Digital Subscriber Line Τεχνολογίες Διαδικτύου και Δικτύων Ευρείας Ζώνης

Πρότυπο ADSL Συστήματος G.992.1

ADSL – Χαρακτηριστικά Καναλιού Χωρητικότητα καναλιού είναι ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων που μπορεί να μεταφέρει το κανάλι Από το θεώρηµα του Shannon γνωρίζουµε ότι ο ρυθµός µετάδοσης σε ένα κανάλι εξαρτάται από το εύρος ζώνης και τον λόγο σήµατος προς θόρυβο Data Rate = B * log2(1+ S/N)

ADSL – Τεχνικά Χαρακτηριστικά G.992.1 Χαρακτηριστικά μετάδοσης σήματος Διακριτή Πολυτονική Διαμόρφωση (DMT) Αμφίδρομη Μετάδοση Πολυπλεξία στη συχνότητα (FDΜ) Καταστολή της Ηχούς (Echo Cancellation)

ADSL – Αμφίδρομη Μετάδοση (1) Διαθέσιμο εύρος ζώνης ADSL over POTS: Το ADSL καλύπτει το φάσμα από 25.875KHz ως 1.104MHz Το διαθέσιμο εύρος ζώνης χωρίζεται: Πολυπλεξία στη συχνότητα (Frequency Division Multiplexing) Kαταστολή της ηχούς (echo cancellation)

ADSL – Αμφίδρομη Μετάδοση (2) FDM Δεσμεύεται η ζώνη 138KHz έως 1.1MHz για τα δεδομένα λήψης (υποκανάλι 33 με 256) Δεσμεύεται η ζώνη 25KHz με 138KHz για τα δεδομένα αποστολής (υποκανάλι 7 με 32). Τα κανάλια 16 (69KHz) και 64 (276KHz) από κάθε ζώνη χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για τη μετάδοση της τονικότητας πιλότου που χρησιμοποιείται για λόγους συγχρονισμού του σήματος. Παράλληλα τα υποκανάλια 1-6 εξασφαλίζουν την χωρίς σφάλματα μετάδοση της φωνής

ADSL – Αμφίδρομη Μετάδοση (3) Εcho cancellation Με την καταστολή της ηχούς η ζώνη για τα δεδομένα αποστολής (25KHz με 138KHz) επικαλύπτεται με τη ζώνη για τα δεδομένα λήψης και αυτές στη συνέχεια διαχωρίζονται μέσω τοπικής καταστολής της ηχούς, μια τεχνικής γνωστής στα V.32 και V.34 modems. 

ADSL – Διακριτή Πολυτονική Διαμόρφωση (1) Συνδυάζει την Quadrature Amplitude Modulation και την Frequency Division Μultiplexing. Τεχνική διαμόρφωσης πολλαπλού φέροντος (multicarrier modulation) Το φάσμα συχνοτήτων (0 – 1,104MHz) της δισύρματης γραμμής διαχωρίζεται σε 256 υπο-κανάλια στενής ζώνης (4,3125KHz) Σε κάθε υπο-κανάλι το σήμα διαμορφώνεται με συχνότητα φέροντος την κεντρική συχνότητα του εύρους συχνοτήτων που αντιστοιχεί σε αυτό, με τη χρήση QAM Quadrature Amplitude Modulation)

ADSL – Διακριτή Πολυτονική Διαμόρφωση (2)

ADSL – Διακριτή Πολυτονική Διαμόρφωση (4) Στα δισύρματα καλώδια το επίπεδο εξασθένησης του υπο-καναλιού αυξάνει συναρτήσει της συχνότητας με αποτέλεσμα η ανάθεση bit ανά υποκανάλι να είναι μη γραμμική. Τυπικά τα υποκανάλια με χαμηλές συχνότητες φέροντος, διαμορφώνονται με τη χρήση πολλών bits (πχ 256-QAM, ενώ τα υψίσυχνα χρησιμοποιούν προοδευτικά λιγότερα bits έως και δυο(PSK). Τα bits μοιράζονται σε κάθε κανάλι με δυναμικό τρόπο, αν ένα κανάλι υφίσταται παρεμβολή ή μεγαλύτερη εξασθένηση η πληροφορία του θα μοιραστεί στα υπόλοιπα κανάλια

ADSL – Διακριτή Πολυτονική Διαμόρφωση (5) Κάθε υποκανάλι μπορεί να πάρει μέχρι 15 bits/sec/Hz Άρα ένας ιδανικός διαύλος ADSL θα μπορούσε να σηκώσει 256 κανάλια x 15 bits/Hz x 4ΚΗz=15.36Mbps Το καλώδιο χαλκού μπορεί να σηκώσει κατα μέσο όρο 8 bits/Hz δίνοντας μέγιστο ρυθμό 256 κανάλια x 8 bits/Hz x 4ΚΗz = 8.192Mbps

ADSL – Διακριτή Πολυτονική Διαμόρφωση (6)

Αρχιτεκτονική καναλιών ADSL (1) As defined in ANSI T1.413-1998, DMT supports asynchronous (ATM) or synchronous (STM) based bearer services, through the use of bearer channels. Bearer services, “the transport of data at a certain rate without regard to its content, structure, or protocol,” between communicating entities via defining lower layer capabilities, through the use of bearer channels A bearer channel is a user data stream of a specified data rate that is transported transparently by an ADSL system in ASx or LSx, and carries a bearer service.” Bearer channels deal strictly with data rates and services and are logical channels that use the underlying sub-carriers as a transport mechanism.

Αρχιτεκτονική καναλιών ADSL (2) ANSI T1.413-1998 provides for the simultaneous transport of seven bearer channels, with up to four dedicated downstream bearer channels, denoted as ASx, where x = 0,1 2, 3, and up to three upstream bearer channels, denoted as LSx, where x = 0,1, 2.

Αρχιτεκτονική καναλιών ADSL (3)

Αρχιτεκτονική καναλιών ADSL (4) Kύριο ρεύμα ATM κελιών (ATM0) το οποίο είναι υποχρεωτικό και αντιστοιχεί στο AS0 Δευτερεύον ρεύμα ATM κελιών (ATM1) το οποίο αντιστοιχεί στο AS1 Τόσο στη σύγχρονη όσο και στην ασύγχρονη μετάδοση, υποστηρίζεται ένα κανάλι χρόνου αναφοράς (Network Timing Reference) καθώς και ένα κανάλι για την επικοινωνία ATU-C με ATU-R και άλλες λειτουργίες (Operation Administration & Maintenance)

ADSL – Δεδομένα (1) Τα δεδομένα στο φυσικό στρώμα του ADSL ομαδοποιούνται σε: Πλαίσια: Το μέγεθος τους είναι μεταβλητό. Επαναλαμβάνονται κάθε 25microsec. Υπεπλαίσια: Περιλαμβάνουν 69 Adsl frames και επαναλαμβάνονται κάθε 17millisec. 68 πλαίσια δεδομένων 69ο σύμβολο συγχρονισμού (DMT διαμορφωτή)

ADSL – Δεδομένα (2) Τέσσερις διαφορετικές δομές πλαισίου με διαφορετική επιβάρυνση (overhead) 0 κύρια δομή ADSL χρησιμοποιεί δύο «δρόμους» με διαφορετική καθυστέρηση για τη μετάδοση δεδομένων Γρήγορο (Fast) low latency (2ms) Real time traffic Διαστρωματωμένο (Interleaved) low error rate Reed-Solomon encoding

ADSL - Δομή superframe

Fast Byte (1) Fast Byte: 1ο Byte σε Fast Data χρησιμοποιείται για Πλαίσιο 0: κυκλικό ελέγχο πλεονασμού στα δεδομένα του γρήγορου ενταμιευτή Πλαίσια 1,34,35: 24 bit ένδειξης τα οποία χρησιμοποιούνται για λειτουργικούς και διαχειριστικούς (OAM) σκοπούς π.χ. έλεγχος της ζεύξης

Fast Byte (3) Fast Byte: 1ο Byte σε Fast Data buffer χρησιμοποιείται για Πλαίσιο 2-33,36-66: Η λειτουργία τους καθορίζεται από το LSB. LSB = 0 σε 4n+2 και σε 4n+3 => SC bits LSB = 1 σε 4n+2 και σε 4n+3 => EOC bits Συγχρονισμός του γρήγορου ενταμιευτή δεδομένων Ενσωματωμένους ελέγχους λειτουργίας (Embedded operations control): εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες για την επικοινωνία Modem συνδρομητή με Modem CO

Fast Byte (2)

Sync byte (1) Το byte συγχρονισμού (sync byte): 1ο Byte για κάθε πλαίσιο δεδομένων πολυπλεξίας στον ενταμιευτή διαστρωματωμένων δεδομένων Πλαίσιο 0: κυκλικό ελέγχο πλεονασμού στα δεδομένα του ενταμιευτή διαστρωματωμένων δεδομένων Στα υπόλοιπα χρησιμοποιείται είτε για συγχρονισμό των καναλιών μετάδοσης δεδομένων που χρησιμοποιεί ο ενταμιευτής, είτε μεταφέρει επιβάρυνση (ADSL Overhead Control)

Sync byte (2)

ΑΤU-x

ΑΤU-x

ADSL – Δεδομένα (1) Πολυπλεξία & Συγχρονισμός Στη πρώτη μονάδα του ATU-x πραγματοποιείται η πολυπλεξία και ο συγχρονισμός των καναλιών μεταφοράς των δεδομένων.

ATU-x

ADSL – Δεδομένα (2) Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού Πραγματοποιεί ανίχνευση λαθών Εισάγει 1 byte για κάθε ενταμιευτή (frame 0)

ATU-x

ADSL – Δεδομένα (3) Περίπλεξη Οι δυαδικές ροές δεδομένων σε κάθε ενταμιευτή περιπλέκονται ξεχωριστά (scrambling) με τη χρήση του αλγόριθμου:

ADSL – Δεδομένα (4)

ADSL – Δεδομένα (5) Εμπρόσθια διόρθωση λαθών Η μονάδα που πραγματοποίει FEC προσθέτει πλεονάζουσα πληροφορία η οποία χρησιμοποιείται για διόρθωση σφαλμάτων σε μετάδοση Μέθοδοι FEC Read Solomon Coding

ADSL – Δεδομένα (6) Reed Solomon Κωδικοποίηση Κωδικές λέξεις μεγέθους Ν με καθορισμένο αριθμό bytes δεδομένων Κ και αριθμό bytes ελέγχου R Read Solomon Codeword

ATU-x

ADSL – Δεδομένα (7) Διαστρωμάτωση Κατάλληλό για εφαρμογές όπως VoD με απαιτήσεις για χαμηλό ρυθμό λαθών αλλά χωρίς ευαισθησία σε χρονική καθυστέρηση Η ακολουθία των bit διαμοιράζεται σε διαφορετικές ζώνες μετάδοσης ώστε να μην υπάρχει πιθανότητα δημιουργίας string λαθών τα οποία δε μπορούν να διορθωθούν από FEC Αποφυγή εκρήξεων λαθών

ADSL – Δεδομένα (8) Διαστρωμάτωση Υλοποιείται μεταξύ FEC και μονάδας διαμόρφωσης Τεχνικές Interleaving Block Interleaving Convolutional Interleaving Αποδοτικός αναφορικά με καθυστέρηση από άκρο σε άκρο και ανάγκες σε μνήμη

ADSL – Δεδομένα (9) Διαστρωμάτωση - Block Interleaving Το μπλοκ του Interleaver με βάθος D=3 και μήκος N=7 (η delay) γεμίζει σειριακά, ενώ τα δεδομένα διαβάζονται κατά στήλες. Μια γραμμή αποτελεί συνήθως μία κωδική λέξη

ADSL – Δεδομένα (10) Διαστρωμάτωση - Block Interleaving Το μπλοκ του de - Interleaver με βάθος D=3 και μήκος N=7 γεμίζει κατά στήλες, ενώ τα δεδομένα διαβάζονται σειριακά.

ADSL – Δεδομένα (11) Διαστρωμάτωση – Convolutional Int. Το μπλοκ του Interleaver με βάθος D=3 και μήκος N=7 γεμίζει σειριακά, ενώ τα δεδομένα διαβάζονται κατά στήλες. Οι κωδικές λέξεις δεν ξεκινάν από ίδια στήλη Οι σειρές δεν έχουν συγκεκριμένο μέγεθος - μια γραμμή δεν αποτελεί μία κωδική λέξη Άνω δείκτης: κωδική λέξη στην οποία ανήκει το bit Κάτω δείκτης: σειρά του bit σε κωδική λέξη

ADSL – Δεδομένα (12) Διαστρωμάτωση – Convolutional Int. Το μπλοκ του de - Interleaver με βάθος D=3 και μήκος N=7 γεμίζει κατά στήλες, ενώ τα δεδομένα διαβάζονται σειριακά. Ο de - Interleaver διαβάζει μία κωδική λέξη (N bits) από 1η γραμμή του μπλοκ και προχωρά στην επόμενη γραμμή μέχρι να συναντήσει την τελευταία Έπειτα ξεκινά από την 1η γραμμή και το πρώτο στοιχείο που δεν έχει διαβάσει Μέγιστη καθυστέρηση από άκρο σε άκρο ND bits

ATU-x

ADSL – Δεδομένα (13) Διευθέτηση Τόνου Αποφυγή φαινόμενων ψαλιδισμού του DMT σήματος από ψηφιαναλογικό μετατροπέα Πιθανότερο να συμβεί σε τόνους στους οποίους έχουν ανατεθεί μεγάλος αριθμός Bit (μεγαλύτερο SNR) Ο αριθμός των bit που θα ανατεθεί σε κάθε υποκανάλι υπολογίζεται στη μονάδα διευθέτησης τόνου του ATU-R. Τα NF bytes του γρήγορου ενταμιευτή σε τόνους στους οποίους έχει ανατεθεί μικρός αριθμός bit Τα NI bytes του ενταμιευτή διαστρωμάτωσης σε τόνους στους οποίους έχει ανατεθεί μεγαλυτερος αριθμός bit (FEC) Είναι γεγονός ότι το φαινόμενο του ψαλιδισμού είναι πιθανό να συμβεί σε τόνους οι οποίοι αντιστοιχούν σε υποκανάλια με τη μεγαλύτερη ανάθεση bits, καθώς αυτά θα παρουσιάζουν και το μεγαλύτερο σηματοθορυβικό λόγο. A DMT time-domain signal has a high peak-to-average ratio (its amplitude distribution is almost Gaussian), and large values may be clipped by the D/A-converter. Η διευθέτηση τόνου εφαρμόζεται για την αποφυγή φαινομένων ψαλιδισμού του τελικού DMT σήματος στον ψηφιαναλογικό μετατροπέα. Είναι γεγονός ότι το φαινόμενο του ψαλιδισμού είναι πιθανό να συμβεί σε τόνους οι οποίοι αντιστοιχούν σε υποκανάλια με τη μεγαλύτερη ανάθεση bits, καθώς αυτά θα παρουσιάζουν και το μεγαλύτερο σηματοθορυβικό λόγο. Τα σφάλματα που αποφέρει ο ψαλιδισμός μπορούν να αποφευχθούν με την ανάθεση των bits του ενταμιευτή αναδιάταξης δεδομένων στα υποκανάλια που φέρουν το μεγαλύτερο αριθμό bit και τη χρήση εμπρόσθιας διόρθωσης λαθών. Στη μονάδα διευθέτησης τόνου συνεπώς, γίνεται ανάθεση των δεδομένων του γρήγορου δρόμου του διαμορφωτή σε τόνους στους οποίους έχει ανατεθεί μικρός αριθμός bit ενώ τα δεδομένα του δρόμου αναδιάταξης του διαμορφωτή σε τόνους στους οποίους έχει ανατεθεί μεγάλος αριθμός bit. Σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο ο ταξινομημένος πίνακας ανάθεσης bit bi’, οποίος περιλαμβάνει των αριθμό bits bi, τα οποία ανατέθηκαν στον τόνο i με κέρδος gi και συχότητα fi.

ADSL – Δεδομένα (14) Διευθέτηση Τόνου bi gi fi … The number of bits and the relative gains to be used for every tone are calculated in the ATU-R receiver, and send back to the ATU-C. The pairs of numbers are typically stored, in ascending order of frequency or tone number , in a bit and gain table. Ο αριθμός των bit για κάθε τόνο στον ταξινομημένο πίνακα κυμαίνεται μεταξύ 1->8-15 ενώ με τη χρήση trellis modulation κυμαίνεται από 1->2-15 Σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο ο ταξινομημένος πίνακας ανάθεσης bit bi’, οποίος περιλαμβάνει των αριθμό bits bi, τα οποία ανατέθηκαν στον τόνο i με κέρδος gi και συχότητα fi.

ATU-x

ADSL – Δεδομένα (15) Μονάδα Constellation κωδικοποίησης και Διαβάθμισης Κέρδους Εξαγωγή Bit Με βάση τον πίνακα ανάθεσης bit Τα bit από κάθε γραμμή του πίνακα φτιάχνουν την δυαδική λέξη u Τα bit από δύο διαδοχικά γραμμές του πίνακα φτιάχνουν την δυαδική λέξη u* Μετατροπή bit H δυαδική λέξη u μετατρέπεται σε v και w Constellation κωδικοποίηση Κάθε υποκανάλι αντιστοιχίζεται σε σημείο στο μιγαδικό επίπεδο με βάση τα Bit του Τα δυαδικά δεδομένα μετατρέπονται σε μιγαδικό αριθμό Διαβάθμιση Κέρδους Εφαρμόζεται σε όλα τα υποκανάλια με πολλαπλασιασμό του μιγαδικού με κάποιο κέρδος μεταξύ 0.19 και 1.33 *Trellis κώδικα 16 καταστάσεων και 4 διαστάσεων Το επόμενο στάδιο περιλαμβάνει τη μονάδα κωδικοποίησης Αστερισμού και Διαβάθμισης Κέρδους, ή οποία παράγει 256 DMT σύμβολα στο πεδίο της συχότητας. Ο κωδικοποιητής αστερισμού είναι παρόμοιος σε λειτουργία με ένα QAM κωδικοποιητή. Για έναν απλό κωδικοποιητή αστερισμού, αρχικά στη μονάδα αυτή πραγματοποιείται εξαγωγή των bit δεδομένων (bit extraction) από τον ενταμιευτή δεδομένων σύμφωνα με τον πίνακα ανάθεσης bit. Τα b αυτά bits σχηματίζουν την κωδική λέξη v και εισέρχονται στη λογική μονάδα που εκτελεί την κωδικοποίηση αστερισμού. Εκεί τα δυαδικά δεδομένα μετατρέπονται στο μιγαδικό αριθμό Χi+jΥi καθώς κάθε υποκανάλι αντιστοιχίζεται σε ένα σημείο στο μιγαδικό επίπεδο με βάση τον αριθμό των bit του. Με χρήση του κέρδους gi για κάθε τόνο όπως αυτό ορίζεται από τον πίνακα ανάθεσης bit, το σημείο στο μιγαδικό επίπεδο που αντιστοιχεί στο υποκανάλι μετατρέπεται σε Ζi=gi*(Χi+jΥi) υλοποιώντας τη διαδικασία διαβάθμισης κέρδους. Η χρήση της κωδικοποίησης trellis είναι προαιρετική και επηρεάζει τόσο τη διαδικασία διευθέτησης τόνου όσο και τον αλγόριθμο κωδικοποίησης αστερισμού. Συνήθως χρησιμοποιείται ένας κώδικας trellis τεσσάρων διαστάσεων (Wei’s 4 dimension 16 state trellis encoder) και η προαναφερθείσα διαδικασία περιλαμβάνει έναν επιπλεόν μηχανισμό, ο οποίος ονομάζεται μετατροπή bit. Δηλαδή τα bit από δύο διαδοχικές γραμμές του ταξινομημένου πίνακα ανάθεσης bit, από δύο υποκανάλια δηλαδή, φτιάχνουν τη δυαδική λέξη u. Με τη χρήση κωδικοποιητή συνέλιξης, η δυαδική λέξη u μετατρέπεται σε δύο δυαδικές λέξεις v και w, οι οποίες αποτελούν την είσοδο στον κωδικοποιητή αστερισμού.

ADSL DMT ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ Τέλος, η διαδικασία ολοκληρώνεται καθώς τα σήματα εισέρχονται στον «παράλληλο σε σειριακό» και έπειτα στον ψηφιοαναλογικό μετατροπέα. Συνοψίζοντας, οι διαδικασίες οι οποίες περιλαμβάνονται σε ένα ADSL modem για τη μετατροπή των ψηφιακών δεδομένων σε αναλογικό σήμα, αναφέρονται επιγραμματικά στον Πίνακα 9.

ADSL – Δεδομένα (16) Αντίστροφος Μετασχηματισμός Fourier Χρησιμοποιούνται οι 256 μιγαδικοί από προηγουμένη μονάδα Για τους υπόλοιπους 256 ισχύει Ζi=Z(512-i)*

Τεχνολογίες xDSL Προσφέρουν αυξημένους ρυθμούς μετάδοσης στο χάλκινο τοπικό βρόχο Εκμεταλλεύονται τις αχρησιμοποίητες συχνότητες του χάλκινου καλωδίου Με την αύξηση της συχνότητας αυξάνει και εξασθένιση με συνέπεια τη μείωση της μέγιστης απόστασης από το τοπικό κέντρο

ADSL lite Κατάλληλο τοπικό βρόχο μήκους έως 5.5km Splitterless ADSL Παρεμβολές στο τηλεφωνικό σήμα όταν υπάρχει υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Κατάλληλο τοπικό βρόχο μήκους έως 5.5km Χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων ADSL (1.5 Mbps/512 Kbps) Συχνότητες 25KHz-500KHz

HDSL Αρχική τεχνολογία DSL Συμμετρικό – ίδιος ρυθμός δεδομένων αποστολής και λήψης T1/E1 Κατάλληλο τοπικό βρόχο μήκους έως 3.6km-5.5km Χρήση δυο συνεστραμμένων καλωδίων 1.5 Mbps Χρήση τριών συνεστραμμένων καλωδίων 2 Mbps

SDSL Symmetric Digital Subscriber Loop Συμμετρικό – ίδιος ρυθμός δεδομένων αποστολής και λήψης (έως 2 Mbps ) Χρήση 1 συνεστραμμένου καλωδίου Κατάλληλο τοπικό βρόχο μήκους έως 3km 2B1Q Δεν επιτρέπει ταυτόχρονη τηλεφωνική επικοινωνία Απευθύνεται κυρίως σε εταιρικούς χρήστες

SHDSL Symmetric High-Bitrate Digital Subscriber Loop Διεθνώς προτυποποιημένο Συμμετρικό – ίδιος ρυθμός δεδομένων αποστολής και λήψης 1 UTP: 192Kbps -> 2.3Mbps 2 UTP: 384Kbps -> 4.6Mbps Κατάλληλο τοπικό βρόχο μήκους έως 6km 2.3Mbps για τοπικό βρόχο 5.5 km με χρήση 2 UTP TC-PAM

VDSL Πολύ υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (2.3 Mbps έως 52.8 Mbps) Συμμετρική ή ασύμμετρη μετάδοση δεδομένων Κατάλληλο για μικρού μήκους δισύρματες γραμμές (έως 1.4km) 52 Mbps -> 300m 26 Mbps -> 1km 13 Mbps -> 1.4km DMT/Time Division Duplexing

ADSL2, ADSL2+ Υψηλότερες ταχύτητες δεδομένων από ADSL (έως 24Mbps) για διάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις από VDSL (έως 2.7km) Για μεγαλύτερους τοπικούς βρόχους παρόμοιες ταχύτητες με ADSL