Technologie v metalických přístupových sítích Ing. Libor Michalek, Ph.D Tato přednáška je podporována projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ „Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT“

Definice přístupové sítě: – Přístupová síť je část telekomunikační sítě, která bezprostředně propojuje uživatele s poskytovatelem služby, např. Internetu. Rozdělení: – dle přenosového média 1.metalické (dvoudrátové vedení, koax. kabel,...) 2.optické vlákno 3.bezdrátové vedení – dle technologie 1.xDSL, DOCSIS,... 2.PON, FTTx,... 3.WLAN, WIMAX,...

xDSL nazývána jako „rodina“ DSL (Digital Subscriber Line) protokolů písmeno malé x definuje typ DSL – Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) – ISDN (like) Digital Subscriber Digital Line (IDSL) – Consumer Digital Subscriber LIne (CDSL) – Single High Speed DSL (SHDSL) – Rate-adaptive Subscriber Digital Line (RADSL) – Very High-bit Rate Digital Subscriber Line (VDSL) – Symmetric Digital Subscriber Line (SDSL) – Gigabit DSL (GDSL) nejvíce používané je ADSL, VDSL

Tab.: Vlastnosti nejběžnějších xDSL standardů

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Plná verze (Full) dle ITU-T G (g.dmt) Odlehčená verze (Lite) G (g.lite) používá existující dvoudrátové vedení pro vysokorychlostní přenos dat se zachováním služby POTS přenosové rychlosti až do 6 Mbps přenos je full duplex, používá se: – FDD (Frequency Division Duplex) upstream 25,875 kHz kHz downstream 138 kHz – 1104 kHz – nebo EC (Echo Cancellation) na nižších kmitočtech je výhodné umožnit překrývání spekter obou směrů (upstream, downstream) → k oddělení dochází na vidlici kompenzátor ozvěn odstraní nežádoucí signály pronikající (především vlivem nevyvážení vidlice) z výstupu přes vidlici na vstup

Obr. ADSL spektrum pásmo DSL a POTS jsou odděleny pásmovým filtrem, tzv. splitter

Obr. Architektura systému ADSL

hlavní komponenty sítě – DSLAM (DSL Access Multiplexer) obsahuje modem ATU-C (ADSL Transceiver Unit – Central) v rámci (lokace) ústředny poskytovatele slučuje hlasový provoz a DSL provoz na jednu telefonní linku (dvoudrát) pracuje na L2 vrstvě jako switch, funkce tzv. přístupového koncentrátoru k jednomu DLSAMu lze připojit až několik tisíc uživatelů, záleží na počtu portů dané karty – ADSL modem modem pro přípojku jako ATU-R (ADSL Transceiver Unit – Remote) k PC se připojuje přes Ethernet, popř. USB

ADSL (G.DMT) DMT je diskrétní multitónová modulace (DMT), pomocí které lze efektivněji řešit negativní vlivy nedokonalé přenosové cesty a také rušící vliv okolí na užitečný signál při přenosu symetrickým párem v metalické přístupové síti používá se frekvenční pásmo 26 kHz – 1,1 MHz, které se rozděluje do 256 nosných (tzv. BINS), se šířkou pásma jedné nosné 4,3125 kHz každý dílčí nosná je modulována pomocí nQAM, kde n je počet stavů modulace abychom nemuseli používat série filtrů a modulátorů (pro každý sub-kanál), tak se v DMT přenášený signál tvoří ve frekvenční oblasti vzájemná nezávislost jednotlivých subkanálů dovoluje, podle aktuálního poměru signálu a šumu (SNR), používat pro každý subkanál rozdílný počet stavů modulace QAM pokud je v nějakém frekvenčním pásmu výrazný zdroj rušení, může dojít k vynechání určitého sub-kanálu → flexibilní využívání spektra SNR musí být dostatečně velký, aby umožnil přenos s garantovanou hodnotou BER, jenž je stanovena na hodnotu při maximálním počtu bitů =15 na kanál může mít uspořádání 2 15 = stavů (v praxi se používá maximálně 12 bitů) = 4096QAM

Obr.: Ukázka upořádání jednotlivých bitů na jednotlivých subnosných

ADSL2 ITU-T G.992.3, G zvyšování rychlosti a dosahu zavedení flexibilní struktury rámce bez pevné délky = snížení režie adaptivní přizpůsobování přenosové rychlosti podle šumových poměrů zkrácená inicializace spojení adaptivní změny vysílacího výkonu → až 12 Mb/s obsazovat se může celé pásmo již od 1. subkanálu = upstream až 2Mb/s (Annex J) v G Annex L se používá zúžení upstream pásma kvůli eliminaci přeslechu NEXT na kmitočtovém přesahu na rozhraní pásem, zároveň je zúženo i pásmo downstream, protože na velké vzdálenosti se nevyužije kmitočtů blízkých 1 MHz

ADSL2+ dle ITU-T G rozšíření kmitočtového pásma do 2,208 MHz problém s útlumem kabelu na vysokých frekvencích → omezení délky přípojného vedení až 511 subnosných 24 Mb/s downstream proměnná přenosová rychlost bez rozpadu spojení (SRA – Seamless Rate Adaption) aktuální stav: – v ČR podpora přes 90% POTS přípojek – 47 % účastníků do 1 km

Obr. ADSL2+ spektrum

ADSL2++ horní kmitočet pásma až do 3,75 MHz až 811 nosných bylo v návrhu pro standard ITU-T, ale nyní se s ním nepočítá

VDSL Very-High-Data-Rate Digital Subscriber Line ITU-T G využití pásma až do 12 MHz → velké omezení vzdálenosti účastníka od poskytovatele na metalickém vedení → datový tok je z ústředny přiveden optickým kabelem do rozvaděče odkud se distribuuje k jednotlivým účastníkům po metalickém vedení asymetricky až 52 Mb/s downstream, 6,2 Mb/s upstream při maximální délce vedení 300 m použitelnost do 1500 m přípojného vedení použití: HDTV, vysokorychlostní připojení k Internetu

Obr.: Zařízení DSLAM (možné řešení) podporuje: ADSL2+, VDSL2, SHDSL (dle typ karet), POTS, FE, P2P, ISDN, GPON, GE

VDSL2 rozšíření kmitočtového pásma až do 30 MHz použitá modulace DMT dvojnásobná rozteč kanálů = 8,625 kHz maximální počet subnosných je 4096 pro krátké přípojky až 100 Mbit/s (teoreticky až 200 Mbit/s) Obr. Přehled systémů ADSL a VDSL

GDSL další vývojová varianta xDSL koordinované vysílaní systémů VDSL2 po několika účastnických vedeních současně sdružení několika účastnických vedení (bonding), po kterých jsou realizování přípojky VDSL2 do jednoho skupinového systému koordinované vysílání toků uplink i downlink → velmi efektivní potlačení rušení přeslechem v případě 50 párového kabelu s délkou 500 m od ústředny by bylo k dispozici cca 6 Gb/s symetricky

G.fast Proces standardizace zahájen v roce 2011, dokončení standardu ITU-T G.9701 je avizováno na duben 2014, řazen jako nástupce VDSL2, architektura systému se shoduje s architekturou systémů rodiny xDSL šířka pásma do 106 MHz, v budoucnu až do 212 MHz, 1,1 Gb/s na 70 m přípojného vedení, 800 Mb/s na 100 m přípojného vedení, předpoklad je provozovat G.fast na přípojkách s délkou vedení do 250 m a s průřezem vodiče do 0,5 mm, velké omezení představuje vliv přeslechů FEXT (Far-End Crosstalk), pro omezení těchto přeslechů se používá metoda Vectoring

Pro downstream směr se kompenzace FEXT provádí pomocí Pre-coder a to před samotnou modulací, zesílením a následným vysláním toku dat na přenosové médium, CPE zasílá k Pre-coderu informace o naměřené hodnotě FEXT a Pre-coder na základě této hodnoty FEXT kompenzuje Pro upstream směr je FEXT odstraněn pomocí FEXT Decoderu.

DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) DOCSIS je nejpoužívanější protokol pro přenos dat po kabelovém (koaxiálním) vedení (CATV) nebo prostřednictvím novějších rozvodů HFC (Hybrid Fiber Coax) v Evropě EuroDOCSIS protokol vyvinut společnostmi CableLabs, Broadcom, Cisco a Motorola princip: rozvody kabelové televize jsou použity jako přístupová síť kabelové rozvody (CATV) byly původně koncipovány pro jednosměrnou distribuci TV signálu → pro obousměrný provoz nutná výměna aktivních prvků (zesilovačů) v síti pro přenos v obou směrech

V rámci vývoje byly vyvinuty 3 verze standardů (1.0/2.0/3.0), které byly postupně standardizovány jako ITU-T standard J.112, J.122 a J.222. DOCSIS 1.x, 2.0 –pro upstream QPSK nebo 16-QAM, až 10,24 Mb/s –ve směru downstream nejčastěji 64-QAM nebo 256-QAM, až 50 Mb/s DOCSIS 2.0 –ve směru upstream 128-QAM, až 30,72 Mb/s –ve směru downstream 256-QAM, 50Mb/s DOCSIS 3.0 – spojování kanálů (channel bonding) – např. pro 24x8 downstream až 1200 Mb/s, upstream až 216 Mb/s DOCSIS 3.1 – není zatím ITU ratifikován, nicméně v říjnu 2013 vydala společnost CableLabs oficiální specifikaci pro fyzickou vrstvu a v březnu 2014 oficiální specifikaci pro MAC vrstvu

Obr. Architektura systému DOCSIS CM (Cable Modem) je připojen skrz síť, která je tvořena původním koaxiálním vedením s impedancí 75 Ω k CMTS (Cable Modem Termination System) HFC (Hybrid Fiber Coax) je tzv. hybridní přístupová síť CPE (Customer Premises Equipment) je vlastní zařízení, nejčastěji PC

CMTS (Cable Modem Termination System) je jádro celé technologie DOCSIS a je většinou umístěn v centrálním uzlu či odbavovacím centru poskytovale, CMTS zajišťuje: – vešekeré procedury spojené s přerozdělováním přenosové kapacity, řízením a dohledem datového provozu, – vytvoření OFDM toku a následnou modulaci signálu na koaxiální kabel NMS (Network Management System) - systém pro konfiguraci CMTS a CM (např. pomocí protokolu SNMP) Provisioning System - DHHCP, NTP apod.

Obr.: Referenční model DOCSIS

Fyzická vrstva – 5-85 MHz (podpora až do 204 MHz) pro upstream, – MHz (podpora až do 1794 MHz) pro downstream, – šířka pásma až 192 MHz, minimálně 24 MHz, – použit ochranný kód QC-LDPC (Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check), – použito nově OFDM/OFDMA s módem 4K (3840 nosných) a 8K (7680 nosných), – šířka jedné nosné 25 kHz nebo 50 kHz, – každý subnosný kanál je modulován pomocí QPSK, 16-QAM, 64-QAM, QAM, může podporovat až QAM, což vede ke zvýšení spektrální účinnosti až na 9b/s/Hz. Linková vrstva (MAC vrstva): – definuje strukturu rámce, – zajišťuje přesnou časovou synchronizaci mezi CMTS a CM (CM Synchronization) – zajišťuje přiřazení kapacity CMTS-CM pomocí Allocation MAP,

Budoucí trendy v přístupových sítích Budoucí rozvoj přístupových sítí lze jednoduše shrnout do několika bodů: – snižování počtu telefonních (POTS) a ISDN přípojek, – přechod na xDSL (VDSL2, G.fast?) – rozvoj mobilních sítí 4G, – rozvoj WLAN (IEEE n, MIMO), – přibližování k teoretické informační propustnosti (modulace, korekce, kódování, zabezpečení, prokládání), – stálý pokles významu ATM, – rozvoj Ethernetu (10 Gb/s, 40Gb/s, 100 Gb/s), – rozvoj multimédií (kombinace audio/data/video – Triple Play), – velký rozvoj metropolitních optických sítí, – rozvoj optických přístupových sítí (přípojky FTTx).

Děkuji za pozornost