Tento článek se přehlednou formou snaží přiblížit metody modelování metalické přístupové sítě. V jednotlivých kapitolách jsou postupně popsány modely sítě spolu s odpovídajícím způsobem modelování přeslechového rušení pro získání reálného modelu přístupové sítě pro simulační účely.
Methods for metallic access network modeling
Abstract
This paper is designed to bring closer methods for modeling metallic access network. In individual chapters was described network model along with appropriate way of modeling crosstalk interference to gain real model of access network for simulation purposes.
1. Úvod
Budoucnost přístupové sítě je bez diskuze spojena s optickými vlákny a kabely. Jedinou překážkou v jejích rychlém rozvoji zatím zůstává cena za
vybudování. Zvláště v České republice si tedy na optickou přípojku až do domu
asi ještě chvilku počkáme. Ekonomické aspekty tak dávají další šanci stávající
přístupové síti, která je postavena na symetrických párech. Metalické přístupové
sítě, díky technologii xDSL, zažívají své znovuzrození. Provozování nové
technologie v síti s historicky odlišnou koncepcí není věc jednoduchá. Operátoři
řeší řadu problémů. Pomoci v jejich řešení jim mají laboratorní simulace a
analytické modely.
Modelování reálné přístupové sítě lze rozdělit do tří
hlavních oblastí. První oblastí je modelování vlastností symetrického páru a
modelování kompletní topologie metalického kabelu v přístupové síti. Druhou
oblastí je modelování vysílacích parametrů koncových zařízení jednotlivých
technologií. Třetí oblastí je simulace vzájemných přeslechových vazeb mezi
jednotlivými symetrickými páry v kabelu respektive mezi jednotlivými
technologiemi.
První a třetí oblast spolu velmi úzce souvisejí. Na způsobu a
na přesnosti, s jakou chceme modelovat přeslechové rušení, záleží metoda
simulace topologie přístupové sítě. Přeslechové vazby mezi jednotlivými páry lze
modelovat dvěma způsoby. Zaprvé můžeme využít předdefinované modelové profily
rušení, které standardizovala mezinárodní organizace ITU-T (podrobněji v
Modelování
rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL). Tyto modelové
profily představují typické situace v přístupové síti, ve kterých se xDSL transceiver může vyskytnout. Zadruhé je možné přeslechové rušení vypočítat
kombinací jednotlivých technologií, respektive jejich vysílacích parametrů. Pokud
budeme využívat nadefinované profily rušení, lze i modelování topologie
účastnického vedení zjednodušit na modelování přenosové cesty typu bod-bod. V
modelování bod-bod se účastnické vedení považuje za homogenní vedení o určité
nominální délce a průměru.
Při požadavku na vetší reálnost výsledků se reálná
přenosová cesta musí modelovat jako kaskádně řazené úseky metalických vedení o
různé nominální délce a různém průměru. U každého úseku vedení je nutné
definovat zda se jedná o hladký úsek vedení nebo o tzv. nezakončenou odbočku
vedení (bridged tap). Budeme-li chtít modelovat situaci v přístupové síti co
nejpřesněji, bude nezbytné modelovat přeslechové vazby metodou kombinace
jednotlivých technologií a topologii účastnického vedení modelovat pomocí
kaskádních modelů s respektováním vzájemné polohy jednotlivých párů.
Při modelování symetrických párů je nutné zohlednit typ
přenosové technologie, která bude na symetrickém páru provozována. Typ přenosové
technologie totiž určuje šířku frekvenčního pásma v jakém je nezbytné modelovat
parametry páru. Pro perspektivní systémy VDSL je třeba využívat frekvenční pásmo
do 30 MHz. V takto širokém frekvenčním pásmu lze modelovat charakteristiky
symetrického páru pomocí 13-ti parametrového modelu British Telecom. Více viz.
článek Modelování metalických účastnických přípojek. Model BT simuluje primární
parametry páru. Z primárních parametrů se následně počítají sekundární parametry
a celková přenosová funkce vedení. Při modelování více typů symetrických párů,
které jsou řazeny za sebe, se využívají závěry z teorie vedení. Podrobnější
informace jsou uvedeny dále v textu.
2. Model přístupové sítě typu bod-bod
Při modelování bod-bod považujeme účastnické metalické vedení
za homogenní vedení. Předpoklad homogenního vedení výrazně zjednodušuje
modelování celé topologie svazku metalického kabelu pouze na modelování
jednotlivých symetrických párů. Kabel se symetrickými páry vychází z
přístupového multiplexoru (DSLAM) u místní ústředny poskytovatele připojení
(HOST), respektive z hlavního rozvodu ústředny. Kabelový svazek může také
vycházet od některé ze vzdálených účastnických jednotek ústředny (RSU). Délka a
struktura metalického kabelu je závislá na místních podmínkách a typu přenosové
technologie. Při modelování přeslechových vazeb mezi jednotlivými páry se
předpokládá, vzhledem k zjednodušenému modelování celé topologie, využití
modelových profilů rušení organizace ITU-T. Provozovatel může stanovit své
vlastní podmínky modelování a zejména přeslechové parametry na základě situace
ve své přístupové síti. Podrobnější popis postupu modelování je uveden v [1].
Velmi zjednodušená topologie přístupové sítě je ukázána na obr. 1 (Server BAS –
Broadband Access Server plní funkci autentifikace, autorizace a další).

Obr. 1 – Jednoduchá struktura přístupové sítě
3. Kaskádní model přístupové sítě
Topologii uživatelského vedení nelze nikdy v reálné
přístupové síti považovat za homogenní. Vzhledem k postupnému budování
přístupové sítě a například i vzhledem k provedeným opravám v síti se reálné
účastnické vedení může skládat z kaskády různých délek a typů symetrických párů.
Navíc instalace uživatelského vedení může obsahovat tzv. nezakončené odbočky
vedení, které podle své délky negativně ovlivňují výkonnost přenosu systému
xDSL. Nezakončená odbočka je paralelně k účastnickému vedení připojený úsek
symetrického páru zakončený naprázdno. Nezakončená odbočka tedy může vzniknout
například z paralelních telefonních přípojek, neoprávněnou úpravou v domácím
rozvodu účastníka nebo poruchou a následnou opravou v svazku kabelu. Obr. 2
ukazuje strukturu reálné přístupové sítě.
Obr. 2 – Struktura účastnického vedení v reálné přístupové
síti
Obdobně jako při modelování bod-bod vychází účastnické vedení
z multiplexoru DSLAM přes hlavní rozvaděč. Mezi hlavním rozvaděčem (MDF) a
následným síťovým rozvaděčem (NDF) se předpokládá svazek homogenních metalických
vedení. Vedení od síťového rozvaděče směrem k účastníkovi může být tvořeno
kaskádou různých typů a průměrů vedení. Chceme-li stanovit celkový útlum vedení
složený z více úseků s odbočkami, můžeme jej vyjádřit jako součin matic
popisujících jednotlivé kaskádně řazené úseky. Obr. 3 ukazuje simulovanou
strukturu uživatelského vedení, která se skládá z celkem 5 úseků a jedné
nezakončené odbočky.
Obr. 3 – Příklad reálného úseku uživatelského vedení
Modelování přeslechů metodou kombinace technologií je ze své
podstaty přesnější než modelování přeslechového rušení pomocí modelových profilů
rušení. Vychází z vysílacích masek spektrální výkonové hustoty (PSD), které jsou
upravovány pomocí přenosových funkcí přeslechu v [1]. Počet přenosových
technologií stejné spektrální třídy je zohledněn pomocí analytických vztahů
taktéž uvedených v [1]. Výsledný vztah pro výpočet celkového průběhu PSD od
všech systémů 1 až N je dán součtem bílého šumu na pozadí a přeslechů na blízkém
a vzdáleném konci. Zjednodušení při výpočtu přeslechového rušení spočívá v tom,
že hodnoty přeslechových parametrů (KNEXT, KFEXT) jsou průměrovány v celé délce
uživatelského vedení a exaktně se nezohledňuje vliv jednotlivých úseků vedení.
Dále je vlastní výpočet přeslechového rušení zjednodušen o nerespektování
závislosti na poloze mezi rušícím a rušeným párem v rámci jedné skupiny nebo i v
rámci různých skupin téhož svazku kabelu. Hodnoty přeslechových konstant se
proto preventivně stanovují na základě nejhoršího případu rušení v kabelu. Tento
princip však vede k pesimistickému výsledku ve výsledné úrovni rušení.
4. Přesné modelování stavu přístupové sítě
Při zpřesňování modelování stavu přístupové sítě je nutné
opustit zjednodušující předpoklad o rovnoměrném rozprostření rušících párů v
profilu kabelu, který má za následek zjednodušující výpočet přeslechových
parametrů KNEXT a KFEXT. Míra přeslechového rušení se bude počítat pro
jednotlivé úseky zvlášť a pomocí přeslechových parametrů KNEXT a KFEXTbude
zohledněna poloha rušeného páru a rušícího páru. Na obr. 4 je uveden příklad
analýzy přeslechů pro směr downstream.
Obr. 4 – Analýza směru downstream
Topologie stromu přístupové sítě je shodná s topologií, která
je uvažována již v odstavci 3. Modelované účastnické vedení vychází z
přístupového multiplexoru DSLAM, respektive z hlavního rozvaděče místní ústředny.
Mezi multiplexorem DSLAM a hlavním rozvaděčem je účastnické vedení většinou
tvořeno metalickými páry kategorie 5 s podstatně menšími přeslechovými vazbami a
lepšími přenosovými vlastnostmi než jaké mají symetrické páry v metalickém
kabelu přístupové sítě. Proto lze vzájemné vlivy mezi jednotlivými páry v tomto
úseku zanedbat.
Navazující topologii přístupové sítě je pro potřeby výpočtů
vhodné rozdělit do tzv. dělících bodů. Optimální umístění dělících bodů je vždy
do jednotlivých sítových rozvaděčů přístupové sítě. Propojení síťových rozvaděčů
je totiž většinou tvořeno homogenním metalickým kabelem, což vede ke snadnějším
výpočtům poměrů na vedení. Pro každý dělící bod se pro potřeby simulace vypočítá
úroveň užitečného signálu účastníka a také úrovně přeslechových rušení na
vzdáleném a blízkém konci od okolních účastníků, které negativně ovlivňují
přenos na digitální přípojce modelovaného účastníka. Obr.4 ukazuje modelový
výpočet pro směr přenosu downstream. Modré šipky představují vliv rušení na
blízkém konci NEXT, které se počítá z vysílacích masek směru upstream
jednotlivých přenosových technologií. Červené šipky představují vliv rušení na
vzdáleném konci FEXT, které se vypočítává z vysílacích masek pro směr
downstream. Modelování směru přenosu upstream bude obdobné. Pouze velikost
přeslechového rušení NEXT bude závislé na vysílacích parametrech systémů ve
směru upstream a velikost přeslechového rušení FEXT na parametrech pro směr
downstream.
Vzhledem k velkém počtu symetrických párů v jednom metalickém
kabelu a z toho vyplývající náročnosti získání parametrů měřením kabelu a
vzhledem k nárokům při výpočtech, je možné provést určitou redukci počtu
přeslechových parametrů jejich sdružením podle polohy. S ohledem na obvyklou
konstrukci místních kabelů, které jsou používány, je možné symetrické páry (a
následně přeslechové parametry) rozdělit do následujících kategorií:
- sousední symetrické páry – páry v rámci jedné čtyřky a páry sousedních
čtyřek v rámci stejné podskupiny,
- blízké symetrické páry – páry ve vzdálených čtyřkách stejné nebo
sousední podskupiny
- vzdálené symetrické páry – páry ve čtyřkách vzdálených podskupin
Uvedené rozdělení přeslechových parametrů do tří skupin by
mělo být dostatečné pro modelování reálných situací v přístupové síti bez
zvýšené náročnosti na získání konkrétních hodnot. Pro potřeby Digitální správy
spektra a koordinace vysílání jednotlivých transceiverů metodou Vectored DMT,
bude nezbytná plná znalost přenosových funkcí přeslechů mezi jednotlivými páry v
celém profilu kabelu.
5. Závěr
Schopnost přesně modelovat topologii a charakter rušení v
přístupové síti je velmi důležitá. Vzhledem k mohutnému zvyšování počtu
provozovaných digitálních účastnických přípojek v přístupových sítích a
rozšiřování pásma (ADSL2+, VDSL2) bude nezbytné zavádět nové metody DSM, které
budou schopny zajistit požadovanou kvalitu služby všem koncovým uživatelům. A
právě pro zavádění metod DSM bude nutné umět simulovat aktuální stav přístupové
sítě a testovat nové možné uspořádání přenosových systémů k ještě efektivnějšímu
využití celého potenciálu metalické přístupové sítě.
Program pro simulace výkonnosti přenosu přípojek xDSL, který pro své výpočty
modeluje přístupovou síť podle postupu uvedeného v kapitole 3, je zpřístupněn na
MatLab serveru a je dostupný na
následující adrese
Simulace přípojek xDSL.
Příspěvek vznikl za podpory projektu NPV 1ET300750402.
Literatura
[1] Vodrážka, J. Přeslechy a jejich modelování. In: Elektrorevue [online]. 2002, č. 61, Internet: http://www.elektrorevue.cz/clanky/02061/. ISSN 1213-1539.
[2] ITU-T Recommendation G.996.1.,Test procedures for Digital Subscriber Line (DSL). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION (06/1999).
[3] Křepelka, V.: Spektrální zatížení přenosového prostředí. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Brno 2006.
[4] Jareš, P. Modelování rušení a propustnosti přenosových systémů xDSL. In: Access server [online]. 2005, roč. 3, č. 200412220, s. 200412220. Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=200412220. ISSN 1214-9675.
[5] RAUSCHMAYER, Dennis J. ADSL/VDSL Principles: A Practical and Precise Study of Asymmetric Digital Subscriber Lines and Very High Speed Digital Subscriber Lines. Indianopolis, USA: Macmillan Technical Publishing, 1999. ISBN 1-57870-015-9.