xDSL-технологии

6. Технологии xDSL

6.1. Краткая характеристика xDSL-технологий

Проблемы при использовании телефонных каналов («классических» телефонных линий) для доступа в Internet:

- низкая пропускная способность,

- большая нагрузка на телефонные станции (средняя продолжительность

телефонного разговора – 3-5 мин., средняя продолжительность модемной связи

– 20 мин., а каждый пятый сеанс – более часа).

DSL – Digital Subscribe Line (цифровая абонентская линия).

xDSL – семейство технологий абонентского доступа типа «точка-точка», позволяющее предоставлять услуги передачи данных, голоса и видео по обычным телефонным проводам между оборудованием поставщика услуг сетевого доступа NAP (Network Access Provider) и узлом потребителя; реализует технологии физического уровня и предоставляет высокоскоростную среду для применения протоколов более высоких уровней и организации разнообразных сервисов (доступ к Internet и Intranet с применением протокола IP, передача видео и др.).

Возможности xDSL:

- повышение в десятки раз скорости передачи трафика по обычному

телефонному проводу,

- низкозатратный способ разгрузки коммутаторов телефонных станций от

возросшего объема неголосового трафика,

- организации различных сервисов на единой платформе.

Идея:

- эффективное использование максимально-возможной полосы частот

физической линии путем применения методов модуляции 2B1Q, CAP, DMT.

Примеры:

1. DSL. Скорость до 160 кбит/с, 2B1Q, Lmax=7,5 км при d=0,5 мм.

2. HDSL (High-bit-rate DSL). Скорость 768/1024 кбит/с по одной паре и 1536/2048 кбит/с по двум-трем парам кабеля без подбора параметров и симметрирования.

3. SDSL (Single Pair DSL). Скорость 2048 кбит/с по одной паре проводов, Lmax=3-4 км при d=0,4-0,5 мм.

4. MSDSL (Multirate Symmetrical DSL). Возможна коррекция скорости передачи от расстояния (6,4 км при 768 кбит/с).

5. ADSL (Asymmetric DSL). До 8 Мбит/с в одном направлении и до 1 Мбит/с в другом. Реализация: с частотным разделением (FDM – Frequency Division Multiplexing) и эхо-подавлением.

6. RADSL (Rate Adaptive DSL). Скорость передачи может изменяться в зависимости от качества линии.

7. SHDSL. Скорость передачи данных до 2,3—4,6 Мбит/с.

8. VDSL. Скорость передачи данных до 15 Мбит/с.

Большинство технологий xDSL являются фирменными. Разработчики руководствуются требованиями стандарта ANSI T1.413, в котором указаны рекомендуемые шумовые и частотные характеристики оборудования, но не определен метод кодирования данных. При покупке услуги xDSL абонент получает маршрутизатор или модем xDSL, совместимый с оборудованием поставщика услуг.

G.Lite. Стандарт ITU-T. Предназначен для стандартизации параметров передачи, что позволяет пользователям выбирать на рынке совместимые между собой средства xDSL. Иногда называют Universal ADSL (UDSL) или ADSL Lite.

Для L до 3,5 км скорость 1,5 Мбит/с в направлении к абоненту и 384 кбит/с – в обратном направлении. Для L до 5,5 км - 640 кбит/с в направлении к абоненту и 196 кбит/с – в обратном направлении.

В большинстве технологий xDSL пользователь получает возможность по одной абонентской (телефонной) линии передавать поток данных и осуществлять речевую связь. Для этого на концах абонентской линии устанавливается частотный разделитель (сплиттер). Технология G.Lite является бесплиттерной, разделение речевого трафика и трафика данных выполняется непосредственно в модеме.

Установление соединения между DSL-модемами осуществляется согласно стандарту ITU-T G.994.1. Большинство устройств DSL обеспечивают автоматическое согласование параметров соединения, поддерживают функции сетевого управления и управления режимами питания. Для адаптации устройств DSL к резким изменениям, происходящим на линии связи, в них реализована функция быстрой перенастройки (fast retrain). В ходе согласования устройства могут обмениваться идентификаторами фирм-производителей и нестандартной информацией, используемой для реализации фирменных функций.

Поскольку линия xDSL заканчивается на телефонной станции, она всегда активна. И чтобы получить доступ в Internet, пользователю не нужно устанавливать коммутируемое соединение.

Технология ADSL

ADSL — одна из самых популярных сегодня технологий xDSL. Число установленных в мире портов ADSL приближается к 100 млн. Подавляющее большинство этих портов используется частными пользователями в жилых домах для подключения к Интернету, что связано с асимметричным характером передачи данных.

Технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) превращает стандартные абонентские аналоговые телефонные линии в канал высокоскоростного цифрового доступа, позволяя передавать информацию в сторону абонента со скоростью до 8 Мбит/с и в обратном направлении — до 1 Мбит/с. Одним из основных преимуществ ADSL является то, что она использует повсеместно применяемую витую пару медных проводов (телефонные линии от АТС к абонентам) с сохранением возможности ведения телефонных разговоров по этой же линии. А это значит, что со стороны провайдера не требуется затрат на прокладку дополнительных линий связи.

Технология ADSL разрабатывалась в начале 90-х годов, а в 1993 году появилась в американских телефонных сетях. Однако широкое распространение в мире данная технология получила лишь в 1998 году. Компания "Вэб Плас" первой начала широкомасштабную программу по предоставлению услуги ADSL в России.

Асимметричный цифровой канал

Технология ADSL была разработана для предоставления услуг, требующих асимметричной передачи данных, например, видео по запросу. В этом случае большой поток данных передается в сторону пользователя (загрузка видео), в то время как в сторону сети от пользователя поток данных почти всегда невелик. На узле доступа (обычно это площадка провайдера услуг, расположенная в помещении АТС) устанавливается мультиплексор ADSL-доступа — DSLAM, функцией которого и является обеспечение взаимодействия с сетью. Голосовые каналы поступают непосредственно на АТС. Одновременная передача голоса и данных по одной телефонной линии достигается путем разделения полосы частот на потоки: полоса до 4 кГц используется для сохранения традиционной телефонной связи, в то время как сигналы передачи данных лежат в диапазоне от 4 кГц до 1 МГц.

Высокоскоростной поток в свою очередь разделяется на множество потоков, при этом диапазон от 30 до 138 кГц предназначается для передачи данных от абонента (восходящий поток) с максимально возможной скоростью 640 Кбит/с. Весь верхний диапазон частот, как правило от 150 кГц до 1,1 МГц, предназначен для нисходящего потока, и здесь пропускная способность в зависимости от расстояния и состояния линии может достигать 8 Мбит/с. Передача потоков данных наиболее часто выполняется методом дискретной мультичастотной модуляции (DMT).

Иногда для создания потоков данных применяют метод эхо-компенсации, при котором диапазоны высокоскоростного и служебного потоков перекрываются. В этом случае разделение потоков выполняется с помощью дифференциальной системы модема и используется в дифференциальных модемах с поддержкой протоколов V.32 и V.34, а их передача осуществляется также методом DMT, принятым в качестве основного стандарта для линейного кодирования ADSL-каналов.

В 1999 году ITU (International Telecommunication Union) принял первый стандарт из многочисленного на сегодняшний день семейства ADSL, известный как G.992.1 (G.dmt), согласно которому для разделения голоса и данных на каждом конце ADSL-линии устанавливаются специальные фильтры — сплиттеры.

Сплиттер представляет собой небольшой блок, к одному из входов которого подсоединяется телефонная пара от АТС, а к двум другим — ADSL-модем и телефон. Сплиттер может быть как самостоятельным устройством, так и встроенным в ADSL-модем. Модем подключается к компьютеру пользователя через интерфейс Ethernet 10/100 BaseT или через USB-порт (в зависимости от типа ADSL-модема). Таким образом, низкочастотные (голосовые) сигналы подаются на коммутационное оборудование АТС (на стороне провайдера) и на телефонный аппарат абонента, а высокочастотные сигналы (данные) — на DSLAM (на стороне провайдера) и ADSL-модем абонента.

Основные преимущества использования ADSL-технологии:

■ эксплуатация уже существующей телефонной линии связи;

■ высокоскоростная линия передачи данных, а следовательно, возможность доступа к новым сервисам — видео по запросу, сетевые игры, видеонаблюдение и видеоконференции, дистанционное обучение и т. п.;

■ возможность одновременной работы в Интернете и разговоров по телефону;

■ невысокая стоимость пользовательского оборудования, возможность выбора интерфейса для подключения к компьютеру (Ethernet, USB, PCI-карта).

Скорость передачи данных от провайдера к абоненту зависит от ряда факторов, среди которых — длина абонентской линии, диаметр медной проволоки и сопротивление изоляции кабеля, наличие мостов-ответвителей, величина перекрестных наводок, количество скруток и т. п.

После принятия первого из стандартов семейства ADSL, ITU постоянно работал над их усовершенствованием. Следующим был утвержден стандарт G.992.2 (G.Lite) для бессплиттерной ADSL, согласно которому для разделения частот на стороне пользователя используются микрофильтры. Телефонная пара от АТС подключается непосредственно к ADSL-модему, а телефон — к телефонной паре через микрофильтр, отсекающий высокочастотную полосу данных и тем самым исключающий паразитные шумы в телефонах пользователей. Это упрощение и удешевление технологии было сделано за счет существенного снижения максимальной скорости передачи данных до 1,5 Мбит/с в нисходящем потоке и до 512 Кбит/с — в восходящем.

Технологии ADSL2 и ADSL2+

Целью разработки стандартов ADSL2 (G.992.3, G.992.4) и ADSL2+ (G.992.5) было достижение большей пропускной способности линий при передаче данных на значительные расстояния при наличии узкополосных помех. Среди их главных преимуществ — увеличение скорости передачи данных в сторону абонента до 12 Мбит/с — ADSL2, и 24 Мбит/с — ADSL2+, с возможностью ее адаптации к качеству канала связи, диагностика состояния канала и возможность передачи данных на большие расстояния. Это осуществляется, в частности, за счет улучшенных схемы модуляции и алгоритма обработки сигнала, уменьшения служебных данных в пакете, более эффективного кодирования.

В ADSL2/ADSL2+ реализуется четырехмерное 16-уровневое решетчатое кодирование (trellis coding) и однобитная квадратурная амплитудная модуляция. Это и обеспечивает более высокие скорости передачи данных на линиях длиной до 3 км с низким значением величины отношения сигнал/шум. В отличие от ADSL, предусматривающего фиксированный объем служебной информации в пакете, который занимает полосу 32 Кбит/с, в ADSL2 длина служебного поля может задаваться программно, что позволяет регулировать размер непроизводительных расходов в интервале от 4 до 32 Кбит/с, освобождая таким образом пользователю для передачи полезных данных дополнительно до 28 Кбит/с. В результате на линиях с высоким качеством пропускная способность достигает значения 12 Мбит/с в нисходящем и 1 Мбит/с в восходящем потоках. На линиях длиннее 3,5 км ADSL2 позволяет передавать при той же скорости на 200 м дальше, чем ADSL, а на равных расстояниях — на 50 Кбит/с быстрее.

Преимущества и возможности

- улучшенные параметры скорости и дальности передачи

- диагностика и автоматическая регулировка

- расширенные возможности управления питанием

- быстрый запуск

- полностью цифровой режим

- улучшенные возможности взаимодействия оборудования

В ADSL2 и ADSL2+ применяется улучшенная модуляция, обеспечивающая уменьшение количества служебной информации в заголовках кадров (framing overhead), более высокий выигрыш от кодирования, а также предоставляющая усовершенствованные механизмы инициализации и алгоритмы обработки сигналов.

Технология ADSL2 позволяет увеличить скорость передачи данных в направлении к пользователю до 12 Mбит/с, по сравнению с приблизительно 8 Mбит/с в случае ADSL.

Технология ADSL2+ позволяет в два раза увеличить максимальную частоту, используемую для передачи данных в направлении к пользователю - 2,2 МГц вместо 1,1 МГц и обеспечить максимальную скорость передачи в нисходящем направлении до 25 Mбит/с на телефонных линиях длиной до 1500 м.

Технология ADSL2+ имеет ряд новых функций и преимуществ по сравнению с ADSL: увеличение дальности действия и скорости передачи, диагностика линии, управление мощностью передачи, быстрое установление соединений и улучшенное взаимодействие.

На устойчивость связи и производительность ADSL-каналов значительно влияют перекрестные наводки. Они вызваны тем, что телефонные пары, как правило, собираются в жгуты, содержащие по 25 и более пар, и близлежащие xDSL-линии создают друг другу электромагнитные помехи. Кроме того, на качество связи влияют АМ-радиоволны, температурные скачки, вода.

Функции мониторинга предоставляют в масштабе реального времени информацию о качестве линии и шуме на обоих концах линии. Поставщики услуг могут использовать эти данные для мониторинга качества ADSL-соединения и предотвращения ухудшений обслуживания. Кроме того, с помощью этих данных поставщики могут определить, можно ли конкретному пользователю предоставить услуги с более высокой скоростью передачи. SELT (тестирование линии без подключения удаленного конца) и DELT (тестирование линии с подключением удаленного конца) предоставляют возможность определить перед эксплуатацией длину линии, наличие короткозамкнутых и разомкнутых цепей, сечение проводов и предполагаемую пропускную способность. В случае изменения условий в канале используется новая возможность, которая называется плавной регулировкой скорости передачи (Seamless Rate Adaptation, SRA). Если модем обнаруживает ухудшение состояния линии вследствие, например, сильных электромагнитных помех, то он изменяет скорость передачи данных без прерывания операций и ошибок передачи. Механизм SRA основан на разделении уровней модуляции сигнала и формирования пакета, что позволяет варьировать скорость передачи без модификации параметров в заголовке пакета. Для этого используется сложная процедура реконфигурации системы.

Протокол SRA работает по следующему алгоритму:

■ приемник отслеживает соотношение сигнал/шум в канале и определяет, что скорость передачи данных необходимо изменить;

■ приемник посылает передатчику сообщение, которое инициирует изменение;

■ передатчик посылает в ответ сигнал Sync Flag, который используется как маркер для определения точного времени, когда новые параметры передачи вступят в силу;

■ сигнал Sync Flag обрабатывается приемником, и оба переходят на новый режим передачи данных.

Наличие двух режимов управления питанием позволяет сократить расход энергии, одновременно поддерживая функцию постоянного подключения ADSL для пользователей. Режим питания L2 предназначен для режима низкой скорости передачи, который не требует наличия полного ширины полосы пропускания, а режим питания L3 предназначен для режима ожидания или "спящего" режима. Эта функция позволяет сократить расход энергии более чем на 50 % для каждой линии.

Режим быстрого запуска сокращает время инициализации с 10 с до 3 с.

Имеется возможность использовать "телефонную" полосу частот под передачу данных. При этом скорость передачи данных в восходящем направлении (от пользователя) увеличивается на 256 кбит/с.

Новые процедуры инициализации модема позволяют решить проблемы совместимости оборудования и обеспечивают лучшие эксплуатационные характеристики, когда соединяются ADSL-модемы различных производителей.

Производство оборудования, поддерживающего новые стандарты, налажено многими компаниями: Cisco Systems, Alcatel, Ericsson, Paradyne, ZyXEL, D-Link. Компания ECI Telecom предлагает для операторов мультисервисную платформу абонентского доступа Hi-FOCuS4, которая поддерживает все три вида вышеуказанных стандартов ADSL/2/2+.