Systémy xDSL - rozbor vlastností a aplikací

12.přednáška
Systémy xDSL - rozbor vlastností a aplikací
Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Systémy xDSL – přehled
-
efektivnější využití metalických dvoudrátových vedení v přístupových sítích Þ
Þ využití existujících telefonních vedení pro vyšší přenosové rychlosti
-
technologie xDSL (Digital Subscriber Line) → na rozdíl od telefonních modemů
řeší přenos pouze do místa nejbližší telefonní ústředny, kde musí být k
dispozici přístup do datové sítě
-
společným znakem digitálních účastnických přípojek (DSL) je relativně vysoká
přenosová rychlost dosahující řádově až desítek Mbit/s
-
do skupiny systémů xDSL patří:
-
IDSL (ISDN DSL)
HDSL (High-bit-rate DSL) → HDSL 2
SDSL (Symmetrical DSL)
SHDSL (Single-pair HDSL)
ADSL (Asymmetrical DSL) → ADSL Lite, ADSL, ADSL 2 a ADSL 2+
VDSL (Very-high-bit-rate DSL) → VDSL 2
2
Systémy xDSL – IDSL a HDSL
-
IDSL je nejstarším členem xDSL technologií → přenosová rychlost 128 kbit/s
bez možnosti změny, k oddělení směrů přenosu se používá metoda EC (Echo
Cancellation)
-
použití IDSL je v podstatě omezeno jen na přenos ISDN-BRA → přenos
v základním pásmu s použitím čtyřúrovňového linkového kódu 2B1Q
-
výhodou je skutečnost, že se nejedná o vytáčenou službu (Dial-up)
-
HDSL (ITU-T G.991.1) nabízí možnost přenosu obousměrného digitálního
toku E1 s rychlostí 2,048 Mbit/s v obou směrech po 2 nebo 3 párech
účastnického vedení (symetrické přenosové pásmo) → každé vedení nese dílčí
část datového toku (2 páry – polovina, 3 páry – třetina Þ snížení modulační
rychlosti), k oddělení směrů přenosu se používá metoda EC (Echo Cancellation)
-
systémy HDSL pracují v základním pásmu a přenášený signál je podroben
kódování 2B1Q, tzn. že bitový tok je rozdělen do dvojic bitů a každá dvojice je
následně vyjádřena jednou ze čtyř úrovní signálu
3
Systémy xDSL – HDSL a HDSL 2
-
příchozí datový tok je seskupen do tzv. aplikačních rámců, přenášený tok
(2,048 Mbit/s) se následně mapuje do tzv. Core Frame (CF), jejichž délka je
144 bytů a doba trvání je 500 ms → dále dojde k doplnění CF rámců o služební
a kontrolní bity a rovněž se přidají služební kanály → celkový datový tok
naroste na 2,3 Mbit/s a je následně rozdělen do dvou nebo tří směrů a
transceivery HDSL vyslán na vedení (při použití dvoupárové varianty je na
každém páru realizován přenos rychlostí 1168 kbit/s, při třípárové variantě je to
784 kbit/s
-
přípojky HDSL se nasazují již řadu let, přičemž se s nimi můžeme nejčastěji
setkat u připojení pobočkových ústředen a při realizaci pronajatých okruhů
-
nevýhoda spočívající v nutnosti použití dvou nebo tří metalických párů vedla
ke vzniku vylepšené verze HDSL → HDSL 2 Þ tato varianta využívá jednoho
symetrického páru a modulaci Trellis-Coded Pulse Amplitude Modulation
(TC-PAM), přenosové rychlosti jsou shodné jako v případě HDSL
4
Systémy xDSL – SDSL a SHDSL
-
SDSL a SHDSL (ITU-T G.991.2) jsou vývojovým pokračováním technologie
HDSL → přenos po jednom účastnickém vedení (2-dr.) oběma směry
-
efektivnějšímu využití dvoudrátového vedení přispěla šestnáctistavová pulsně
amplitudové modulace (16-PAM) s mřížkovým kódováním (TC) → ze čtyř
bitů, které se přenáší v jednom kroku se tři používají pro přenos uživatelské
informace a čtvrtý bit je využit pro kontrolu chyb, resp. zabezpečení
-
novou vlastností oproti HDSL je možnost pracovat i s nižší přenosovou
rychlostí než je maximální → nastavení maximální přenosové rychlosti je
možno provést automaticky při sestavování spojení v závislosti na parametrech
přenosového vedení nebo je možno ji ručně nastavit dle konkrétních
požadavků zákazníka → možné rozpětí rychlostí se pohybuje mezi 192 kbit/s
až 2,312 Mbit/s v krocích po 64 kbit/s (příp. 8 kbit/s)
-
u systémů SDSL a SHDSL se již předpokládá možnost přenosu více
úzkopásmových kanálů
5
Systémy xDSL – SDSL a SHDSL
-
pro snížení přeslechového rušení do sousedních párů nastavují modemy
SHDSL vysílací úroveň podle parametrů vedení na nejnižší přijatelnou
hodnotu pro dosažení dostatečného odstupu užitečného signálu od šumu
-
u systémů SDSL je možný provoz s časovým dělením kanálů (TDM) ale i
provoz ATM nebo TCP/IP → může existovat i smíšený provoz, lze např.
přenášet úzkopásmové kanály TDM a datový kanál v ATM
-
v masivním nasazení těchto technologií brání fakt, že každá z firem vyvíjí svůj
vlastní systém → nekompatibilita mezi systémy různých výrobců
-
tyto technologie však nepodporují současnou koexistenci s analogovou či
digitální telefonní přípojkou Þ neumožňují na jednom účastnickém
dvoudrátovém vedení současný přenos hovorového signálu v telefonním
kanálu a vysokorychlostních datových kanálů
-
koexistenci telefonních přípojek s vysokorychlostními datovými kanály
umožňuje až technologie ADSL
6
Systémy xDSL – ADSL - charakteristika
-
systémy ADSL umožňují na jednom účastnickém vedení koexistenci analogové
telefonní přípojky (varianta Annex A) zajišťující službu POTS (Plain Old
Telephone Service) → ADSL over POTS, resp. přípojky ISDN-BRA (varianta
Annex B) → ADSL over ISDN s vysokorychlostními datovými kanály
-
směrem od účastníka lze dosáhnout přenosové rychlosti až 1 Mbit/s, opačným
směrem až 8 Mbit/s (2.generace ADSL 2 až 12 Mbit/s, ADSL 2+ až 24 Mbit/s)
pomocí modulace s více nosnými DMT (Discrete Multi-Tone)
-
tato asymetrie přenosových rychlostí vychází ze samotného charakteru
širokopásmových služeb, jako je rychlý přístup do sítě Internet nebo video na
přání (Video-on-demand), kdy je zapotřebí přenášet větší objemy dat směrem
k účastníkovi
-
pro zajištění kmitočtového oddělení telefonního kanálu a vysokorychlostních
datových kanálů je nutné, s výjimkou varianty ADSL Lite (splitterless), instalovat
na obou stranách účastnického metalického vedení tzv. rozbočovače (splitter)
7
Systémy xDSL – ADSL – konfigurace přípojky
-
vysokorychlostní přenos digitálních signálů ADSL zajišťují ADSL modemy:
-
-
ATU-R (ADSL Termination Unit – Remote) na straně účastníka
ATU-C (ADSL Termination Unit – Central) na straně poskytovatele
modem na straně ústředny (ATU-C) je nejčastěji součástí účastnického
multiplexoru DSLAM (DSL Access Multiplexor), který soustřeďuje digitální toky
od všech přípojek v dané lokalitě
8
Systémy xDSL – ADSL - charakteristika
-
přípojka ADSL se vyskytuje v několika různých variantách a podle vlastností
vedení, na kterém se provozuje, může dosahovat různých parametrů
-
frekvenční pásmo 0 až 1,104 MHz je pro účely modulace DMT s mnoha
nosnými rozděleno do 256 subkanálů s kanálovou roztečí 4,3125 kHz
-
spodní část spektra je však využita pro telefonní kanál nebo kanál ISDN-BRA
Þ subkanály obsazené těmito signály se proto nevyužívají
-
základní dělení frekvenčního spektra ADSL je na následujícím obrázku, kde
jsou též vyznačeny základní varianty
-
zásadní rozdíl mezi plnou variantou podle doporučení ITU-T G.992.1 a
redukovanou verzí Lite podle doporučení ITU-T G.992.2 zvanou též splitterless
je v celkové šířce využívaného kmitočtového pásma → zatímco plná varianta
ADSL pracuje až do 1,104 MHz (ADSL2+ až do 2,208 MHz), zjednodušená
varianta vystačí s poloviční šířkou pásma do 552 kHz (využití jen 128 nosných)
Þ nižší dosahované přenosové rychlosti v sestupném směru (downstream)
9
Systémy xDSL – ADSL – kmitočtové pásmo
-
pro vyřešení přenosu datových toků v obou směrech na jednom vedení se používá
metoda frekvenčního dělení FDD (Frequency Division Duplex) s vyhrazenými pásmy
s dělícím kmitočtem 138 kHz, nebo metoda potlačení ozvěny EC (Echo Cancellation),
která umožňuje překrývání pásem obou přenosových směrů → rozšíření downstreamu
10
Systémy xDSL – ADSL – metody přenosu
-
pro vytvoření dvou nezávislých informačních kanálů se tedy v modemech
ADSL používá jeden z těchto dvou způsobů:
-
frekvenční dělení FDD (Frequency Division Duplex)
-
-
-
v tomto případě je všem kanálům přiděleno vlastní frekvenční pásmo → pro
upstream se v praxi (při současném provozu s POTS) využívá frekvenční
pásmo 25,875 až 138 kHz a pro downstream pásmo 138 až 1104 kHz
výhoda tohoto řešení spočívá v jednoduché implementaci do systému, naopak
nevýhoda je v méně efektivním využití kmitočtového spektra
metoda potlačení ozvěny EC (Echo Cancellation)
-
pro využití výhod menšího útlumu kabelu na nižších kmitočtech je výhodné
umožnit vzájemné překrývání se spekter obou kanálů → k jejich následnému
oddělení dochází na tzv. vidlici. Kompenzátor ozvěn odstraní nežádoucí
signály pronikající (především vlivem nevyvážení vidlice) vysílací části přes
vidlici do přijímacích obvodů. Tento způsob oddělení kanálů je složitější, ale
na druhou stranu přináší rozšíření frekvenčního pásma zpětného kanálu
11
Systémy xDSL – ADSL – modulace DMT
-
podle doporučení ITU-T G.992.1 je standardem pro použití ve spojitosti
s ADSL diskrétní vícetónová modulace (DMT)
-
princip DMT představuje rozdělení frekvenčního pásma na 256 paralelních
subpásem o nominální šířce 4,3125 kHz → jednotlivým takto vytvořeným
dílčím kanálům je přiřazen určitý počet bitů bi, který může být navzájem
rozdílný podle přenosových vlastností daného subkanálu → v tomto ohledu je
směrodatným parametrem odstup signálu od šumu (SNR), který musí být
dostatečně velký, aby umožnil přenos s garantovanou hodnotou bitové
chybovosti (BER), jenž byla stanovena na hodnotu 10-7 → v každém dílčím
kanále je pak signál zpracován kvadraturní amplitudovou modulací (QAM)
-
v extrémním případě, pokud je v nějakém frekvenčním pásmu výrazný zdroj
rušení, může dojít dokonce i k vynechání určitého subkanálu
-
tato varianta, jež umožňuje provádět změnu přenosové rychlosti bývá
označována jako RADSL (Rate-adaptive ADSL)
12
Systémy xDSL – ADSL – zpracování signálu
-
ADSL modem provádí vedle vlastní modulace DMT řadu dalších operací se
signálem, než je signál vyslán na vedení → snahou je maximum funkcí
realizovat digitálně pomocí signálových procesorů
-
zpracování signálu:
-
-
příchozí data jsou nejprve sestavena do rámce ADSL, vybavena CRC pro detekci
chyb, skramblována a zabezpečena v bloku FEC (Forward Error Correction) pro
následnou korekci chyb v přijímači
jednotlivé bity z ADSL rámce jsou následně rozděleny do subbloků a přiřazeny k
jednotlivým nosným v subkanálech → pro zajištění detekce stavů při mnohastavové
modulaci (DMT) se provádí mřížkové kódování (TC) → v DMT modulátoru se pro
každý subkanál provádí kvadraturní amplitudová modulace (QAM) tak, že se pro
kombinaci přenášených bitů vypočte stav reprezentovaný komplexním číslem → na
každou nosnou lze přiřadit 2 až 15 bitů, čemuž odpovídá až 215 (32768) stavů QAM
(viz konstelační diagram) → při modulační rychlosti 4 kBd může dosáhnout
přenosová rychlost až 60 kbit/s na subkanál → z frekvenční oblasti se signál
převede do časové oblasti na sled vzorků
13
Systémy xDSL – blokové schéma modemu ADSL
-
princip a blokové schéma DMT modulátoru a demodulátoru viz přednáška č.11
(Telefonní přístroje, modulační metody a telefonní modemy)
-
princip a blokové schéma metody EC (Echo Cancellation) viz přednáška č.7 (Sítě
ISDN – přepojování okruhů, typy přípojek, přenos dat)
-
skrambler a deskrambler → využití logické operace XOR a principu posuvného
registru → zabezpečení pseudonáhodnou posloupností
14
Systémy xDSL – význam operace skramblování
-
-
datové skramblery, resp. (deskramblery) jsou nutné proto, aby byla zajištěna
nezávislost posloupnosti výstupních dat (dat přenášených po vedení) a
vstupních dat → skramblováním se odstraňují dlouhé sekvence stejných
symbolů, které by mohli vést k existenci stejnosměrné složky v přenosovém
spektru (nežádoucí stav)
skrambler transformuje přicházející datové sekvence na pseudonáhodné
sekvence dat
skramblery, resp. deskramblery se používají na sériový datový tok bez
jakéhokoliv vztahu k vytváření struktury rámců nebo symbolové synchronizaci
15
Systémy xDSL – struktura sítě
-
přenos dat z účastnického modemu k poskytovateli služeb je u ADSL obvykle
řešen prostřednictvím protokolu PPP (Point-to-Point Protocol) a sdružovací
architektury PTA (PPP Terminated Aggregation)
16
Systémy xDSL – struktura sítě
-
přístupová síť od multiplexorů DSLAM ke směrovači PTA (širokopásmový
server) je založená na technologii ATM a používá protokolovou strukturu PPP
over ATM (PPPoA), PPP over Ethernet (PPPoE)
-
spojení PPP je ukončeno u poskytovatele připojení v serveru PTA, který
zajišťuje:
-
-
-
konfiguraci IP adres
autentifikaci uživatele
autorizace a účtování pomocí protokolu RADIUS
důležitým místem je tzv. agregační bod mezi serverem PTA a páteřní sítí,
řešenou např. technologií MPLS s hraničními směrovači (PE) → zde dochází
ke koncentraci datových toků
koncentrace je dána tzv. agregačním poměrem, který vyjadřuje, kolikrát je
nižší přenosová rychlost agregovaného toku oproti součtu smluvních
přenosových rychlostí všech účastníků připojených k danému agregačnímu
bodu
17
Systémy xDSL – struktura sítě
-
-
-
-
agregace se provádí separátně pro účastníky každého poskytovatele ISP a
odděleně pro skupinu účastníků s agregačním poměrem např. 1:50 či 1:20 pro
domácí uživatele
agregačním poměr je stanoven s ohledem na slučování toků od velkého
množství účastníků využívajících primárně běžné webové služby, z nichž určitá
část není v daném čase aktivní (nevyužívají datový spoj) a podstatná část
přenosu dat vykazuje dávkový charakter (sítě paketového typu)
každý poskytovatel připojení k Internetu (ISP – Internet Service Provider),
využívající přístupovou síť ADSL, má tak k dispozici pro každý agregační bod
celkovou přenosovou rychlost, která odpovídá součtu přístupových
přenosových rychlostí přípojky ADSL účastníků připojených k danému
agregačnímu bodu dělenou agregačním poměrem
pro každého poskytovatele ISP je zřízena v rámci MPLS sítě nezávislá privátní
síť (VPN – Virtual Private Network), do níž má přístup v přístupovém bodě (AP)
18
Systémy xDSL – struktura sítě
-
-
-
-
„spravedlivé přidělování prostředků sítě“ účastníkům se provádí pomocí
pravidel (Fair User Policy), v nejjednodušším případě např. zavedením
objemových limitů na přenesená data za určité období, případně rozlišením
provozu vyššími vrstvami RM-OSI (TCP/IP)
architekturu sítě využívající technologii ADSL je možné podstatně zjednodušit,
pokud se nepožaduje široká škála služeb od různých poskytovatelů připojení
NSP (Network Service Provider) → typicky se jedná o vysokorychlostní připojení
k Internetu k danému ISP nebo řešení v podnikových sítích
při přenosu se používá přímo IP protokol bez nutnosti protokolu PPP a roli
koncentrátoru DSLAM plní Ethernet přepínač (switch) s možností vytvářet
virtuální sítě VLAN
pro rozvody datové sítě je možné využít existující telefonní kabeláž, původní
telefonní přípojky zajišťované pobočkovou ústřednou jsou zachovány →
ADSL Ethernet přepínač spolu s ADSL modemy zajistí vzdálené připojení sítí
LAN k místnímu serveru a k páteřnímu směrovači
19
Systémy xDSL – struktura sítě ADSL
20
Systémy xDSL – VDSL
-
-
-
VDSL technologie je učena pro připojení posledního úseku účastnického
vedení (First Mile) v délce 0,3 až 1,5 km
vysokorychlostní datový tok z ústředny určený skupině účastníků je přiveden
optickým kabelem do rozvaděče (uspořádání sítě FTTC – Fiber To The Curb),
odkud se distribuuje k jednotlivým účastníkům po metalickém vedení
rozšířením spektra do 12 MHz oproti ADSL (VDSL 2 (až 30 MHz)) se
dosahuje přenosové rychlosti až 52 Mbit/s směrem k účastníkovi (100 Mbit/s
u VDSL 2) a až 6,4 Mbit/s v opačném směru při nesymetrickém provozu →
→ princip činnosti VDSL modemu s modulací DMT je obdobný jako u ADSL
při symetrickém režimu provozu je počítáno s rychlostí do 34 Mbit/s v obou
směrech
pro vytvoření nezávislých informačních kanálů se používá frekvenčního
multiplexu (FDM), při němž jsou obě přenosová pásma frekvenčně oddělena
→ je nutné brát v úvahu i množství nově se objevujících problémů na
vedeních, která nebyla konstruována pro přenos takto vysokých kmitočtů
21
Systémy xDSL – shrnutí parametrů xDSL
Označení
Typ
provozu
Rychlost
(Up/Down)
[Mbit/s]
Frekvenční
pásmo
[kHz]
Použitá
modulace,
kódování
Metoda
duplexního
přenosu
Dosah
[km]
DSL (IDSL)
symetrický,
duplexní
0,128/0,128
0 až 50
2B1Q
EC
cca 6
HDSL
symetrický,
duplexní
2/2
40 až 292
2B1Q
EC
2 až 3
SDSL
SHDSL
symetrický,
duplexní
2,3/2,3
0 až 384
2B1Q
16-PAM
EC
2 až 5
3 až 6
ADSL Lite
asymetrický
0,5/1,5
25 až 138
138 až 552
DMT, CAP
FDD, EC
cca 7
ADSL
ADSL 2
(ADSL 2+)
asymetrický
1/8
1/12
(1/24)
25 až 138
138 až 1104
(138 až 2208)
DMT,
QAM, CAP
FDD, EC
cca 8
cca 8
(cca 3)
VDSL
asymetrický,
symetrický,
duplexní
6,4/52
34/34
300 až 900
1200 až
30000
QAM,
DMT, CAP,
DWMT
FDD
0,3 až 1,5
22
Systémy xDSL a Ethernet
-
-
-
fyzickou vrstvu převzatou od xDSL používá i nově standardizovaná varianta
Ethernetu (IEEE 802.3ah) označovaná EFM (Ethernet in the First Mile)
byly vytvořeny dvě varianty pro metalická vedení EFMC (Ethernet in the First
Mile Copper):
pro větší vzdálenosti LR (Long Range) se používá technologie SHDSL a
rozhraní s označením 2BASE-TL s rychlostmi 2 až 5,696 Mbit/s na
vzdálenost do 2,7 km
pro kratší vzdálenosti SR (Short Range) se používá technologie VDSL a
rozhraní s označením 10BASE-TS s rychlostmi přenosu 10 až 100 Mbit/s
na vzdálenost do 750 m
pro vyšší rychlosti lze použít inverzní multiplex zahrnující až 32 vedení, mezi
které se rozloží datový tok → vrstva Ethernetu (MAC) pak musí zvládnout
dynamické přidělování párů (fyzické podvrstvy) a změnu rychlosti za provozu
předpokládaný vývoj nasazení Ethernetu nastiňuje následující obrázek
23
Systémy xDSL – vývoj od DSL k Ethernetu
24
Očekávaný rozvoj plně ethernetových služeb
-
z předchozího obrázku je zřejmé, že Ethernet se jednak bude postupně
prosazovat i v druhé míli a optika se postupně bude dostávat do přístupové sítě
a pozvolna nahrazovat metalická vedení a xDSL
Ethernet v první míli bude určen pro širokopásmové služby jak pro podnikové,
tak pro domácí uživatele
řešení navazující na nejrozšířenější a nejúspěšnější lokální síť má velkou naději
na rychlé rozšíření, protože nabízí:
-
-
známou a jednoduchou technologii
dostatečnou šířku pásma
snadnou rozšiřitelnost
snadnou instalaci a dodání služeb
nasazování systémů EFM nejprve prostřednictvím přípojek DSL → později
s protažením optiky do přístupové sítě přímo prostřednictvím optických
přípojek
25