Надвисокошвидкісна цифрова абонована лінія (VDSL)

VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line) - очікувана майбутня технологія. Вона підтримує виділену високу швидкість (від 10 до 50 Мбіт/с “вниз” і до 8 Мбіт/с “вгору” на малих відстанях (0.3..1.2 км) через одну провідну пару. На сьогодні існує тільки в обмеженому пробному впровадженні. Органи стандартизації розпочали роботу з опрацювання промислового стандарту VDSL.

Технологія VDSL є найшвидшою з усіх технологій xDSL. VDSL можна розглядати як ефективну в коштах альтернативу для оптоволоконної лінії додому. Однак максимальна робоча відстань для цієї асиметричної технології становить тільки 300..1500 м від центрального офісу. Ця відстань може бути збільшена через прокладення оптичного кабеля від центрального офісу до оптоволоконного пристрою і провідного кабеля від цього пристрою до розташування користувача на відстань до 1.5 км. Крім того, підтримуючи ті ж застосування, що й ADSL, додаткова ширина смуги VDSL дозволяє сервіс-провайдеру надавати послуги телебачення високої роздільності, відео на вимогу, комутованого цифрового телебачення, а також успадковані від розширення LAN симетричні послуги. Стандарти і вимоги до VDSL ще опрацьовуються.

9.4.2. Широкосмугове передавання через провідні кабелі
за допомогою xDSL

Найкращим в технологіях xDSL є їх здатність передавати великий обсяг інформації через чинні телефонні лінії. Це можливе завдяки ому, що техніки обробки сигналів модемами xDSL за допомогою модуляції дозволяють поміщати в аналогові лінії і виділяти з них багато цифрових даних.

Технології DSL можна поділити на дві категорії: ті, що працюють в основній (низькій) смузі частот (baseband), і ті, що працюють у вищій смузі частот (passband). Частотний діапазон систем в основній смузі частот розташований від 0 Гц і вгору, тоді як частотний діапазон високочастотних систем лежить значно вище від голосового діапазону. ISDN, IDSL та HDSL відносяться до першої категорії, тоді як ADSL, RaDSL і VDSL – до другої.

Рис. Спектральна щільність потужності для HDSL.

 

Рис. Спектральна щільність потужності для ADSL.

Системи для основної смуги частот. Ці системи використовують простий лінійний код 2B1Q. Процес модуляції для 2B1Q полягає в такому:

· Сигнальний цифровий потік ділиться на 2-бітові групи і подається на кодер. Кодер призначає 4 різні символи для чотирьох можливих 2-бітових комбінацій: -3, -1, 1 і 3.

· Відповідні напруги в лінії для четвіркових символів дорівнюють ±2.64 і ±0.8 В. Закодований сигнал подається у фільтр нижніх частот і потім у драйвер лінії. Щоб переданий сигнал по провідниках досягнув відстані понад 3.65 км, передавач забезпечє рівень потужності 13.5 дБм для лінії з характеристичним опором 135 Ом.

Незважаючи на цю просту схему кодування, системи для основної смуги частот складні для впровадження, бо вони пересилають і приймають через ту саму пару провідників (80 кбіт/с для ISDN і 392 кбіт/с для HDSL). Вони використовують гібридні кола для зв’язку між передавачем і приймачем у тій самій лінії. Однією з важливих функцій гібридних кіл є ізоляція передавача від приймача. Оскільки переданий сигнал може бути у 10000разів більшим від принятого, то модеми HDSL дуже залежать від характеристик гібридних кіл.

Другою проблемою, яка ускладнює впровадження систем для основної смуги частот, є відбитий сигнал (ехо), викликаний відгалуженнями (bridged taps) та іншими неоднорідностями в лінії. NEXT має суттєвий вплив на роботу таких систем внслідок симетрії транспортування сигналів.

 

Системи для високих частот. Такі системи утворюють два або більше каналів, розташованих значно вище від голосового діапазону і використовують ці смуги для передавання і приймання амплітудно- і фазомодульованих сигналів, подібно до аналогових модемів. Високочастотні системи мають переваги для використання в персональній широкосмуговій комунікації, бо вони можуть співіснувати з голосовим каналом у тій самій лінії.

Чинні високочастотні системи вживають ефективні техніки модуляції, які поміщають багато бітів в одному символі. Більшість поширених впроваджень застосовують варіанти добре відомої квадратурної амплітудної модуляції (QAM) – CAP (Carrierless Amplitude/phase Modulation) і DMT (Discrete Multitone), які є двома основними стандартами модуляції в xDSL.

 

Схеми модуляції DSL.

Існує багато способів змінювати високочастотний носій для отримання модульованого сигналу. Для ADSL використовують дві конкурентні схеми модуляції: амплітудно-фазова модуляція без носія (Carrierless Amplitude Phase Modulation - CAP) і дискретна багатотонова модуляція (Discrete Multitone Modulation - DMT). CAP і DMT використовують однакову фундаментальну техніку модуляції - квадратурну амплітудну модуляцію (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), але способи її використання відрізняються.

Квадратурна амплітудна модуляція (QAM), яка звичайно використовується в модемах, застосовує два цифрові сигнали-носії, щоб зайняти ту саму передавальну смугу, тобто два незалежні сигнали повідомлень використовуються для модулювання двох сигналів-носіїв, які мають ідентичні частоти, але відрізняються амплітудами і фазами. Приймачі QAM здатні відрізняти, котрий з них використовує нижчі або вищі номери станів амплітуди або фази, щоб подолати шуми або завади в парі провідників.

Амплітудно-фазова модуляція без носія (CAP). Генерування модульованого коливання, яка переносить зміни станів амплітуди і фази, не є просте. Для подолання цієї проблеми у версії CAP QAM зберігають частину сигналу повідомлення у пам'яті і тоді відновлюють частину в модульованому коливанні. Носій блокується перед передаванням, оскільки він не містить інформації, і відновлюється у приймальному модемі (звідси назва "без носія"). На початку CAP також тестує якість лінії доступу і здійснює більш ефективну версію QAM, щоб осягнути задовільні характеристики при індивідуальному передаванні сигналів. Звичайно CAP базується на FDM.

Амплітудно-фазова модуляція без пересилання носія (CAP) дуже тісно пов’язана з QAM. Єдина відмінність полягає у змішуванні двох сигналів: QAM генерує сигнал з використанням двох коливань (синусного і косинусного) перед пересиланням, тоді як CAP здійснює цю операцію в цифровому вигляді, використовуючи два ортогональні цифрові смугові фільтри з тою самою амплітудою і фазовим зсувом 90°. Ередавач CAP не потребує гібридних кіл, оскільки він передає і приймає у двох різних смугах частот. Він також не потребує кіл вилучення еха і не дуже чутливий до NEXT. Однак модеми CAP мають додаткові кола, які називають адаптивними вирівнювачами.

Рис. 3. An xDSL Primer

Функція вирівнювача полягає у створенні дзеркального зображення дисторсії в лінії, обумовленої неоднорідносями в локальній петлі, які вимірюються протягом часу ініціалізації модема. Навіть враховуючи додаткові кошти вирівнювача, системи CAP простіші і менш дорогі для впровадження від систем для основної смуги частот.

Існують різні варіанти CAP-модуляції – від CAP4 до CAP64. Залежно від швидкості даних, які будуть пересилатися, а також від відстані, системи CAP можуть використовувати від 4 до 512 амплітудних і фазових станів для кодування даних.

Керуючим правилом для CAP4 є те ж, що й для модифікованої біфазової модуляції: перехід відбувається на початку біта, “1” приводить до переходу посередині біта, а “0” не викликає переходу. Для біфазової модуляції перехід починається на початку біта, “0” означає перехід посередині біта, а “1” не викликає переходу.

Рис. 4. An xDSL Primer

Для модуляції CAP вищих порядків формуючі фільтри замінюються синфазними і квадратурними фільтрами.

CAP як окрема передавальна система має певні переваги: вона наявна сьогодні для швидкості 1.544 Мб/с (T1) і, внаслідок своєї простоти, недорога. Недоліком її є те, що вона не є справжнім стандартом ANSI або ETSI.

Дискретна багатотонова модуляція (DMT) означає дискретну багатотонову модуляцію (Discrete Multitone Modulation) і описує версію модуляції багатьох носіїв, при якій вхідні дані збираються і тоді розподіляються на велику кількість малих індивідуальних носіїв, які називають бінами (bins). Бін має ширину 32 кГц, і кожен з них здатний переносити інформацію зі швидкістю до 64 кбіт/с. Це дозволяє мати теоретично максимальну швидкість пересилання 16 Мбіт/с, однак наявні схеми забезпечують максимум 12 Мбіт/с. DMT утворює ці канали, вживаючи цифрову техніку, відому як дискретне швидке перетворення Фур’є. Техніка лінійного кодування DMT є основою Рекомендацій ITU G.dmt, тепер ITU G.992.1, а також ключовою частиною стандарту ANSI T1.413, випуск 2. Крім того, ETSI опрацював додаток до цього стандарту, який може значно розширити його сприйняття.

DMT займає смугу між 26 кГц і 1.1 МГц, однак, як вже досліджено, смуга більшості чинних телефонних інсталяцій не перевищує 800 кГц, так що характеристики підканалів у високочастотній області цього діапазону можуть погіршуватися. Крім того, стандарт ANSI дозволяє завантаження 16 бітів на підканал, однак більшість наявних впроваджень завантажують підканал 8 бітами.

На відміну від CAP, де наявна смуга поділена для пересилання і приймання, DMT ділить спектр понад голосовим діапазоном на 256 каналів зі смугою 4 кГц кожен, які часто називають тонами. Біти в кожному біні індивідуально модулюються з використанням QAM для створення символів.

Рис. 5. An xDSL Primer

Кожен символ може займати від 0 до 15 біт/с/Гц. Це дозволяє пересилання до 60 кбіт/с/тон (15*4 кГц). Окремі впровадження дозволяють використовувати до 16 бітів на тон, збільшуючи загальну ємність до 60..64 кбіт/с/тон. При типовому завантаженні 8 бітами кожен підканал має максимальну перепускну здатність 32 кбіт/c. Далі, оскільки смуга поділена між пересиланням даних “вгору” і “вниз”, то досягаються такі швидкості даних:

· швидкість “вгору”= 20*8*4 кГц=640 кбіт/с

· швидкість “вниз”= 256*8*4 кГц=8.1 Мбіт/с

Ці значення досяжні лише теоретично, бо довжина локальної петлі, якість лінії, шуми тощо можуть зменшувати їх. У дійсності, 90% абонентів очікують досягнення швидкості пересилання “вниз” біля 1.5 Мбіт/с, якщо вони хочуть мати можливість приймати рухоме відео або, що більш важливо, мати максимально швидкий доступ до Internet.

Важливою властивістю DMT є здатність до вимірювання ємності каналу. Базуючись на відношенні сигнал/шум, модем DMT вирішує, котрі канали використати і скільки бітів пересилати на тон. Як і при CAP, при початку роботи здійснюється тестування передавальної здатності кожного підканалу. Дані, що поступають, подрібнюються на множини бітів і розподіляються особливим чином по підканалах відповідно до їх здатності передавання. Оскільки високочастотні сигнали в провідних кабелях допускають більші втрати при наявності шумів, більше даних поміщають при нижчих частотах.

Головною перевагою DMT єфакт, що це стандарт ANSI, ETSI та ITU. DMT має також недоліки: вона початково дорожча від CAP і дуже складна. Варіант DMT - дискретна багатотонова модуляція з короткою хвилею (Discrete Wavelet Multi-Tone - DWMT) є кроком вперед у складності та експлуатаційних характеристиках внаслідок створення значно кращої ізоляції між підканалами. Коли буде повністю завершене її опрацювання, DWMT може стати протоколом ADSL для вибору при передаванні на великі відстані в середовищах з високим рівнем завад. Інші версії DMT включно з cинхронізованою DMT і "блискавкою" будуть запропоновані для використання в VDSL. Схеми DMT і CAP несумісні.

ISDN

ISDN розглядають як послуги цифрової абонованої лінії. Технології ISDN xDSL мають деякі однакові характеристики:

· використовують чинну кабельну інфраструктуру телефонних компаній;

· здатності до якості послуг такі, як в цифрових каналах - низькі шуми, низькі завади, чітке передавання голосу;

· рівень безпеки цифрового зв'язку, який значно важче підслухати, ніж в традиційних аналогових системах.

Однак ISDN відрізняється від технологій xDSL тим, що це комутована послуга, при якій на обидвох кінцях необхідна підтримка ISDN, тоді як xDSL є доступом до послуг "пункт-пункт". ISDN також потребує зовнішнього живлення для виконання операцій. Для здійснення неперевних операцій замовник потребує резервну систему живлення або додаткової пари телефонних провідників. Навпаки, xDSL переносить власне живлення в лінії. Голос і дані в лінії розділені (мультиплексовані): голос передають на частотах до 4 кГц, а дані - на частотах понад 4 кГц. Якщо трапляється перерва у живленні, то передавання даних припиняється, але телефонія підтримується далі.

Іншою ключовою відмінністю є те, що ISDN вже дуже поширена, а сервіс-провайдери заінвестували ресурси і будівлі в інфраструктуру з наміром розвивати її далі. Оскільки модеми і термінальні адаптери ISDN простіші в конфігуруванні, ціни на обладнання замовників і тарифи зменшуються, то ISDN поширюється серед користувачів, які потребують доступу до Internet/intranet, віддалених LAN, авторизації кредиту і з'єднань з базами даних.

Вибір технологій DSL залежить від:

· вимог до ширини смуги;

· відстані до телефонної станції;

· обладнання сервіс-провайдера, встановленого на телефонній станції.

 

Технологія	Максимальна відстань від телефонної станції	Максимальна швидкість
ADSL / G.lite	~5.4 км	8 Мбіт/с “вниз”/ 1 Мбіт/с “вгору”
SDSL	~5.4 км	1.5 Мбіт/с симетрично
IDSL	~ 10.8 км	144 Мбіт/с симетрично
HDSL	~4.5 км	1.5 Мбіт/с симетрично
VDSL	~1.2 км	~50 Мбіт/с “вниз”/ ~8 Мбіт/с “вгору”