkou předností systému SHDSL je koncepce respektující požadavek na spektrální kompatibilitu s dalšími přenosovými systémy, které se mohou vyskytnout v přístupové metalické síti (omezení celkového vysílacího výkonu, omezení šířky využívaného frekvenčního pásma, atd.). Detailní popis SHDSL je uveden v článku „Základní popis přípojky SHDSL“. Analogová telefonní přípojka (POTS – Plain Old Telephone Service) pracuje v základním pásmu v kmitočtovém rozsahu od 300 Hz do 3400 Hz. Pokud bychom si tedy chtěli frekvenční pásma obou přípojek představit, mohl by nám pomoci názorný příklad uvedený na obr.1.

Obr. 1. Frekvenční pásma přípojky POTS / SHDSL

Možnost koexistence SHDSL a telefonní přípojky

Přenos SHDSL se uskutečňuje v základním pásmu (teoreticky od kmitočtu 0 Hz do kmitočtu f_H), z čehož vyplývá, že teoreticky nemůže koexistovat na jednom metalickém vedení se službou ISDN-BRA (Integrated Services Digital Network – Basic Rate Access) nebo POTS. Obě uvedené služby totiž také využívají základní pásmo, i když s nižším horním kmitočtem.

Na druhou stranu je u SHDSL zajištěno potlačení stejnosměrné složky signálu díky symetrickému rozmístění signálových úrovní kolem nuly a stejnou pravděpodobností výskytu všech signálových prvků v důsledku skramblování. Absence stejnosměrné složky a nejnižších složek spektra je nutná i z důvodu přítomnosti transformátorů na rozhraních koncových zařízení pro galvanické oddělení od vedení. Při modelování SHDSL se předpokládá mezní frekvence transformátoru na dolním okraji pásma 8 kHz. Také celková šířka využívaného frekvenčního pásma systému SHDSL je podstatně větší, než je šířka pásma analogové telefonní přípojky a určité posunutí spodní hranice frekvenčního pásma by pro provoz SHDSL nemuselo vadit.

Při zkoumání možnosti koexistence přípojek se musíme především zaměřit na dva provozní stavy. Prvním je navazování spojení před zahájením komunikace a druhým je vlastní přenos uživatelských dat. Pro postupy při navazování spojení mezi účastnickým modemem STU-R (SHDSL Transceiver Unit – Remote) a ústřednovou stranou poskytovatele STU-C (SHDSL Transceiver Unit – Central Office) se doporučení ITU-T G.991.2 odkazuje na doporučení ITU-T G.994.1. Systém SHDSL je dle něho zařazen pro potřeby navazování spojení do skupiny tzv. polo-duplexních zařízení. Pro ně je závazné využívat pilotní a testovací signály o nosných frekvencích odvozených od 4 kHz. Nosné frekvence jsou dány vztahem N x 4 kHz, kde N je kladné cele číslo. Modulační rychlost je pak dána vztahem v_m = 4 000 / 5 = 800 Bd. Konkrétní parametry pro systém SHDSL jsou uvedeny v následující tabulce 1.

Tab. 1. Parametry nosných frekvencí pro navazování spojení

Z doporučení G.994.1 tedy vyplývá nutnost zajistit přenos signálů o frekvenci 12 kHz a 20 kHz při navazování spojení (tzv. handshake), což potvrzuje předpoklad o nemožnosti koexistence SHDSL a ISDN-BRA. Principiálně je však otevřena cesta ke zkoumání možnosti koexistence SHDSL a POTS. Budeme vycházet z úvahy o existenci takového filtru, který by byl schopen účinně a bez znatelného negativního ovlivnění tyto dvě služby oddělit. Na obr. 1. jsou naznačeny hraniční frekvence, kterým by takovýto filtr měl vyhovovat. Spodní hranice frekvenčního pásma SHDSL je určena mezním kmitočtem vstupního filtru typu horní propust. Ten má za úkol odfiltrovat složky signálu, které by rušily v telefonním pásmu. Mezní kmitočet horní propusti se nalézá pod nosnou frekvencí 12 kHz, která se používá při navazování spojení.

Při vlastním přenosu dat záleží na použité přenosové rychlosti. Čím bude přenosová rychlost a tedy i šířka pásma SHDSL vyšší, tím bude odfiltrována na dolním konci pásma procentuálně menší část spektra a lze tak očekávat menší ovlivnění digitálního přenosu. Pro nízké přenosové rychlosti tedy nebude ze zmíněného důvodu řešení vhodné.

Návrh řešení

Pro současný přenos telefonního a datového signálu nestačí pouze zmiňovaný filtr typu horní propust oddělující vyšší frekvence (SHDSL), ale potřebujeme také filtr typu dolní propust, který oddělí frekvenční pásmo využívané analogovou telefonní přípojkou (POTS). Zařízení umožňující takovéto oddělení signálů se nazývá rozbočovač (splitter) a je běžně využíváno u systémů ADSL či VDSL. Rozbočovač je tříportové zařízení tvořené paralelním spojením filtrů typu dolní a horní propust jak je uvedeno na obr. 2. Detailní popis rozbočovačů nalezne čtenář ve článku „Rozbočovače pro přípojky ADSL“ či „Rozbočovače pro přípojky VDSL“.

Obr. 2. Struktura rozbočovače

Při řešení tohoto projektu jsme vycházeli v prvním kroku z dvojice předpokladů:

• Máme k dispozici rozbočovač ADSL obsahující pouze dolní propust (DP), který použijeme k oddělení signálů POTS.
• Navrhneme filtr typu horní propust (HP), který nám doplní funkci zmíněného rozbočovače a oddělí SHDSL signály.

Postup návrhu rozbočovače je popsán v článku „Návrh rozbočovačů pro přípojky ADSL a VDSL“, a proto zde nebude uveden. Jelikož nejsou k dispozici žádné normy udávající požadavky na SHDSL rozbočovače, převezmeme hodnoty útlumových požadavků z odpovídajících norem (ITU-T, ETSI) pro rozbočovače ADSL (příp.VDSL). Dle dodefinovaných požadavků (hraniční frekvence – 12 kHz, vložný útlum – 1 dB, útlum odrazu – 18 dB) se nám podařilo navrhnout takový filtr typu horní propust, který během simulací prokázal vlastnosti odpovídající našim požadavkům. Jedná se o filtr šestého řádu, který byl navržen pomocí modifikované Čebyševovy aproximace pro shodné zakončující impedance (135 Ω) v zapojení typu „T“. Takto navržený filtr jsme realizovali a podrobili měřením přenosových parametrů pro ověření funkčnosti a vlivu na přenosové vlastnosti, jak je uvedeno v následující kapitole.

Měřící pracoviště a výsledky měření

Blokové schéma měřícího pracoviště pro testování výkonnosti přenosu systému SHDSL je uvedeno na obr. 3. V průběhu testu byly zaznamenávány hodnoty výkonnosti přenosu (přenosová rychlost, šumová rezerva, vysílací výkon, útlum vedení atd.).

Obr. 3. Blokové schéma testovacího pracoviště

Jako rozbočovače byly použity navržené filtry typu horní propust, jejichž struktura je uvedena na obr. 4. Na straně účastníka byl pro určité situace navíc také zapojován ADSL rozbočovač obsahující pouze filtr typu dolní propust pro oddělení signálů POTS.

Obr. 4. Navržený filtr šestého řádu typu horní propust

Jednotky STU-x byly modemy Prestige 782R z portfolia firmy ZyXEL nebo modemy ASMi-52 od firmy RAD Data Communications. Oba typy modemů je možné nakonfigurovat do režimu modemu uživatele (STU-R) i do režimu ústřednové strany poskytovatele připojení (STU-C). Jako vedení byl použit metalický kabel TCEPKPFLE 75x4x0,4 mm o délce 400 m (stíněný úložný kabel pro místní sítě ve čtyřkovém uspořádání, průměr jádra 0,4 mm, izolace žil z napěněného PE, plášť PE). Celková délka vedení byla vytvořena vhodným kaskádovým propojením jednotlivých párů vedení, které mají minimální vzájemné přeslechové vazby. Hodnoty výkonnosti přenosu byly poskytovány interní diagnostikou modemů. Proměřovaný směr byl směr downstream.

Výkonnost přenosu, u modemů ZyXEL, byla testována v závislosti na délce symetrického vedení. Modemy pracovaly v adaptivním módu, kdy je přenosová rychlost určena šumovými podmínkami na vedení a vlastními parametry vedení. Obvody pro omezování vysílacího výkonu (Power Back-Off) byly vypnuty. Při testech byly simulovány celkem tři situace přístupové sítě. První situace simulovala ideální stav přístupové sítě zcela bez rušení. Druhá a třetí situace představovaly přístupovou síť s provozem reálných přenosových systémů na okolních symetrických párech. Pro druhou situaci byl použit modelový profil rušení A. Ten představuje nejhorší případ s vysokou úrovní rušení, které je způsobeno velkým počtem různých typů přenosových zařízení. Pro třetí situaci byl použit modelový profil D, ve kterém je přeslechové rušení způsobováno pouze systémy stejného typu, jako je testovaný systém, při padesátiprocentním obsazení všech párů v metalickém kabelu. Popis jednotlivých modelů rušení může čtenář nalézt v článku „Způsob simulace přípojek xDSL“. Obr. 5. shrnuje závislost přenosové rychlosti na délce vedení pro jednotlivé varianty modelových profilů rušení nebo ideální situace bez rušení.

Obr. 5. Závislost přenosové rychlosti na délce vedení a profilu rušení

Výkonnost přenosu, respektive velikost hodnoty šumové rezervy (NM - Noise Margin) u modemu RAD, byla testována v závislosti na pevně stanovené hodnotě přenosové rychlosti pro konstantní délku vedení 1,2 km. Modemy pracovaly v režimu fixní přenosové rychlosti. V tomto režimu činnosti se nejlépe projeví závislost velikosti šumové rezervy na přenosové rychlosti, tedy na šířce využívaného frekvenčního pásma. Obvody pro omezování vysílacího výkonu byly vypnuty. Modemy RAD, obdobně jako modemy ZyXEL, pracovali ve třech simulovaných situacích, které představovaly typické stavy přístupové sítě. Následující obr. 6. shrnuje závislost šumové rezervy a přenosové rychlosti pro jednotlivé modelové profily rušení.

Obr. 6. Závislost hodnoty šumové rezervy na přenosové rychlosti a profilu rušení

Závěr

Z testů závislosti hodnoty šumové rezervy a pevně stanovené přenosové rychlosti je vidět, že hodnoty šumové rezervy rostou se zvyšující se požadovanou přenosovou rychlostí. Tento závěr odpovídá předpokladům, kdy s rostoucí přenosovou rychlostí se zvětšuje i šířka využívaného frekvenčního pásma a tedy se snižuje vliv odfiltrování dolní části pásma pod kmitočtem 12 kHz. Nižší hodnoty šumové rezervy pro modelový profil rušení A odpovídají vyšší úrovni přeslechového rušení. Konstantní průběh šumové rezervy pro vyšší přenosové rychlosti je způsoben rostoucím vlivem útlumu vedení na vyšších kmitočtech, kam se rozšířilo frekvenční pásmo.

Při testech závislosti přenosové rychlosti na délce vedení je vidět značný vliv rozbočovačů na dosah systému SHDSL. Stejně jako u testů s modemy RAD došlo vložením rozbočovačů k posunutí dolní frekvence využívaného pásma. Negativní vliv má posunutí především na nízké přenosové rychlosti SHDSL. Strmý pokles přenosové rychlosti může být způsoben nedokonalostí adaptačního algoritmu při určování maximální možné přenosové rychlosti, protože se u standardní přípojky SHDSL nepočítá s odfiltrováním dolní části spektra.

Navržené řešení (SHDSL over POTS) je použitelné pro vyšší přenosové rychlosti (cca nad 1,5 Mbit/s) a pro kratší přípojky s dostatečnou šumovou rezervou. Alternativou pro přenos hovorového signálu pomocí technologie SHDSL je metoda označovaná VoDSL (Voice over DSL), jež umožňuje přenášet i více telefonních hovorů zároveň (metodou VoATM, VoIP).

Příspěvek vznikl v rámci projektu číslo 1ET300750402 za podpory Grantové Agentury Akademie věd České Republiky.

Literatura

[1] ITU-T G.991.2: Single-pair high-speed digital subscriber line (SHDSL) transceivers. 2003.
[2] ITU-T G.994.1: Handshake procedures for digital subscriber line (DSL) transceivers. 2003.
[3] ETSI TS 101 952-1-2: Specification of the high pass part of ADSL/POTS splitters. 2002.