VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací
Ing. Radim Číž
MODELOVÁNÍ A ANALÝZA PROVOZU SYSTÉMŮ DIGITÁLNÍCH ÚČASTNICKÝCH VEDENÍ MODELLING AND ANALYSIS OF DIGITAL SUBSCRIBER LINE OPERATION
Zkrácená verze Ph.D. Thesis
Obor:
Teleinformatika
Školitel:
Prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc.
Oponenti:
Prof. Ing. Florián Makáň, Ph.D. Ing. Václav Křepelka, Ph.D.
Datum obhajoby: 20. 11. 2008
KLÍČOVÁ SLOVA analytické modely, digitální účastnická vedení, spektrální kompatibilita, přeslechy, impulzní rušení
KEYWORDS analytic models, digital subscriber lines, spectral compatibility, crosstalks, impulse noise
DOKTORSKÁ PRÁCE JE ULOŽENA: Ústav telekomunikací FEKT, VUT v Brně Purkyňova 118 612 00 Brno Tel.: +420 541 149 190 Fax: +420 541 149 192
© Radim Číž, 2008 ISBN 978-80-214-3797-5 ISSN 1213-4198
Obsah 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU PROBLEMATIKY .................................... 5 1.1
Princip xdsl .......................................................................................................................... 5
1.2
Používané xDSL systémy .................................................................................................... 6
2 CÍLE DOKTORSKÉ PRÁCE ................................................................................. 7 3 MATEMATICKÝ MODEL PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ S xDSL SYSTÉMY ............... 8 3.1
Vložný útlum účastnického vedení ...................................................................................... 8
3.2
Přeslechy ............................................................................................................................ 11 3.2.1 Přeslechy na blízkém konci .................................................................................... 12 3.2.2 Přeslechy na vzdáleném konci ............................................................................... 12
4 ANALYTICKÝ MODEL PROVOZU xDSL SYSTÉMŮ ................................... 13 4.1
Popis uživatelského rozhraní a algoritmu hlavního programu........................................... 13
4.2
Bitová alokace a výpočet přenosové kapacity ................................................................... 16
5 EXPERIMENTY A VÝSLEDKY ........................................................................ 18 5.1
Měření na přenosových vedeních v přístupové síti............................................................ 18 5.1.1 Testovaná vedení.................................................................................................... 18 5.1.2 Měření na vedeních s ADSL modemy .................................................................... 19 5.1.3 Vyhodnocení výsledků měření na přenosových vedeních ...................................... 20
5.2
Výsledky simulací s modelem pro analýzu xDSL provozU .............................................. 20 5.2.1 Vliv délky vedení .................................................................................................... 20 5.2.2 Vliv přeslechů a spektrální kompatibilita .............................................................. 22
6 ZÁVĚR.................................................................................................................. 24 Seznam použité literatury .......................................................................................... 24 Curriculum Vitae ....................................................................................................... 25 Abstrakt...................................................................................................................... 27
3
1
PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU PROBLEMATIKY
Technologie digitálních účastnických vedení, obecně označované jako xDSL, umožňují několikanásobně zvýšit přenosovou kapacitu metalických přístupových sítí, což má pro jejich provozovatele klíčový význam. Zatímco totiž meziústřednová spojovací síť je v současné době realizována kabely s optickými vlákny, jednotliví účastníci jsou ke spojovacím systémům (HOST ústředna, vysunutá účastnická jednotka apod.) stále ještě z velké časti připojeni symetrickými dvoulinkami (kroucenými páry), sdruženými převážně ve vícepárových měděných kabelech s polyetylénovou nebo papírovou izolací. Náklady na tzv. poslední míli se některým telekomunikačním společnostem teprve začínají vracet ve formě výnosů za převážně poskytované, klasické telefonní služby (POTS). V souvislosti s rozvojem mobilních sítí však v této oblasti roste silná konkurence. Nákladné investice do infrastruktury přístupové sítě je tedy možné zhodnotit jedině nabídkou nových širokopásmových služeb, kterou umožňují právě xDSL technologie. Zavádění nových digitálních systémů do přístupové sítě, sebou nese určité problémy, především v oblasti vzájemné spektrální kompatibility jednotlivých systémů xDSL. Vzájemná spektrální kompatibilita je dána kvantifikací úrovně rušení, které produkuje na stejném kabelu jeden systém xDSL a ovlivňuje jiný systém xDSL. Porozumění vzájemné interakce mezi různými typy systémů xDSL je základem pro jejich racionální nasazování v přístupové síti a pro zajištění specifikované kvality služby, kterou poskytují. Řešení problémů vzájemné spektrální kompatibility lze do určité míry počítačově modelovat. Na základě údajů o nasazovaných a provozovaných systémech a parametrech přístupových vedení se vytvoří model, pomocí něhož se stanoví míra vzájemného ovlivňování nasazovaných systémů. Takto lze stanovit zda budou nasazované systémy provozuschopné. 1.1 PRINCIP xDSL Zkratkou xDSL se souhrnně označuje celá množina tzv. technologií digitálních účastnických vedení (Digital Subscriber Line). Na místo symbolu „x“ se dosazuje příslušné písmeno nebo písmena, podle konkrétního druhu technologie (např. HDSL, SDSL, ADSL apod.). Hlavní princip těchto technologií spočívá ve zvyšování přenosové kapacity metalických účastnických vedení využitím širšího kmitočtového pásma. To vyplývá z Shannonova vztahu (1.1), podle něhož je teoretická přenosová kapacita kanálu CT přímo úměrná jeho šířce pásma B.
S⎞ ⎛ CT = B ⋅ log 2 ⎜1 + ⎟ . N⎠ ⎝
(1.1)
Protože ani výkon přijímaného signálu S, ani výkon šumu N obvykle nejsou v celém kmitočtovém pásmu konstantní, je vhodnější uvádět obecnější tvar (1.2), který toto zohledňuje:
5
CT =
f max
∫
0
⎡ S( f ) ⎤ log 2 ⎢1 + ⎥ df . ⎣ N ( f )⎦
(1.2)
Výkon signálu ovlivňuje zejména vložný útlum vedení. Kvůli němu je výkonová úroveň signálu na přijímací straně, po průchodu vedením, podstatně nižší než na straně vysílací. Navíc vložný útlum je kmitočtově závislý, takže vyšší harmonické složky vysílaného signálu budou více utlumeny než složky s nižšími kmitočty. Za nejvýznamnější složky celkového šumu v xDSL systémech je možné považovat přeslechy. Jsou způsobeny pronikáním částí vysílaných signálů ze sousedních párů kabelu prostřednictvím elektrických vazeb. Podle polohy zdrojů rušícího signálu rozlišujeme přeslech na blízkém (NEXT) a na vzdáleném konci (FEXT), přičemž obě tyto rušící složky se na straně přijímače sčítají. Další složkou šumu je tzv. provozní šum způsobený činností aktivních a pasivních elektrických prvků vlastního přenosového systému a tepelným šumem. Má charakter aditivního Gaussova bílého šumu (AWGN), jehož konstantní výkonová spektrální hustota je oproti přeslechům relativně malá, v případě účastnických linek se pohybuje okolo hodnoty –140 dBm/Hz. [1] V kmitočtovém pásmu, ve kterém pracují xDSL systémy, působí také vysokofrekvenční rušení pocházející zejména od rozhlasových a dalších rádiových systémů s amplitudovou modulací. Vysokofrekvenční rušení ve většině případů není významné a má jen o málo vyšší úroveň než provozní šum. 1.2 POUŽÍVANÉ xDSL SYSTÉMY
Jednotlivé technologie vysokorychlostních digitálních účastnických vedení se od sebe liší zejména v použitých modulačních metodách a šířkách pásma. Na tom pak závisí charakter přenosu (symetrický nebo asymetrický) a dosažitelné přenosové rychlosti. Přehled nejznámějších variant xDSL systémů je uveden v následující tab. 1.1. Technologie IDSL (ISDN DSL), ADSL (Asymmetric DSL) a VDSL (Very high speed DSL) byly koncipovány tak, aby je mohly používat zvláště malé firmy a domácnosti, zejména pro přístup do sítě Internet. Přenosová rychlost u dvou posledně jmenovaných technologií je v dopředném směru k uživateli (downstream) několikrát vyšší než ve směru zpětném (upstream). Tato nesymetrie odpovídá faktu, že objem dat přenesených ze sítě k uživateli je také mnohem větší než v obráceném směru. U těchto technologií je rovněž možné současně s datovým spojením využívat i běžné telefonní služby nebo služby ISDN. Technologie HDSL (High bit rate DSL) a SHDSL (Single-pair High-speed DSL) jsou symetrické z hlediska přenosových rychlostí v jednotlivých směrech. Používají se např. pro připojení pobočkových ústředen, základnových stanic mobilních sítí apod. Běžně podporují rozhraní multiplexu PCM 1. řádu T1 / E1 (1544 / 2048 kb/s).
6
Tab. 1.1: Přehled xDSL systémů. Technologie
*
Přenosová kapacita [kb/s] Zpětná
Dopředná
IDSL
128
128
HDSL
1544, 2048
SHDSL**
Počet Koexistence Vzdálenost [km] párů s POTS/ISDN 1
ne
5,5
1544, 2048
1, 2, 3
ne
4,0*
192 – 2312
192 – 2312
1
ne
4,0*
ADSL
832
8192
1
ano
5,5
VDSL
2000 – 26000 13000 – 52000
1
ano
0,5
Typická překlenutelná vzdálenost bez použití opakovačů.
**
Údaje platí pro SHDSL podle původní verze doporučení G.991.2 z r. 2001 [2].
2
CÍLE DOKTORSKÉ PRÁCE
Hlavním cílem práce je zvýšení výkonnosti vysokorychlostních xDSL systémů prostřednictvím nově navržené metody pro testování jejich spektrální kompatibility. To, jak je daný systém výkonný určují zejména tyto parametry: • maximální přenosová kapacita při konstantní úrovni rušení a délce vedení, • maximální přenosová vzdálenost při pevně stanovené přenosové rychlosti a konstantní úrovni rušení, • maximální odolnost proti rušení vyjádřená dosaženou bitovou chybovostí (BER).
Uvedené parametry spolu vzájemně souvisí a jsou ještě navíc závislé i na celkovém vysílacím výkonu signálu. Proto je při jejich posuzování potřeba vzít v úvahu příslušné standardy, které pro jednotlivé systémy některé parametry přesně stanovují (většinou přenosovou rychlost a maximální vysílací výkon). Cesty vedoucí ke zvýšení výkonnosti vysokorychlostních DSL systémů jsou v zásadě tyto: • vylepšení procesu inteligentního zpracování signálu, který zahrnuje jednak vlastní modulaci, různé techniky zabezpečení proti chybám (např. dopředné korekční kódování) a eventuálně také i algoritmy optimalizace rozložení výkonového spektra, • dosažení optimální spektrální kompatibility.
Protože standardy technologií vysokorychlostních účastnických přípojek neposkytují příliš mnoho možností pro změny v používaných modulačních schématech a protichybových zabezpečovacích technikách, zabývá se tato práce zejména zajištěním optimální spektrální kompatibility těchto systémů.
7
Navržená metoda pro testování spektrální kompatibility je založena na vyhodnocovacím modelu implementovaném v prostředí MATLAB, který bere v úvahu specifické profily výkonové spektrální hustoty signálů jednotlivých xDSL systémů a jejich modifikací, vložný útlum použitého vedení, a přeslechy na blízkém a vzdáleném konci v závislosti na počtu a variantách rušících xDSL systémů.
3
MATEMATICKÝ MODEL PŘÍSTUPOVÉ SÍTĚ S xDSL SYSTÉMY
Jak již bylo zmíněno v kap. 1.1, největší vliv na dosažitelnou přenosovou rychlost mají vložný útlum vedení, což je vlastně opačná hodnota výkonového přenosu v decibelech, a přeslechová rušení. Méně se pak projevují bílý šum a zbytkový šum odrazů užitečného signálu na nehomogenitách vedení. 3.1 VLOŽNÝ ÚTLUM ÚČASTNICKÉHO VEDENÍ
Jednotlivé úseky, ze kterých se skládá účastnické vedení v přístupové síti a ve vnitřních rozvodech budov, lze z elektrického hlediska považovat za homogenní symetrické vedení s rovnoměrně rozloženými parametry. Nekonečně krátký úsek vedení (tzv. elementární), o délce dx je možné charakterizovat čtyřmi primárními parametry vztaženými na jednotku délky, kterými jsou měrný odpor R, měrná indukčnost L, měrný svod (vodivost) G a měrná kapacita C. V pásmu kmitočtů určeném pro původní telefonní služby se tyto parametry pro daný typ kabelu příliš nemění a lze je považovat za konstantní. Vysokorychlostní xDSL systémy však využívají pásmo mnohem širší , v případě VDSL2 dokonce až do 30 MHz, a proto je zde již nutno vzít v úvahu kmitočtovou závislost primárních parametrů. Představu o této závislosti poskytují grafy na obr. 3.1.
Obr. 3.1: Kmitočtová závislost primárních parametrů: a) R(f), L(f) b) G(f), C(f) . Existuje několik empirických modelů, které tuto závislost popisují. V Evropě jsou například používány modely společností Deutsche Telecom, KPN, Swisscom a další. (Podrobnější popis je uveden např. v [3].) Nejznámější je však třináctiparametrový model společnosti British Telecom, který umožňuje s dostatečnou
8
přesností aproximovat hodnoty primárních parametrů v pásmu desítek MHz, viz vztahy (3.1) až (3.4):
⎛ 1 R( f ) = ⎜ + ⎜4 4 2 R + a f c ⎝ oc L( f ) =
L0 + L∞ ⋅ ( f / f m )N b 1 + ( f / f m )N b
G( f ) = g 0 ⋅ f
N ge
Ros 4 ,
(3.1)
(3.2) (3.3)
,
C ( f ) = C∞ + C0 / f kde
4
−1
⎞ ⎟ , ⎟ + as f 2 ⎠
1
N ce
,
(3.4)
Roc a Ros (Ω/m) určují měrný stejnosměrný odpor, ac a as (Ω4/m4Hz2) představují nárůst měrného odporu se zvyšujícím se kmitočtem, L0 (H/m) je měrná indukčnost při kmitočtech blížících se k 0 Hz, L∞ (H/m) je měrná indukčnost při nejvyšších kmitočtech, fm (Hz) a Nb definují přechod mezi dvěma kmitočtovými pásmy, g0 (S/m) je měrný svod při kmitočtech blížících se k 0 Hz, Nge ovlivňuje strmost nárůstu měrného svodu při zvyšujícím se kmitočtu, C∞ (F/m) je měrná kapacita při nejvyšších kmitočtech, C0 (F/m) je měrná kapacita při kmitočtech blížících se k 0 Hz, Nce ovlivňuje strmost poklesu měrné kapacity s rostoucím kmitočtem.
Pro komplexnější hodnocení přenosových vlastností homogenního vedení se používají sekundární parametry, kterými jsou charakteristická impedance Z0 (Ω), udávající poměr napětí a proudu v každém místě vedení (3.5) a měrná míra přenosu γ (3.6).
Z0 ( f ) =
R ( f ) + jω L ( f ) = Z 0 ( f ) e jϕ ( f ) , G ( f ) + jω C ( f )
γ ( f ) = ( R( f ) + jωL( f )) ⋅ (G ( f ) + jωC ( f )) = α ( f ) + jβ ( f ) , kde
(3.5) (3.6)
|Z0| (Ω) je modul charakteristické impedance,
ϕ (rad) je argument charakteristické impedance, α (Np/m) je měrný útlum, β (rad/m) je měrný fázový posuv. 9
Řešením diferenciálních rovnic popisujících úbytky napětí a proudu na elementárním úseku vedení a provedením několika úprav, lze získat kaskádní rovnice (3.7) a (3.8), které vyjadřují vztahy mezi napětím a proudem na začátku (U1, I1) a na konci (U2, I2) vedení s celkovou délkou l. Odvození lze nalézt například v [4].
U1 = cosh(γ l ) U 2 + Z 0 sinh(γ l ) I 2 ,
I1 =
1 sinh(γ l ) U 2 + cosh(γ l ) I 2 . Z0
(3.7) (3.8)
Protože je účastnické vedení obyčejně složeno z několika úseků s různými primárními parametry (navíc se zde mohou také vyskytovat nezakončené odbočky), je vhodnější charakterizovat jej kaskádní maticí. Její prvky tvoří kaskádní parametry a, b, c a d, které jsou v rovnicích (3.7) a (3.8) vyjádřeny pomocí sekundárních parametrů Z0 a γ . Matici s kmitočtově závislými parametry pro úsek vedení uvádí vztah (3.9) a pro nezakončenou odbočku vztah (3.10).
⎡cosh (γ ( f ) ⋅ l ) Z 0( f ) ⋅ sinh (γ ( f ) ⋅ l )⎤ ⎥, A ú ( f , l ) = ⎢ sinh (γ ( f ) ⋅ l ) ( ) f l cosh γ ( ) ⋅ ⎢ ⎥ ⎣ Z 0( f ) ⎦
1 0⎤ ⎡ 1 ⎥. Ao ( f ,l) = ⎢ 1 ⎢ Z ( f ) ⋅ coth (γ ( f ) ⋅ l ) ⎥ ⎦ ⎣ 0
(3.9)
(3.10)
Výsledné kaskádní parametry celého účastnického vedení, složeného z celkem M dílčích úseků a nezakončených odboček, je pak možno získat součinem kaskádních matic úseků a odboček, jak uvádí vztah (3.11): ⎡ a ( f , l ) b( f , l ) ⎤ A( f , l ) = ∏ A m ( f , l ) = ⎢ ⎥. m =1 ⎣ c( f , l ) d ( f , l )⎦ M
(3.11)
Vložný útlum vedení AI, udávaný v decibelech, je definován jako absolutní hodnota poměru výkonů P1 dodávaného generátorem s vnitřní impedancí ZG do zakončovací impedance (zátěže) ZT přímo, tj. bez vloženého vedení, a P2, který je dodáván stejným generátorem do stejné zátěže přes vložené vedení, viz vztah (3.12). AI = 10 log
P1 U2 /Z = 10 log T2 T P2 U 2 / ZT
(3.12)
Po úpravě vztahu (3.12), s využitím kaskádních rovnic (3.7) a (3.8), získáme výsledný vztah (3.13), podle kterého je možné vypočítat kmitočtově závislý vložný útlum vedení dané délky z jeho kaskádních parametrů a, b, c, d a impedancí generátoru (zdroje signálu) ZG a zátěže ZT . [5]
10
AI = 20 log
a ( f , l ) Z T + b( f , l ) + Z G [c( f , l ) Z T + d ( f , l )] . ZG + ZT
(3.13)
3.2 PŘESLECHY Přeslech je obecně chápán jako rušení, které vstupuje do komunikačních kanálů, prostřednictvím elektrických vazeb. Na obr. 3.2 je znázorněn princip vzniku dvou typů přeslechů, tak jak jsou generovány ve vícepárových kabelech. Signál vysílaný do krouceného páru zdrojem, který se nachází na levé straně obrázku, generuje v ostatních párech kabelu přeslechové signály na blízkém (NEXT) a na vzdáleném konci (FEXT). Nepříznivé účinky NEXT jsou zpravidla daleko větší než účinky FEXT, protože úroveň rušení u něj není snížena vložným útlumem vedení.
Obr. 3.2: Princip vzniku přeslechů NEXT a FEXT. Při odhadu výkonové spektrální hustoty (PSD) přeslechů je potřeba vycházet z tvaru výkonových spekter signálů, které jsou generovány jednotlivými zdroji tohoto rušení. V doporučení ITU-T G.996.1 [6], jsou například definovány vztahy popisující charakteristické kmitočtové průběhy výkonové spektrální hustoty některých přenosových systémů, jenž představují nejvážnější hrozbu pro ADSL přenos. Pásmo kmitočtů, které je těmito systémy využíváno, totiž více či méně zasahuje do pásma ADSL, viz obr. 3.3. Jak je z obrázku patrné, např. signál ADSL vysílaný z modemu na ústřednové straně směrem k účastnickému modemu, bude nejvíce rušen přeslechem způsobeným přenosem PCM 1. řádu (E1) za použití linkového kódu HDB3 nebo AMI. V opačném směru bude na ADSL působit zejména přeslech pocházející od HDSL systémů, ať již se jedná o jejich třípárovou nebo jednopárovou (HDSL2) verzi.
11
Obr. 3.3: Výkonové spektrální hustoty vysílaných signálů různých zdrojů přeslechů.
3.2.1
Přeslechy na blízkém konci
Výkonovou spektrální hustotu rušení pocházející od sousedních přenosových systémů na blízkém konci NNEXT( f ) ve W/Hz, lze vypočítat podle vztahu: 2
N NEXT ( f ) = N dist. ( f ) ⋅ H NEXT ( f ) ,
(3.14)
kde Ndist.( f ) je výkonová spektrální hustota signálu rušícího systému ve W/Hz a |HNEXT( f )|2 je výkonová přenosová funkce, postihující vlastnosti elektrických vazeb, kterými rušící signál proniká. Charakter kmitočtové závislosti |HNEXT( f )|2 je pro různé případy stejný, mění se pouze velikost vazební konstanty KNEXT . Podle [6] lze k ověřovacím účelům použít model s padesátipárovým kabelem, jehož KNEXT ≅ 0,8536.10-14. n0,6, kde n je počet zdrojů rušení (maximálně 49). Výkonová přenosová funkce je potom: 2
H NEXT ( f ) = K NEXT ⋅ f 3 / 2 = 0,8536 ⋅ 10 −14 ⋅ n 0,6 ⋅ f 3 / 2 .
3.2.2
(3.15)
Přeslechy na vzdáleném konci
Pro výkonovou spektrální hustotu přeslechu NFEXT( f ) ve W/Hz na vzdáleném konci, platí vztah (3.16), který je obdobou vztahu (3.14). 2
N FEXT ( f ) = N dist. ( f ) ⋅ H FEXT ( f ) .
(3.16)
Výkonová přenosová funkce |HFEXT( f )|2, však v tomto případě musí kromě vazební konstanty KFEXT zahrnovat i délku vazební cesty l (m) a výkonovou 12
přenosovou funkci kanálu |HC( f )|2, protože toto přeslechové rušení je cestou zeslabeno vložným útlumem, viz rovnice (3.17). 2
2
H FEXT ( f ) = K FEXT ⋅ H C ( f ) ⋅ l ⋅ f 2 = = 2,54 ⋅ 10
− 20
⋅n
0, 6
2
2
(3.17)
⋅ HC ( f ) ⋅ l ⋅ f ,
kde n je počet zdrojů rušení (maximálně 49) [6].
4
ANALYTICKÝ MODEL PROVOZU xDSL SYSTÉMŮ
Analytický model, implementovaný v softwarovém prostředí MATLAB v7.1, umožňuje snadné vyhodnocení provozu xDSL systémů v přístupové síti. V úvahu je brána délka a typ použitého vedení, úroveň bílého šumu a zejména přeslechy na blízkém a vzdáleném konci od zvolené kombinace a počtu rušících xDSL systémů, které současně pracují na sousedních párech kabelu. To jsou nejvýznamnější vlivy, které v obou směrech determinují výslednou přenosovou kapacitu daného xDSL systému, což je hlavní hodnotící parametr používaný při analýze. Model například umožňuje snadno získat prvotní představu o tom, zda za daných podmínek, které v přístupové síti existují, bude přenosová kapacita určitého xDSL systému dostačující pro zamýšlenou vysokorychlostní službu. Otestování lze provést pro několik typických nastavení délek a typů vedení, a rušících systémů, které se v dané přístupové síti nejčastěji vyskytují. Není tedy nutné provádět ihned komplikovaná a časově náročná měření se skutečnými xDSL systémy. Model se také dobře uplatní při analýze spektrální kompatibility xDSL systémů a při kmitočtovém plánování. Je naprogramován tak, že je velmi snadno rozšiřitelný o nové přenosové systémy pracující s DMT modulací, takže bude k těmto účelům použitelný i v budoucnu. 4.1 POPIS UŽIVATELSKÉHO ROZHRANÍ A ALGORITMU HLAVNÍHO PROGRAMU
Pro komfortní ovládání implementovaného modelu bylo v prostředí MATLAB vytvořeno grafické uživatelské rozhraní, jehož náhled je na obr. 4.1. V prvním panelu shora se zadává délka použitého vedením, impedance generátoru (modemu), zakončovací impedance a je zde možné vybrat jeden z 15 podporovaných typů vedení. Druhý panel slouží k zadání hodnoty výkonové spektrální hustoty bílého aditivního šumu a počtu jednotlivých rušících přenosových systémů, instalovaných na sousedních párech kabelu. Třetí panel umožňuje výběr konkrétního xDSL systému, jehož analýzu chceme provést a zadat zisk použitého dopředného protichybového kódování a požadovanou šumovou rezervu.
13
Obr. 4.1: Grafické uživatelské rozhraní analytického modelu xDSL provozu. Implementovány jsou následující systémy: • ADSL over POTS, podle doporučení ITU-T G.992.1, Annex A, • ADSL over ISDN, podle doporučení ITU-T G.992.1, Annex B, • ADSL2 over ISDN, podle doporučení ITU-T G.992.3, Annex B, • ADSL2 ADM (plně digit. režim), podle doporučení ITU-T G.992.4, Annex B, 14
• ADSL2+ ADM, podle doporučení ITU-T G.992.5, Annex A, • ADSL2+ over POTS, podle doporučení ITU-T G.992.5, Annex A, • VDSL over ISDN plán A a B, verze FTTEx, podle doporučení ITU-T G.993.1, • VDSL2 plán B7-3 a B8-2, podle doporučení ITU-T G.993.2, Annex B. U všech ADSL verzí lze navíc volit mezi variantou s kmitočtovým duplexem (FDD) nebo s potlačením ozvěn (EC). Ve čtvrtém panelu jsou zobrazeny vypočítané přenosové kapacity pro oba směry přenosu. Tlačítkem START se výpočet spouští a tlačítkem RESET se nastaví výchozí hodnoty vstupních parametrů a vymažou se případné chybové poznámky zobrazené vedle neplatně zadaných hodnot. Algoritmus hlavního programu, jehož zdrojový kód je obsažen v souboru xdslmod.m, je znázorněn vývojovým diagramem na obr. 4.2. Po zadání vstupních parametrů vedení, zdrojů rušení a výběru xDSL systému se po stisku tlačítka START provede nejdříve kontrola, zda jsou tyto parametry zadány korektně a v povolených mezích. Jestliže ne, objeví se vedle editačního okénka s nesprávnou hodnotou nápis: „Neplatná hodnota!“ a program čeká na opětovné zadání a stisk tlačítka START. Jsou-li parametry správné, je volána funkce iloss, která vrátí vektor vypočítané závislosti vložného útlumu daného vedení na kmitočtu. Dále program pomocí funkcí psdnx a psdfx vypočítá vektory výkonové spektrální hustoty přeslechů na blízkém a vzdáleném konci pro všechny zadané rušící systémy. Z těchto výsledků a ze zadané hodnoty výkonové spektrální hustoty bílého šumu se prostým součtem vypočítají vektory celkového šumu na straně ústředny a na straně účastníka. Pak následuje výpočetně nejnáročnější část, prováděná funkcí btl, která vrací vektor bitové alokace, vektor odstupu signálu od šumu a hodnotu přenosové kapacity. Tato funkce je volána zvlášť pro každý směr přenosu (více v kap. 4.2). Nakonec jsou vypočtené hodnoty přenosových kapacit zobrazeny v příslušných okénkách grafického uživatelského rozhraní a jsou vykresleny grafy výkonové přenosové funkce kanálu, spektrálních hustot přeslechů na blízkém a vzdáleném konci, celkového šumu, grafy bitové alokace spolu s odstupem signálu od šumu v jednotlivých subkanálech pro oba směry přenosu a závislost bitové alokace na délce vedení pro dopředný směr přenosu.
15
Obr. 4.2: Vývojový diagram algoritmu hlavního programu. 4.2 BITOVÁ ALOKACE A VÝPOČET PŘENOSOVÉ KAPACITY
Diskrétní vícetónová modulace, kterou používají moderní xDSL systémy umožňuje kromě snadné implementace, především velmi efektivní využití vyhrazeného kmitočtového pásma. To je totiž rozděleno na množství úzkých ortogonálních subkanálů, jejichž přenosové funkce můžeme považovat za konstantní. Data jsou paralelně přenášena těmito subkanály, přičemž počet bitů na symbol přenášených daným subkanálem závisí na odstupu signálu od šumu na straně přijímače a požadované hodnotě bitové chybovosti podle vztahu: 2⎞ ⎛ ( ) ( ) ⋅ S i H i 3 T C ⎟, n(i ) = log 2 ⎜1 + 2 ⋅ ⎜ ⎟ N (i ) ∆ ⎝ ⎠
(4.1)
kde výraz ST(i) ⋅ |HC(i)|2 / N(i) je poměr signálu k šumu v i-tém subkanále a ∆ se vztahuje k požadované bitové chybovosti. Podle distribuční funkce Gaussova rozložení vychází například pro chybovost 10-7 hodnota ∆ rovna 5,333.[7]
16
10 − 7 =
2 log 2 2π
2
∞ −x e 2
∫
dx .
(4.2)
∆
To znamená, že výraz 3/∆2 představuje vlastně ztrátu o velikosti asi 9,8 dB, kterou odečteme od hodnoty odstupu signálu od šumu v daném subkanále. Dále se ještě počítá s určitou šumovou rezervou ANM (obyčejně asi 6 dB), kvůli prostoru pro kolísání úrovně šumu během přenosu, se ziskem dopředného protichybového kódování γ (asi 4 dB) a se ztrátou ACP (přibližně 0,28 dB) způsobenou použitím cyklické předpony v DMT modulaci. Vztah (4.1) pro výpočet alokovaných bitů je tedy možno upravit do tvaru: 2⎞ ⎛ ( ) ( ) ⋅ S i H i T C ⎟, n(i ) = log 2 ⎜1 + ⎜ ⎟ N (i ) ⋅ Γ ⎝ ⎠
kde Γ
9,8 + ANM − γ + ACP 10 = 10
(4.3)
.
Výkonovou spektrální hustotu vysílaného signálu ST(i) (W/Hz) v daném subkanále lze zpětně vypočítat z počtu alokovaných bitů b(i), výkonové spektrální hustoty šumu N(i) (W/Hz), výkonového přenosu kanálu |HC(i)|2 a konstanty Γ podle vzorce (4.4) a celkový výkon vysílaného DMT signálu P (W) podle vzorce (4.5). S T (i ) =
Γ ⋅ N (i ) ⋅ [2b(i ) − 1] H C (i )
2
,
I
P = vm ⋅ ∑ S T (i ) ,
(4.4) (4.5)
1
kde vm (Bd) je modulační rychlost a I je celkový počet subkanálů. Výsledná přenosová kapacita CT systému s DMT modulací, je pak dána součinem modulační rychlosti a počtu alokovaných bitů ve všech subkanálech I
CT = vm ⋅ ∑ n(i ) .
(4.6)
1
Výpočet bitové alokace, spektrální hustoty vysílaného signálu a přenosové kapacity provádí v naprogramovaném modelu funkce btl. Jejími vstupními parametry jsou vektor vložného útlumu vedení, vektor celkového šumu v jednotlivých subkanálech, minimální a maximální počet bitů v jednom subkanále, zisk kódování, požadovaná šumová rezerva a zvolená varianta xDSL systému. Algoritmus funkce, který je založen na výše uvedených vztazích, je stejný pro všechny xDSL systémy podporované tímto modelem. Liší se jen v počtu subkanálů, které jednotlivé systémy používají, ve spektrálních maskách, které definují
17
maximální hodnotu výkonové spektrální hustoty a v maximálních povolených hodnotách celkového výkonu.
vysílaného
signálu
Nejdříve se přiřadí minimální počet bitů každému subkanálu. Podle vzorce (4.4) je vypočítán vektor výkonové spektrální hustoty vysílaného signálu a následně také vektor odstupu signálu od šumu a celkový výkon vysílaného signálu podle vzorce (4.5). Nyní se porovnají vypočítané hodnoty výkonové spektrální hustoty s hodnotami spektrální masky daného xDSL systému. Jestliže v některém subkanále je výkonová spektrální hustota vysílaného signálu větší, než hodnota daná spektrální maskou, sníží se zde počet bitů o jeden. V případě, že počet bitů by byl menší než minimální, nealokují se v tomto subkanále žádné bity a přenos v něm neprobíhá. Počet bitů se sníží o jeden také v subkanálech, kde je hodnota odstupu signálu od šumu menší než požadovaná šumová rezerva. Jestliže celkový výkon vysílaného signálu přesáhne maximální hodnotu, která platí pro daný xDSL systém, sníží se počet bitů v subkanále s nejnižším odstupem signál – šum a vypočítá se výsledná přenosová kapacita podle vzorce (4.6). V opačném případě se počet bitů zvýší o jeden ve všech subkanálech, kde v předchozím kroku nedošlo ke snížení počtu bitů a kde počet bitů již nedosáhl maximální hodnoty. Dále se algoritmus opakuje v příslušném cyklu while výpočtem vektoru výkonové spektrální hustoty vysílaného signálu, vektoru odstupu signálu od šumu a celkového vysílacího výkonu a následnou kontrolou, až dokud není poprvé překročena hodnota celkového vysílacího výkonu a vypočítána výsledná přenosová kapacita.
5
EXPERIMENTY A VÝSLEDKY
Tato kapitola popisuje měření a jejich výsledky provedené jednak se skutečnými xDSL modemy v laboratorních podmínkách a na reálných kabelech ve veřejné přístupové síti, a dále jsou zde shrnuty i výsledky simulací s vytvořeným modelem pro analýzu xDSL provozu. 5.1 MĚŘENÍ NA PŘENOSOVÝCH VEDENÍCH V PŘÍSTUPOVÉ SÍTI
Pro účely měření byla použita tři reálná vedení v přístupové síti s běžným telekomunikačním provozem a jedno samostatné referenční vedení, které nebylo rušeno žádným paralelním přenosovým systémem. Měření bylo rozděleno na dvě fáze. Nejprve byly proměřeny parametry vedení, kmitočtové charakteristiky jejich vložných útlumů a výkonové přenosové funkce přeslechů. V další fázi pak byly na jednotlivá vedení připojeny dvojice ADSL modemů a měřeny dosažené parametry v různých podmínkách přeslechového rušení. 5.1.1
Testovaná vedení
Základní parametry jednotlivých testovaných vedení jsou v tab. 5.1. Délky byly jednak stanoveny na základě známé kabelové struktury a také změřeny pomocí
18
kvalifikátoru xDSL CableSHARK metodou TDR. Stejným přístrojem bylo provedeno i měření měrného odporu R a měrné kapacity C. Tab. 5.1: Parametry testovaných vedení. Označení
Pracovní název
R [Ω/km]
C [nF/km]
l [m]
TL#1
dlouhé
213,5
38,85
5200
TL#2
střední
175,6
121,9
1600
TL#3
krátké
218,6
69,3
215
TL#4
referenční
185,6
71,6
1000
Relativně nízký měrný odpor a vysoká měrná kapacita u vedení TL#2, jsou důsledkem zkrácení původního dlouhého vedení TL#1 propojkou přibližně v jedné třetině jeho délky, přičemž zbývající část nebyla odpojena. Pro měření kmitočtových charakteristik vložných útlumů byl použit spektrální analyzátor HP 3589A, připojený k vedení přes vysokoimpedanční vazební obvod s transformátorem 1901BA. Výkonové přenosové funkce přeslechů typu NEXT mezi vedeními TL#1 a TL#3, byly naměřeny přístrojem CableSHARK. Ve všech případech se útlum přeslechu pohybuje v hrubém rozmezí 40 – 60 dB. Na obou koncích dlouhého vedení TL#1, byla rovněž přístrojem CableSHARK změřena výkonová spektrální hustota šumu, který sem proniká zvnějšku. Zřetelně se zde projevuje blíže neidentifikované úzkopásmové rušení v okolí kmitočtu 900 kHz a přístroj také signalizoval pravděpodobné přeslechové rušení od základní přípojky ISDN. Jinak se výkonová spektrální hustota šumu pohybovala okolo hodnoty –130 dBm/Hz. 5.1.2
Měření na vedeních s ADSL modemy
Na testovaných linkách TL#1 až TL#4 bylo celkem provedeno 23 měření tohoto typu. Lze je rozdělit na měření bez rušícího systému na sousedním páru (port 3/4) a s rušícím systémem. Rušícím systémem byly jiné ADSL modemy nebo MSDSL modemy. Protože se u vedení TL#1, které se nachází v přístupové síti s běžným provozem, projevuje rušení z vedlejších párů, lze předpokládat tento vliv i v případě měření bez uměle dodaného rušícího systému. ADSL technologie byla zkoušena při použití kmitočtového oddělení přenosových kanálů (FDD) i při částečném sdílení kmitočtového pásma u metody s potlačením ozvěn (EC). K získání parametrů přenosu bylo využito vývojových kitů ADSL modemu KeyWave firmy Fujitsu, neboť umožňují oproti klasickým modemům rozsáhlejší diagnostiku. Zpracování výsledků bylo provedeno v programovém prostředí Matlab. Pouze pro srovnání byla část měření realizována se sériově vyráběnými modemy SpeedTouch Home firmy Alcatel a simulátorem DSLAMu Emutel Maestro, osazeným stejnou čipovou sadou DynaMiTe (Alcatel). 19
5.1.3
Vyhodnocení výsledků měření na přenosových vedeních
Realizovaná měření prokázala provozuschopnost ADSL systému i na tak mimořádných vedeních jako je TL#1 o celkové délce 5,2 km, které se skládá z 50 úseků kabelů různých délek a průměrů. Prokázal se zásadní vliv přeslechu na blízkém konci NEXT na dosaženou přenosovou rychlost. V tomto ohledu, dle teoretických předpokladů, mělo kmitočtové oddělení směrů přenosu (FDD) lepší vliv na přenosovou kapacitu ve zpětném směru než metoda potlačení ozvěn (EC), nicméně duplexní režim s EC umožňuje podstatně zvýšit přenosové rychlosti na velmi dlouhých vedeních v dopředném směru a to průměrně o 70 %, při současném snížení rychlosti ve zpětném směru v průměru o 20 %. To je zapříčiněno tím, že na velmi dlouhých vedeních nejsou vyšší kmitočty vůbec využity k přenosu dat. Na krátkých vedeních, kde přeslech na blízkém konci může mít dominantní vliv na přenosovou kapacitu (zejména ve zpětném kanálu) je žádoucí použití spíše kmitočtového oddělení. To je také vhodnější, kvůli odolnosti proti přeslechu NEXT pocházejícího od sousedních ADSL systémů. Měření dále prokázala velice špatnou spektrální kompatibilitu technologií ADSL a MSDSL, kvůli vysoké úrovni vysílacího výkonu MSDSL. Během přenosu navíc tato úroveň dosti prudce kolísá. Toto chování zpravidla vedlo k rozpadu spojení ADSL modemů a zcela znemožnilo jeho provoz. MSDSL technologie však není primárně určena pro použití na domácích účastnických přípojkách veřejné telefonní sítě a její častější výskyt v přístupové síti se tedy nepředpokládá. Měření přenosových parametrů ADSL v podmínkách rušení způsobeného provozem MSDSL, bylo praktickým příkladem nekompatibility některých xDSL systémů s ADSL. Vždy je proto nutné provést pečlivou analýzu aktuálního stavu dané přístupové sítě a pokusit se odhadnout budoucí míru její penetrace jednotlivými digitálními přenosovými systémy. Na základě těchto údajů a například s pomocí navrženého vyhodnocovacího modelu pro analýzu xDSL provozu (viz kap. 4 ), je pak potřeba vytvořit konkrétní kmitočtový plán, který by zaručil spektrální kompatibilitu používaných systémů. 5.2 VÝSLEDKY SIMULACÍ S MODELEM PRO ANALÝZU xDSL PROVOZU
Vytvořený analytický model posloužil především k vyhodnocení rušivých vlivů na provoz nejmodernějších přenosových systémů založených na vícetónové modulaci. Jednotlivá nastavení podmínek simulací vycházela ze dvou základních cílů prováděné analýzy. Jednalo se o posouzení vlivu délky vedení a vlivu přeslechů na přenosovou kapacitu zkoumaných xDSL systémů. 5.2.1
Vliv délky vedení
Pro tento typ simulací bylo zvoleno měděné vedení o průměru 0,5 mm označené jako ETSI05. Ve všech případech bylo počítáno pouze s rušením aditivním bílým 20
šumem o hodnotě –140 dBm/Hz. Výsledky jsou vidět na obr. 5.1 a obr. 5.2. Je zde znázorněna závislost maximální dosažitelné přenosové rychlosti systémů ADSL, ADSL2+, VDSL a VDSL2 na délce vedení. Z grafů jasně vyplývá, že systémy VDSL a VDSL2 dosahují přenosové rychlosti až 100 Mb/s (dle použitého kmitočtového plánu), ale použitelné jsou pouze do vzdálenosti max. 2 km. Naproti tomu systémy ADSL a ADSL2+ dosahují nižších přenosových rychlostí, avšak dokáží překlenout větší vzdálenost, až do asi 7 km, a pro vedení s větším průměrem i více. Toto jsou tedy dva hlavní parametry limitující použití těchto systémů. Při vzájemném porovnání systémů ADSL a ADSL2+ je patrné, že ADSL2+ může dosáhnout až dvojnásobku přenosové rychlosti ADSL, ale pouze do určité délky vedení. Poté je útlum kabelu v kmitočtovém pásu nad standardním pásmem ADSL (tj. > 1,104 MHz), již tak velký, že zde nedochází k žádné alokaci bitů a pro přenos se používají pouze subkanály ve spodní části pásma. V případě vedení ETSI05 nastává tento zlom pro délku asi 3 km. Tato závislost ovšem platí pouze pro dopředný směr přenosu, neboť pro zpětný směr využívají obě technologie stejné pásmo a dosahují tedy i stejných přenosových rychlostí. V souladu s teorií, je u obou technologií ovlivněna maximální dosažitelná přenosová rychlost také způsobem oddělení směrů přenosu. Při použití metody potlačení ozvěn (EC) je přenosová rychlost v dopředném směru vyšší než v případě kmitočtového duplexu (FDD). Ve zpětném směru k této disproporci nedochází. Nejvyšší přenosové kapacity dosahuje pak systém ADSL2+ pracující v plně digitálním režimu (ADM).
Obr. 5.1: Závislost přenosové rychlosti systémů ADSL a ADSL2+ na délce vedení. Při porovnání technologií VDSL a VDSL2 závisí přenosová rychlost na použitém kmitočtovém plánu. Jednotlivé plány se odlišují hraničními kmitočty pásem pro dopředný a zpětný směr přenosu, vysílacími maskami signálu, maximálními hodnotami celkového průměrného vysílacího výkonu a maximálního vysílacího výkonu pro každý směr. V případě VDSL existují plány A a B. Ze závislostí na 21
obr. 5.2 vyplývá, že plán A se hodí spíše pro nesymetrický provoz. Naopak plán B, kvůli menšímu rozdílu mezi přenosovými rychlostmi v obou směrech přenosu, vyhovuje spíše požadavkům, kladeným na symetrický provoz. V případě VDSL2 je situace ještě složitější, protože podle standardu ITU-T G.993.2 [8] existuje několik odlišných kmitočtových plánů pro Severní Ameriku, Evropu a Japonsko. Evropský standard využívá pouze pásmo do 12 MHz, proto se přenosové rychlosti příliš neliší od původní verze VDSL, ale například v Japonsku je horní mezní kmitočet pásma 30 MHz a systémy VDSL2 tak mohou dosahovat mnohem vyšších přenosových rychlosti.
Obr. 5.2: Závislost přenosové rychlosti systémů VDSL a VDSL2 na délce vedení. 5.2.2
Vliv přeslechů a spektrální kompatibilita
Další provedené simulace byly zaměřeny na posouzení vlivu přeslechového rušení na přenosovou rychlost systémů ADSL, ADSL2+ a VDSL podle kmitočtového plánu A. Ve všech třech případech, byly nastaveny totožné podmínky (kabel ETSI05 a aditivní bílý šum o výkonové spektrální hustotě –140 dBm/Hz). Závislosti přenosové rychlosti na délce vedení byly počítány postupně pro různé varianty rušících systémů, které mohou být v přístupové síti současně provozovány na sousedních párech daného kabelu. Vzájemná spektrální kompatibilita různých přenosových systémů v přístupové síti je přehledně shrnuta v tab. 5.2. Ze simulací vyplývá několik zásadních poznatků důležitých pro nasazování xDSL systémů v přístupových sítích. Z pohledu výběru přenosové technologie jsou jistě nejdůležitějšími parametry požadovaná přenosová rychlost a vzdálenost koncového účastníka od poskytovatele. Při volbě adekvátní technologie je často nutné jeden z těchto parametrů upřednostnit. Pro vysoké přenosové rychlosti (až desítky Mb/s) a krátké vzdálenosti (asi do 1,5 km) je
22
výhodné nasazení systému VDSL nebo VDSL2, přičemž podle požadavku na charakter konkrétní služby pro zákazníka je možné zvolit variantu vhodnější pro symetrický nebo naopak nesymetrický provoz. Pro delší vzdálenosti je vhodnější řešení pomocí systému ADSL2 nebo je možné zvolit systém ADSL2+, který z hlediska překlenutelné vzdálenosti a přenosové kapacity stojí mezi ADSL a VDSL. Je nutné podotknout, že přenosovou rychlost ovlivňují kromě délky vedení i průměry použitých kabelů přenosové cesty, jejich technický stav, kvalita spojů a případné odbočky na vedení. Tab. 5.2: Spektrální kompatibilita v přístupové síti s xDSL systémy. Rušící systém Rušený systém DWN ADSL (EC) UP
VDSL
HDSL
E1
UP
ADSL2+
VDSL2
ADSL (FDD)
DWN
ADSL (FDD)
VDSL
ADSL (EC)
DWN UP DWN UP DWN UP
Sousedící systém ruší jen velmi málo nebo vůbec a má proto jen minimální vliv na přenosovou rychlost rušeného systému. Přeslechové rušení, které je produkováno sousedícím systémem, má za následek určitý pokles přenosové rychlosti rušeného systému, který však není kritický. Výkonová úroveň signálu sousedícího systému a poloha kmitočtového pásma jsou příčinou přeslechů, které téměř znemožňují přenos dat rušeným systémem. Z pohledu spektrální kompatibility obecně není problém vybrat a současně v přístupové síti provozovat vzájemně přizpůsobené varianty systémů ADSL s kmitočtovým duplexem a VDSL. Vždy však zde budou negativně působit přeslechy na vzdáleném konci, což při velkém počtu těchto systémů provozovaných na sousedních párech stejného kabelu může mít za následek snížení jejich přenosové kapacity. Zvláště nevhodné je kombinovat provoz moderních systémů s diskrétní 23
vícetónovou modulací (ADSL, VDSL) a systémů konstrukčně starších, jako je například HDSL. S výjimkou systému IDSL, který je na fyzické vrstvě totožný se základní ISDN přípojkou, nejsou tyto systémy spektrálně kompatibilní. Negativní vliv přeslechového rušení je možné snížit dynamickým přizpůsobováním vysílaného výkonu provozovaných systémů na takovou úroveň, která postačuje k přenosu dat požadovanou rychlostí. Tato velmi užitečná vlastnost je implementována v systémech ADSL2, ADSL2+, VDSL a VDSL2. Jako perspektivní řešení se také jeví zavádění metod dynamické správy spektra v přístupové síti právě za účelem minimalizace rušení od okolních provozovaných zařízení.
6
ZÁVĚR
Tato doktorská práce se týká aktuální problematiky spektrální kompatibility systémů digitálních účastnických vedení. Zaměřuje se hlavně na matematické modelování a následnou analýzu provozu těchto systémů v přístupové síti, ale jsou zde popsána i praktická měření a jejich výsledky, která byla pro tento účel také realizována. Podstatná část je věnována matematickému popisu jednotlivých vlivů na přenosovou kapacitu xDSL systémů při jeho provozu v přístupové síti. Jsou zde detailně rozebrány zejména nezbytné vztahy popisující kmitočtovou závislost použitého vedení a přeslechů na blízkém a vzdáleném konci. Tyto vztahy tvoří základ analytického modelu, který byl implementován v softwarovém prostředí MATLAB, a který umožňuje na základě zadaných parametrů vedení, typu a počtu rušících systémů odhadnout průběh odstupu signálu od šumu v kmitočtovém pásmu konkrétního xDSL systému s diskrétní vícetónovou modulací a vypočítat jeho přenosovou kapacitu za těchto podmínek. Díky širokým možnostem nastavení parametrů přenosu, pohodlnému ovládání prostřednictvím grafického uživatelského rozhraní a hlavně téměř okamžitému zobrazení výsledků, je možné tento model s výhodou využít pro analýzu spektrální kompatibility nových xDSL systémů nasazovaných v přístupové síti. Pomocí výsledků této analýzy lze optimalizovat rozložení výkonové spektrální hustoty vysílaných signálů tak, aby bylo dosaženo maximálního využití přenosové kapacity digitálních účastnických vedení. Není tedy nutné za tímto účelem realizovat velké množství ověřovacích měření v přístupové síti a složitě přitom zjišťovat limitní provozní podmínky. Navržený model, který je možné snadno rozšiřovat i o další, nově standardizované xDSL systémy, tím otevírá nový, sofistikovanější přístup ke kmitočtovému plánování v moderních přístupových sítích, což je zřejmě hlavním přínosem této práce. V závěru jsou popsány provedené experimenty a shrnuty výsledky, zjištěné jak praktickým měřením, tak i simulacemi na vytvořeném modelu. Výsledky simulací s analytickým modelem, vedly k závěrům týkajících se spektrální kompatibility xDSL systémů, které byly formulovány v kap. 5.2.2. Ty se shodují s teoretickým předpoklady a odpovídají i závěrům vyvozeným z praktických měření.
24
Seznam použité literatury [1]
International Telecommunication Union (ITU-T). Recommendation G.996.1: Test procedures for digital subscriber line (DSL) transceivers. [Ženeva]: ITU-T, 1999. 74 s.
[2]
International Telecommunication Union (ITU-T). Recommendation G.991.2: Single-pair high-speed digital subscriber line (SHDSL) transceivers. [Ženeva]: ITU-T, 2001. 149 s.
[3]
BRINK, R. F. M. Cable reference models for simulating metallic access networks. Lulea (Švédsko): European Telecommunications Standards Institute (ETSI), 1998. 40 s.
[4]
FILKA, M. Telekomunikační vedení. 1. vydání. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 1981. 225 s.
[5]
RAUSCHMAYER, D. J. ADSL/VDSL Principles: A Practical and Precise Study of Asymmetric Digital Subscriber Lines and Very High Speed Digital Subscriber Lines. Indianapolis (USA): Macmillan, c 1999. 318 s. ISBN 157870-015-9.
[6]
International Telecommunication Union (ITU-T). Recommendation G.996.1: Test procedures for digital subscriber line (DSL) transceivers. Geneva (Švýcarsko): ITU-T, 2002. 78 s.
[7]
CHEN, W. Y. DSL Simulation Techniques and Standards Development for Digi-tal Subscriber Line Systems. Indianapolis (USA): Macmillan, c 1998. 644 s. ISBN 1-57870-017-5.
[8]
International Telecommunication Union (ITU-T). Recommendation G.993.2: Very high speed digital subscriber line transceivers 2 (VDSL2). Geneva (Švýcarsko): ITU-T, 2006. 241 s.
25
Curriculum Vitae Jméno: Radim Číž Narozen: 17. 4. 1974 v Opavě Kontakt:
[email protected] Vzdělání
1988 – 1992 1992 – 1994 1994 – 1999
2000 – 2003 1999 – 2008
Střední průmyslová škola elektrotechnická, Božetěchova 3, Olomouc, obor Elektronická a sdělovací zařízení, zakončeno maturitní zkouškou. Střední průmyslová škola elektrotechnická, Kratochvílova 7, Ostrava, obor Aplikace osobních počítačů, zakončeno maturitní zkouškou. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, tř. 17. listopadu, Ostrava, obor Elektronika a sdělovací technika, magisterské studium zakončené státní zkouškou. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta podnikatelská, Technická 2, Brno, obor Řízení a ekonomika podniku, magisterské studium zakončené státní zkouškou. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Údolní 53, Brno, obor Teleinformatika, postgraduální doktorské studium.
Praxe
1992 – 1993
ICEC-ELPO s.r.o., Komárovská 2, Opava, konstruktér elektrických rozváděčů. 1994 FOR EKO s.r.o., Příčná 8, Opava, konstruktér elektronických zařízení. 2000 – dosud Vysoké učení technické v Brně, Antonínská 1, Brno, asistent.
Účast na řešení projektů 2000 Spoluúčast na řešení projektu GA ČR Kódové zabezpečovací systémy v systémech pro přenos zpráv po vysokorychlostních sdělovacích sítích reg. č. GA102/00/1086. 2001 Řešitel projektu FRVŠ Modulační metody pro VADSL systémy reg. č. 160/2001/G1. 2003 Spoluúčast na řešení projektu FRVŠ Inovace předmětu Datová komunikace reg. č. 2116/2003/F1a. 2003– 2005 Spoluúčast na řešení projektu GA ČR Analýza přenosových parametrů xDSL systémů pomocí modelů reálných přístupových sítí reg. č. GA102/03/0762.
26
2005
Řešitel projektu FRVŠ Inovace předmětu Teorie sdělování pro nový studijní obor Telekomunikační a informační technika reg. č. 2995/2005/F1a. 2006 Řešitel projektu FRVŠ Začlenění problematiky bezpečnosti do předmětu Praktikum z informačních sítí reg. č. 1253/2006/F1a. 2006 – dosud Spoluúčast na řešení projektu MŠMT Nové diagnostické metody zjišťování parametrů oběhového systému založené na infračerveném snímání obrazu krevního řečiště reg. č. 2B06111. 2007 Řešitel projektu FRVŠ Zkvalitnění praktické výuky komunikačních technik a signálů reg. č. 1932/2007/F1a. 2008 Řešitel projektu FRVŠ Vytvoření nového předmětu Pokročilé techniky zpracování obrazu reg. č. 1261/2008/F1b. Odborný životopis
Ing. Radim Číž je absolventem magisterských studijních programů Elektronika a sdělovací technika na FEI VŠB-TU Ostrava a Řízení a ekonomika podniku na FP VUT v Brně. V současné době dokončuje postgraduální doktorské studium na Ústavu telekomunikací FEKT VUT v Brně. Na tomto ústavu působí již od roku 1999 a nyní je zde zaměstnán jako asistent. Podílí se také na rozvoji a správě lokální počítačové sítě. Odborně se zaměřuje na metody přenosu dat v optických a metalických sítích, přičemž jeho hlavní specializací jsou technologie digitálních účastnických přípojek (xDSL) a jejich spektrální kompatibilita. Rovněž se věnuje tvorbě aplikací řízených jednočipovými mikropočítači z oblasti měření a automatizace. Pedagogicky je zapojen do výuky předmětů souvisejících s komunikačními technologiemi a programováním.
27
Abstrakt Tato práce je zaměřena na novou metodu analýzy provozu systémů digitálních účastnických vedení za účelem dosažení jejich optimální spektrální kompatibility. V první části je uveden, kromě základních principů xDSL, hlavně přehled v současné době nejpoužívanějších systémů a jejich charakteristických vlastností. Dále jsou v této práci představeny vztahy popisující matematický model přístupové sítě s instalovanými xDSL systémy. Je zde podrobně rozebrán vliv parametrů vedení, přeslechů na blízkém a vzdáleném konci a impulzního rušení. Na základě těchto matematických vztahů je navržen a v prostředí MATLAB naprogramován analytický model pro vyhodnocení provozu xDSL systémů založených na diskrétní vícetónové modulaci, který umožňuje na základě šumových poměrů a výsledné, maximálně dosažitelné přenosové rychlosti posoudit jejich spektrální kompatibilitu. V závěru práce jsou prezentována provedená praktická měření vlivu impulzního rušení a přeslechů na přenosové parametry xDSL systémů a získané výsledky. Rovněž jsou zde shrnuty i výsledky analýz pomocí počítačového modelu. Navržený analytický model, který je možné snadno rozšiřovat i o další, nově standardizované xDSL systémy, otevírá nový přístup pro kmitočtové plánování v moderních přístupových sítích.
Abstract This doctoral thesis is focused on a new analytic method for the operation of digital subscriber lines, with the effort to achieve their optimal spectral compatibility. In the first part, in addition to the basic principles of xDSL, the most widely used systems today and their features were summarized. The further text deals with relations which describe a mathematical model of access network with xDSL systems installed. The influence of line parameters, far-end and near-end crosstalks, and impulse noise were analyzed in detail. Pursuant to these mathematical relations, an analytic model for the evaluation of xDSL system operation was designed and programmed in the MATLAB software environment. This model enables reviewing the spectral compatibility of systems based on discrete multitone modulation with noise conditions and maximum attainable transmission speed computation taken into consideration. Finally, the practical measurements of impulse noise and crosstalk influences on transmission parameters, as performed for xDSL systems, were presented together with the results obtained and with the conclusions of own computer-model-aided analysis. The designed model, which could be easily extended by further, newly standardized xDSL systems, opens up a new approach to frequency planning in modern access networks.
28
