Технологии широкополосного доступа

Технологии DSL (Digital Subscriber Loop - цифровая абонентская линия) возникли в начале 90х годов как альтернатива уже существовавшим к тому времени технологиям ISDN и Т1/Е1 для цифровой передачи данных по обычным медным проводам абонентским телефонным линиям.

Быстрое развитие этих технологий объясняется широким распространением инфраструктуры телефонных линий по всему миру. По некоторым оценкам, в настоящее время существует около 700 млн. медных линий, соединяющих дома и офисы с телефонными станциями. CSA (Carrier Service Area - область обслуживания АТС) большей части этих линий распространяется на расстояние 2,7-3,7 км от телефонной станции, при этом диаметр проводов составляет 0,4-0,5 мм или 26-24 AWG по американскому сортаменту проводов (AWG American Wire Gauge). Основные проблемы, возникающие при увеличении скорости и дальности передачи, связаны с такими характеристиками абонентских линий, как:

Для преодоления этих проблем предложены различные методы кодирования и обработки сигнала. В результате были разработаны и продолжают совершенствоваться несколько технологий DSL, получивших общее название xDSL. По скорости передачи DSL можно разделить на симметричные, т.е. с одинаковой скоростью передачи в обоих направлениях: High bit rate DSL (HDSL), Rate Adaptive HDSL (RA-HDSL), Symmetrical DSL (SDSL), Multirate SDSL (MRSDSL), HDSL2 и IDSL, и асимметричные, в которых скорость передачи к абоненту выше, чем в обратном направлении: Asymmetrical DSL (ADSL), Rate Adaptive ADSL (RADSL), ADSLlite (G.lite). В настоящее время активно разрабатывается технология VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Loop).

Для уменьшения влияния затухания в линии предложено несколько методов линейного кодирования, но в настоящее время наибольшее распространение получили три из них:

Межсимвольная интерференция

(ISI - Intersymbol Interface) обусловлена тем, что при высокоскоростной передаче данных информационные символы передаются по линии в виде импульсов с постоянной частотой следования значительно большей полосы частот канала. Поэтому импульсы подвергаются искажениям в виде различных задержек и ослаблении разных частотных составляющих этих импульсов. Это приводит к их расширению во времени, так что принимаемый в каждый момент сигнал представляет собой наложение "размазанных" по времени составляющих множества импульсов. Это явление межсимвольной интерференции еще называется "памятью" канала. Оно затрудняет различение сигналов и, как следствие, требует снижения скорости передачи данных.

Одним из методов борьбы с межсимвольной интерференцией является медленная передача длинных импульсов. Это не обязательно уменьшает скорость передачи данных, если посылается много бит за каждый импульс. Данная техника достаточно эффективно используется совместно с DMTкодированием в ADSL и VDSL. Однако этот метод приводит к определенной задержке в передаче изза необходимости буферизации большого количества бит информации, объединяемых в каждом импульсе.

Другой метод применение различных способов коррекции сигнала, обеспечивающих высокоскоростную передачу без внесения существенных задержек. К ним относятся линейная коррекция, коррекция с регулируемой обратной связью и методы, использующие вероятностные алгоритмы.

Есть еще один метод борьбы с межсимвольной интерференцией использование алгоритма MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimatorоценка наиболее вероятной последовательности). Он основан на том, что, так как принимаемый сигнал является композицией сигналов за время, равное "памяти" канала, то в каждый момент времени в сигнале содержится информация о всей последовательности. Поскольку "память" канала ограничена, существует конечное число последовательностей импульсов, которые могут быть обнаружены. В отличие от DFE при та ком подходе используется полная энергия сигнала и уменьшается влияние распространения ошибки. Однако изза сложности алгоритма MLSE его реализация для работы в реальном времени при существующих больших скоростях передачи данных затруднена, поэтому применяется его упрощенный вариант NML (Near Maximum Likelihood), который близок к MLSE, но может быть реализован на современных СБИС. Этот алгоритм обеспечивает выигрыш до 2,5 дБ по сравнению с приемниками на основе DFE. Перекрестные помехи от сигналов в соседних витых парах кабеля обычно классифицируют как помехи на ближнем и дальнем концах линии. Наибольшую величину имеют помехи NЕXТ, поскольку помехи FЕХТ сами по себе ослабляются в линии на пути к приемнику. Дальность действия симметричных систем, например HDSL и SDSL, как правило, ограничивается помехами на ближнем конце. Что же касается асимметричных систем типа ADSL, основанных на частотном разделении спектров передачи и приема (технология DМТ), то при использовании соседних пар для передачи аналогичных сигналов (ADSL) и в том же направлении их дальность теоретически ограничена перекрестными помехами на дальнем конце, а значит, должна быть больше.

Эффект эха, т.е. влияния на приемник сигнала собственного передатчика, существен для всех симметричных DSLтехнологий, работающих по одной паре проводов и использующих одну и ту же полосу частот для передачи и приема. Этот тип интерференции значительно отличается от перекрестных помех тем, что форма передаваемого сигнала известна и помеха может быть эффективно вычтена из принимаемого сигнала. Такая обработка сигнала называется компенсацией эха (Echo Cancellation). В асимметричных вариантах DSL также иногда применяется компенсация эха, что позволяет расширить полосу частот сигнала, а следовательно, и скорость передачи данных в направлении абонента.

Высокоскоростная технология DSL (HDSL)

В начале 90х годов было предложено применить кодирование 2B1Q для больших скоростей передачи данных без использования репитеров как альтернативу технологиям Т1 и Е1.

Распределив весь объем передаваемых данных Т1 на две пары проводов (со скоростью передачи 784 Кбит/с в каждой) и удвоив количество бит на бод за счет кодирования 2B1Q, удалось значительно сузить частотный спектр сигнала и увеличить дальность передачи. Эта технология была названа HDSL (High bit rate Digital).

В HDSL применяется адаптивная фильтрация, компенсация эха, нелинейная коррекция (DFE) и цифровая обработка сигналов для адаптации к параметрам линии. В результате удалось охватить высокоскоростной передачей данных область (до 12 тыс. футов при 24 AWG и 9 тыс. футов при 26 AGW).

Ранняя версия Е1, основанная на HDSL, требовала разделения потока 2048 Кбит/с на три пары проводов, но по мере развития эта технология пришла к использованию двух пар со скоростью 1168 Кбит/с в каждой из них. Имея меньшую дальность (около 3 км) по сравнению с трехпарным вариантом, она тем не менее является большим шагом вперед по отношению к традиционной технологии Е1, основанной на кодировании HDB3.

Симметричная цифровая абонентская линия (SDSL)

В 1996 г. ЕТSI (European Telecommunications Standard Institute - Европейский институт стандартов по телекоммуникациям) принял стандарт ЕТR152 на передачу потока Е1 по технологии HDSL по одной паре проводов со скоростью в линии 2320 Кбит/с.

Реализация скорости передачи Т1 или Е1 по одной паре проводов, в отличие от обычного двухпарного варианта HDSL, получила название SDSL (Symmetrical Digital Subscriber Line).

Вариант SDSL, в котором допускаются различные скорости передачи (от 192 до 2320 Кбит/с), называется Multirate SDSL. Реальная скорость задается настройкой оборудования центрального офиса в зависимости от условий в линии и требуемого сервиса.
В обработке сигнала используются те же методы, что и в HDSL.

Асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL)

Абонентские линии, идущие от центрального офиса телефонной компании к домам и офисам пользователей, по своей природе асимметричны по мере приближения к офису телефонной компании они объединяются в общие кабели, проходят параллельно другим линиям и, соответственно, чаще подвергаются перекрестным помехам, чем на стороне пользователя. Поэтому в направлении пользователя может быть достигнута большая дальность передачи, чем в обратном направлении. Если же разделить частотные спектры передачи и приема, так что в направлении центрального офиса будут использоваться более низкие частоты, подвергающиеся меньшему ослаблению в линии, то общую дальность действия можно увеличить.

Таким образом, легче и надежнее обеспечить высокую скорость передачи от центрального офиса к пользователю, чем в обратном направлении. Однако для некоторых приложений, например "видео по заказу", нужна именно такая асимметричная по скорости передача.

Системы, соответствующие этой концепции асимметричной скорости передачи, стали называться ADSL (Asymmetrical DSL). Системы ADSL с самого начала ориентированы на применение в жилых районах, отсюда одним из требований было сохранение и независимое использование на тех же линиях существующих услуг обычной телефонии. Поэтому в ADSL весь частотный диапазон разделяется на три области для телефонии, для передачи данных от пользователя и в направлении пользователя.

Первоначально широкое распространение для передачи видео в ADSL получило линейное кодирование САР. В дальнейшем, в связи с бурным ростом интереса к Интернету, когда обычный пользователь посылает небольшие запросы серверам, а ему в ответ приходят объемные файлы с данными, графикой, аудио и видеоинформацией, т.е. использует асимметричные приложения, ADSL переориентировались на поддержку доступа в Интернет, а в связи с принятием стандартов ANSI T1.413 (и соответствующих стандартов ЕТSI и ITUT) на ADSL превалирующей стала технология частотного разделения FDM (Frequency Division Multiplexed), хотя стандарт допускает и технологию компенсации эха.

Стандартом для ADSL стало линейное кодирование DMT (Discrete Multi Tone дискретная многотональная модуляция). В полномасштабном варианте ADSL по технологии DMT весь диапазон частот от 0 до 1104 к Гц разделяется на 256 несущих частот с шагом 4,3125 к Гц. Для образования несущих используется 256точечное комплексное преобразование Фурье, и на каждой из них применяется квадратурная амплитудная модуляция (QAM) с числом бит на несущую до 15 и частотой модуляции 4 к Гц. В результате скорость передачи данных в сторону абонента достигает 8 Мбит/с, а в обратную сторону до 1,5 Мбит/с.

Данные, как и во многих других системах, передаются фреймами, которые группируются в суперфрейм. Диапазон от 0й до 5й несущей используется для обычной телефонии, от 7-й до 31-й для передачи данных от абонента и от 32й до 255й к абоненту. Для разделения обычной аналоговой телефонии и ADSL применяются фильтры высоких и низких частот.

Существуют и другие варианты частотных планов, например если ADSL используется вместе с ISDN, то для услуг ISDN отводится область первых 32х несущих, а для передачи данных от пользователя следующие 32. Другой формой является частичное перекрытие спектров передачи и приема с помощью техники компенсации эха. Этот вариант теоретически повышает пропускную способность канала к абоненту, но оказывается подверженным большим помехам NЕXТ (в отличие от ограничения меньшими помехами FЕХТ для систем с частотным разделением) и требует применения более качественных аналоговых компонентов, более сложной фильтрации сигнала, а следовательно, является более дорогим.

Облегченная версия ADSL (G.Lite)

Для удовлетворения потребностей рынка в высокоскоростном подключении к Интернету постоянно возрастающего числа потребителей была разработана упрощенная версия ADSL, называемая UADSL, ADSLlite или G.Lite. В ней применяется более узкая полоса частот по сравнению с полномасштабной ADSL 552 кГц и 128точечное преобразование Фурье. В результате максимальная скорость передачи в сторону абонента не превышает 1,5 Мбит/с, а в обратную сторону 768 Кбит/с.

Другим упрощением является отсутствие частотных фильтров (сплиттеров), что делает ненужным визит технических специалистов к абоненту для их установки.
Все это позволило удешевить систему и тем самым ускорить развитие этого сектора рынка.

Для синхронного видео требуется постоянная скорость но для данных иногда важнее увеличить дальность за счет некоторого снижения скорости.

И технология САР, и DMT были модернизированы для работы на различных скоростях передачи и получили возможность автоматически подстраивать скорость к условиям в линии. Новая технология получила название RADSL. В дополнение к возможности адаптации скорости RADSL позволяет увеличить скорость передачи от пользователя к центральному офису, т.е. поддерживает как асимметричные, так и симметричные приложения.

Хотя системы, основанные на сигнала и потребляемую мощность, для адаптации скорости им необходима перестройка спектра частот сигнала. DMTсистемы могут просто перераспределять потоки битов, не меняя спектра сигнала, а также допускают перестройку с меньшим шагом по скорости. Еще одно преимущество DMT соответствие международным стандартам ANSI, ETSI и ITUТ на технологию ADSL.

ISDN DSL (IDSL)

IDSL аналогична технологии, применяемой и в Basic Rate ISDN (2B1Q, скорость 144 Кбит/с). Отличие в том, что ISDL используется для передачи данных, поэтому вместо подключения к коммутируемой телефонной сети, как в обычной ISDN, ISDL устройства, функционирующие как терминальные адаптеры ISDN, направляют потоки данных от абонентского ISDNоборудования прямо в службы WAN. Таким образом, основной задачей IDSL является разгрузка коммутируемых сетей от передачи данных.

Новые технологии xDSL

Хотя ETSI и приняла технологию 2BQ1 для передачи Е1 по одной паре проводов в качестве стандарта, ANSI не согласилась с уменьшением производительности по сравнению с двухпарными системами. Поэтому ANSI работает над новым стандартом HDSL2, который должен позволить охватить соединениями Т1 всю область CSA с помощью одной пары проводов. Этот метод объединяет новые линейный код РАМ16, схему кодирования, большую мощность передатчика и специальную форму импульсов, что приведет к увеличению дальности действия по сравнению с технологией 2B1Q. Недостатком этого метода является сложность и высокая потребляемая мощность.

VDSL (Very high-speed DSL) это следующее поколение технологии DSL, которое предоставит большие скорости передачи, по сравнению с ADSL, но на коротких расстояниях. VDSL позволит использовать существующие медные пары для распределения потоков данных на самом последнем участке от оптических сетей до помещений пользователей и офисов, что более экономично, чем доводить оптоволокно непосредственно до каждого дома. На дальности 300 м VDSL достигает скорости 52 Мбит/с в направлении к пользователю, на 900м - 26 Мбит/с и на 1,3км - 13 Мбит/с.

Хотя такие дальности и требуют размещения сетевого оборудования гораздо ближе к помещениям пользователей, но это дает возможность предоставить им высокоскоростной сервис для таких приложений, как электронная коммерция, мультимедиа, видео по требованию и телевидение высокой четкости (HDTV) при значительной экономии на прокладке оптоволоконных линий.