Geum.ru

Лекция 2 Описание технологии на уровне adsl

Вид материалаЛекция

Содержание


Модуляция QAM
Модуляция 256 DMT и ее связь с QAM.
Сигнальный обмен в ADSL. Инициация услуги
Стандарты ADSL
Подобный материал:

Лекция 2


Описание технологии на уровне ADSL


Поскольку для исследования технологии широкополосных систем абонен­тского доступа на базе ADSL интерес представляет в основном связка модем-DSLAM, рассмотрим общие параметры этих устройств в соответствии с рис.1.10. Проанализируем принципы работы протокола ADSL в той его части, которая может иметь ценность для последующего исследования принципов эксплуатации сетей ADSL.

Прежде всего, отметим, что технология ADSL изначально не шла по пути технологий «последней мили» (HDSL, SHDSL и пр.). Для технологии «после­дней мили» характерна определенная замкнутость в части стандартов. Цель любой технологии xDSL - формирование цифрового потока передачи/при­ема данных на существующем абонентском кабеле. По обеим сторонам ка­беля устанавливаются два модема, осуществляющих линейное кодирова­ние и декодирование цифровых данных в формат, удобный для последую­щей передачи по кабельной паре. При такой постановке задачи сам формат данных, передаваемых в паре, может быть нестандартным, поскольку нет задачи совместимости модемов разных производителей. Модемы исполь­зуются парами (комплектами), а технологии кодирования и модуляции опре­деляют только эффективность использования ресурса металлического ка­беля для передачи цифровой информации.

Отсутствие фактических требо­ваний по стандартизации протоколов привело к многообразию решений в части xDSL. Например, в технологии HDSL могут применяться варианты мо­дуляции 2B1Q, САР, ТС-РАМ и пр., и все это в равной степени будет отно­ситься к системам HDSL.

Совсем не такие принципы были заложены в технологию ADSL. Изначаль­но предполагалась взаимная совместимость DSLAM и модемов разных про­изводителей. Поэтому протоколы и принципы функционирования уровня ADSL изначально попали под жесткий процесс стандартизации.

Требования к протоколу ADSL можно сформулировать кратко в виде не­скольких требований к самой технологии ADSL:
  • Согласование импедансов.
  • Минимизация потерь.
  • Разделение спектров телефонной связи и ADSL.
  • Сохранение качества телефонной связи.
  • Обеспечение стабильного канала передачи данных для ADSL.
  • Зависимость скорости передачи по линии вверх/вниз от параметров линии, что позволяет «выжать все» из абонентской пары.


Рассмотрим, каким образом все перечисленное было решено в рамках протокола ADSL (рис.2.1).




Рис.2.1. Устройство передатчика ATU-C


Даже первый взгляд на схему рис 1.11 показывает, что процесс формиро­вания сигнала ADSL представляет собой довольно сложный алгоритм, кото­рый можно представить в виде схемы последовательного формирования сиг­нала ADSL (рис.2.2)





Рис. 2.2. Последовательное преобразование сигналов в системе ADSL


Сначала данные преобразуются в поток ячеек ATM. В системе ADSL ис­пользуются до 7 независимых потоков ячеек: симплексные потоки AS0-AS1 обеспечивают режим передачи данных только от DSLAM к модему, дуплекс­ные потоки LS0-LS2 позволяют устанавливать обмен данными по линии вверх и вниз.

Полученные потоки ячеек ATM попадают на мультиплексор, где фор­мируется цикловая и сверхцикловая структура ADSL. Описание этой структу­ры можно найти в стандартах. Они выглядят весьма внушительно, но к прак­тике эксплуатации ADSL отношения не имеют.

Затем к полученным данным в виде кадров ADSL добавляются поля CRC для контроля ошибок в канале DSLAM-модем. Полученный поток кадров проходит процедуру скремблирования, за счет чего происходит линеаризация его параметров.

Наконец, поток данных, упакованный в цикловую структуру ADSL, снаб­женный сигнализацией управления соединением, служебными полями кон­троля ошибок и пр., попадает на модуль, получивший название Tone ordering.

Здесь проявляется специфическая особенность ADSL, а именно - использо­вание модуляции 256DMT, о чем необходимо сказать подробнее.

Метод передачи информации, разработанный для ADSL, состоит в том, что для передачи сигналов используются 256 несущих. Это означает, что в канале передачи работают 256 мини-модемов, каждый из которых передает информа­цию на своей несущей. Применение такой методики позволяет повысить эф­фективность использования ресурса за счет компенсации любых селективных шумовых влияний на параметры передачи. Между несущими устанавливается защитный интервал 4312,5 Гц. Часть несущих отдается под передачу данных по линии вверх, часть - для передачи по линии вниз (рис.2.3).

Передача данных на несущей осуществляется посредством амплитудно-фазовой модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM).





Рис.2.3. Распределение тонов в алгоритме передачи 256 DMT


Объем передаваемой информации на отдельной несущей зависит от со­отношения сигнал/шум на данной частоте. В процессе установления связи модем и DSLAM выполняют диагностику соотношений сигнал/шум на каждой несущей частоте, так что в процессе установления соединения определяется распределение ресурса канала абонентского доступа по разным несущим.

Если на несущей соотношение сигнал/шум оказывается небольшим, то ко­личество бит/с на ней устанавливается меньшим. В результате распределе­ние скорости передачи по частоте в абонентской паре повторяет зависимость отношения сигнал/шум (SNR) от частоты.

Помимо шумов на работе ADSL сказываются параметры кабеля. В соот­ветствии со стандартом наиболее существенное влияние на ADSL оказыва­ют различные неоднородности в кабеле, такие как параллельные отпайки, широко применявшиеся в практике телефонных сетей. Нельзя сказать, что параллельные отпайки совсем устраняют возможность связи по ADSL. Влия­ние их на параметры передачи всегда деструктивно и очень зависит от места размещения. Наиболее существенное влияние оказывают параллельные от­пайки в непосредственной близости к DSLAM или к модему.

Из этого факта следует то, что в процессе проведения любых эксплуатационных измерений исключается подключение приборов к линии ADSL, даже при условии реали­зации высокоомного подключения. А это в свою очередь означает, что для большинства ситуаций система ADSL в связке DSLAM-модем будет совер­шенно изолирована от системы эксплуатации и должна рассматриваться нами как закрытая технологическая система.

От общего анализа принципов устройства технологии ADSL перейдем к более глубокому изучению принципов работы этой технологии.


Модуляция QAM


Как было показано выше, в технологии ADSL передача сигнала осуществ­ляется по довольно сложному алгоритму, соединяющему принципы модуля­ции QAM и использование несущих 256DMT. Для правильного понимания ра­боты ADSL необходимо иметь базовые представления о принципах модуля­ции QAM. Эта модуляция широко применяется в системах связи и детально рассмотрена во всех учебных курсах по теории сигналов. Приведем некото­рые базовые принципы, не вдаваясь в подробности теории. Тем не менее без нескольких формул в этом разделе нам не обойтись.

Начнем с того, что QAM является разновидностью многопозиционной ам­плитудно-фазовой модуляции (рис.2.4). В соответствии с принципами этой модуляции цифровой сигнал кодируется в виде дискретов в фазовой плоско­сти IQ, где I представляет собой синфазную составляющую, a Q - квадратур­ную. Результирующий сигнал можно представить как определенное измене­ние двух параметров сигнала - амплитуды и фазы (Am,Im), откуда и название амплитудно-фазовой модуляции.





Рис. 2.4. Принцип амплитудно-фазовой модуляции QAM


Формирование амплитудно-модулированного сигнала QAM из последо­вательности цифровых символов представлено на рис.2.5.

Входящий поток цифровых данных преобразуется в последовательность кодовых символов. Затем каждый кодовый символ преобразуется в сигнал определенного соот­ношения / и О, так что на выходе получается амплитудно-модулированный сигнал QAM.

Использование QAM для передачи цифрового сигнала имеет следующие особенности.

Передаваемая информация кодируется одновременными изменения­ми амплитуды и фазы несущего колебания (Ат, Iт).

При модулировании синфазной и квадратурной составляющих исполь­зуется одно и то же значение дискрета изменения амплитуды (р).

Окончания векторов модулированного колебания Zm образуют прямо­угольную сетку на фазовой плоскости.





Рис.2.5. Формирование сигнала QAM из последовательности цифровых символов


Число узлов такой сетки определяется типом используемого алгорит­ма QAM.

Схему расположения узлов принято называть созвездием.

Типичная схема обозначения: QAM-<число>,где <число> - количество узлов на фазовой плоскости, а также максимальное количество раз­личных значений модулированного сигнала.

В качестве иллюстрации на рис. 2.6 представлено созвездие QAM-16. Как следует из названия, в таком сигнале имеется 16 состояний. Преобразова­ние цифровых данных в QAM-16 идет следующим образом:
  • Последовательность данных разделяется по 4 бита.
  • 4-битовые комбинации в таком случае рассматриваются как кодовые символы QAM-16.
  • Для каждой комбинации из 4-битов существует кодирующий ее сигнал QAM-16 в соответствии с рис.2.6.




Рис. 2.6. Структура созвездия QAM-16


Наиболее простой модуляцией семейства QAM является QPSK, или QAM-4, в которой изменение фазы несущего колебания выполняется с шагом р/2. Для такой модуляции существует только 4 состояния, а один кодовый символ соответствует 2 битам. В результате скорость передачи информации (измеряемая в бодах) будет в 2 раза меньше битовой скоро­сти данных1.

Более сложные варианты QAM-16/32/64/1 28/256 позволяют еще больше уменьшить скорость передачи информации. Одновременно уменьшается помехозащищенность кодирования. Чем большее количе­ство состояний входит в созвездие QAM, тем больше вероятность того, что в результате помехи произойдет кодовая ошибка.

Следовательно, QPSK оказывается более устойчивой к ошибкам модуляцией, чем QAM-64. Здесь имеет место паритет между допустимой скоростью передачи и уровнем помехозащищенности. Чем выше уровень QAM, тем больше ско­рость передачи, но тем выше уровень ошибок и тем большие требования предъявляются к отношению сигнал/шум.


Модуляция 256 DMT и ее связь с QAM.


Алгоритм линейного кодирования в системах ADSL


Выше мы уже говорили об адаптации технологии ADSL к любым парамет­рам распределения шумов в диапазоне передачи. Использование модуляции 256DMT позволяет устанавливать на каждой несущей определенный уровень передачи в зависимости от отношения сигнал/шум (SNR) на несущей. Техно­логия ADSL в этом смысле является адаптивной и подстраивается под любые параметры существующей абонентской линии.

Следует отметить, что алгоритм 256DMT сочетается с алгоритмом QAM. Происходит это в следующем порядке:
  • В процессе настройки параметров передачи/приема на отдельной не­сущей устанавливается уровень передачи сигнала в 256 DMT.
  • После определения уровня передачи сигнала на каждой несущей опре­деляется допустимый для данного уровня SNR алгоритм модуляции QAM. За счет этого регулируется уровень помехозащищенности пере­дачи и допустимой скорости передачи на несущей.


В качестве примера функционирования единого алгоритма передачи 256DMT/QAM на рис.2.7 представлен вариант абонентской линии, в которой присутствует неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и селективная помеха.





Рис.2.7. Влияние шумов на распределение уровней передачи по отдельным тонам


Внизу на рис. 2.7 показано поведение пары модем-DSLAM для указанной линии. Неравномерность АЧХ приводит к тому, что уровни передачи сигнала в ADSL подстраиваются в соответствии с допустимыми уровнями передачи в кабеле. В результате профиль уровней передачи сигнала ADSL повторяет профиль АЧХ.

Наличие селективной помехи в определенном диапазоне частот делает пе­редачу на нескольких несущих весьма затруднительной. В процессе адаптации алгоритма 256DMT для данных несущих устанавливается небольшой уровень сигнала. Одновременно для этих несущих выбирается более помехозащищенная модуляция QPSK. В результате скорость передачи информации на «повреж­денных» несущих будет минимальной, но все равно успешной.

Таким образом, в ADSL нельзя говорить о двух технологиях модуляции сиг­нала. Существует единый двухшаговый алгоритм 256DMT/QAM, адаптирую­щий передачу цифрового потока к любым параметрам абонентской пары.


Сигнальный обмен в ADSL. Инициация услуги


Завершая рассмотрение общих принципов функционирования системы ADSL, укажем на применение в канале DSLAM-модем системы сигнализации, обеспечивающей установление связи и настройку параметров соединения. В стандартах ADSL этот процесс называется инициацией услуги.

На рис.2.8 представлены основные фазы установления соединения. При подключении модема к DSLAM происходит процесс активизации системы ши­рокополосного доступа через следующие четыре стадии.
  • Этап предварительного обмена данными («рукопожатие»).
  • Этап диагностики соединения (training).
  • Этап диагностики канала обмена данными.
  • Штатная работа системы абонентского широкополосного доступа.

Рассмотрим кратко каждую фазу установления соединения.





Рис. 2.8. Процесс установления связи между DSLAM и модемом


Предварительный обмен данными, который условно называют «рукопо­жатием» (Handshaking), представляет собой начальную стадию подготовки к сигнальному обмену.

На этой стадии используется более простая, чем DMT модуляция - дифференциальная фазовая модуляция DPSK, за счет чего обмен данными на физическом уровне оказывается максимально устойчивым. До­полнительную устойчивость дает использование специальной цикловой струк­туры, позволяющей диагностировать ошибки в процессе передачи. Основ­ной целью сигнального обмена на этой стадии является определение принци­пиальной возможности установления соединения ADSL и режима работы обоих устройств.

Схема сигнального обмена представлена схематично на рис.2.9, где указаны также основные сигналы обмена без излишней детализации. В ходе сигнального обмена проверяется совместимость между DSLAM и мо­демом, поскольку в общем случае они могут быть произведены разными ком­паниями и опираться на разные принципы работы.

После диагностики совме­стимости оба устройства определяют режим, в котором они будут работать в процессе обмена данными.

[Напомним, что ADSL предполагает двусторонний обмен данными по одной паре. По этой причине в модеме и DSLAM не может существовать разделение передатчика и приемника, а используется интегральное уст­ройство - трансивер (TRANSCEIVER = TRANSmitter (передатчик) + reCEIVER (приемник) - передаче-приемник). Для устранения взаимного влияния между цепями передачи и приема в таком устройстве должны при­меняться эхокомпенсаторы и эквалайзеры, позволяющие согласовать параметры волнового сопротивле­ния устройства и настроить уровень передачи сигнала.

Поскольку в ADSL используются существующие пары со всем многообразием их параметров, в процессе диагностики соединения пара устройств адаптируется к конкретной линии.

Этап диагностики соединения - очень важное изобретение технологии ADSL, которая уже на ранних стадиях своего развития использовала принцип адаптации процесса цифровой передачи данных к параметрам качества або­нентской пары. В процессе диагностики соединения выполняется настройка эквалайзеров и эхокомпенсаторов трансиверов.]

ADSL модема и DSLAM. За счет этого пара устройств адаптируется к параметрам конкретной линии, пред­сказать которые в общем случае оператор не может.





Рис.2.9. Обмен данными в процессе «рукопожатия»


Обмен при этом происходит следующим образом:
  • CLR: ATU-R посылает данные о тех режимах связи, которые поддерживает модем;
  • CL: ATU-C посылает данные о тех режимах связи, которые поддерживает DSLAM;
  • ASK: Подтверждение со стороны модема, что он корректно принял перечень

допустимых режимов работы;
  • MS: ATU-R выбирает режим работы;
  • АСК: ATU-C принимает выбранный режим;
  • MS: ATU-R запрашивает режим штатной работы;
  • REQ-MR: ATU-C должен выбрать режим штатной работы и для этого

запрашивает сообщение MR;
  • MR: ATU-R посылает сообщение MR, запрашивая дополнительно сообщение MS;
  • MS: ATU-C устанавливает режим штатной работы;
  • АСК: ATU-R подтверждает выбор

Итак, в процессе диагностики соединения решаются следующие задачи.
  • Измеряется мощность сигнала по линии вверх и в результате настраи­вается уровень мощности передатчика по линии вниз.
  • Настраиваются режимы цепи управления генерации сигнала AGC (Automatic gain control).
  • Настраиваются режимы эхокомпенсации.
  • Настраиваются параметры эквалайзеров.

Сама процедура диагностики соединения представляется очень сложной и имеет мало значения для практического понимания технологии ADSL, по­этому здесь не рассматривается.

Наиболее интересным для практического понимания технологии ADSL яв­ляется этап диагностики параметров канала. Именно на этом этапе пара модем-DSLAM тестирует параметры среды передачи, определяет уровень отно­шения сигнал/шум (SNR) на каждой частоте, устанавливает уровни передачи на каждой несущей, анализирует возможности передачи информации на каж­дой несущей и устанавливает параметры кодирования (кодирование Треллиса) для каждой несущей.

Для выполнения всех перечисленных функций используются цикловая структура и специальные сигналы, позволяющие последовательно диагнос­тировать параметры линии на частоте каждой из 256 несущих. Детальное опи­сание данной процедуры можно найти в стандартах ADSL.

Для практического же понимания технологии нам необходимо только понимать, что по заверше­нии этапа диагностики канала в модеме (и в DSLAM) содержится информация об уровне шумов на каждой несущей, SNR на этой несущей и о допустимой скорости передачи цифровых данных на несущей. По совокупности всех не­сущих DSLAM и модем «договариваются» о максимальной скорости цифрово­го обмена данными по линии вверх и вниз.

То, что внутри системы ADSL присутствует диагностическая информация, существенно сказывается на тех методах эксплуатационного тестирования ADSL.

После этапа диагностики параметров канала процесс инициации услуги завершается. Как было показано выше, в ходе процесса инициации происхо­дит главное таинство технологии ADSL - адаптация режима широкополосной передачи к любым (потенциально любым) параметрам абонентской пары.

Внешне процесс инициации не кажется пользователю таким сложным. Пос­ле подключения модема ADSL к абонентской линии он некоторое время нахо­дится в режиме ожидания.

Сторонний пользователь в таком случае совершен­но не догадывается, какая титаническая работа проводится в это время парой DSLAM-модем. Затем приветственный цвет зеленой лампочки показывает, что инициация услуги прошла успешно. Теперь для обеспечения обмена данными необходимо выполнить установки на уровнях выше уровня ADSL - на уровнях ATM, РРР, IP, HTTP и пр.


Стандарты ADSL


Рассматривая процедуры инициации услуги ADSL, мы несколько раз ссы­лались на стандарты ADSL. Самое время привести сведения о существующих в настоящее время стандартах этой технологии. В табл. 2.1 приведены соот­ветствующие стандарты (Рекомендации ITU-T) для технологии ADSL, ее раз­витии ADSL2+, READSL и пр. и

связанными с нею VDSL и VDSL2.


Таблица 2.1. Стандарты для технологии ADSL/VDSL, применяемые в настоящее время





Библиография


1. Бакланов И.Г. Технологии ADSL/ADSL2+: теория и практика применения.-М.: Метротек,2007.


Контрольные вопросы

  1. Назовите цель создания технологий xDSL.
  2. Перечислите требования к технологии ADSL.
  3. Изобразите схему последовательного формирования сиг­нала ADSL.
  4. Опишите, как преобразуется сигнал в системе ADSL.
  5. Опишите суть модуляции 256DMT.
  6. Изобразите схему распределения тонов в алгоритме передачи 256 DMT.
  7. Посредством чего осуществляется передача данных на несущей в модуляции 256 DMT.
  8. От чего зависит объем передаваемой информации на отдельной несущей в модуляции 256 DMT.
  9. Каким образом на работе ADSL сказываются параметры кабеля.
  10. Опишите базовые принципы модуляции QAM.
  11. Поясните, как вы понимаете адаптивность технологии ADSL.
  12. Поясните, как происходит работа алгоритма 256DMT с алгоритмом QAM.
  13. Изобразите диаграмму влияние шумов на распределение уровней передачи по отдельным тонам.
  14. Изобразите блок схему процесса установления связи между DSLAM и модемом.
  15. Опишите процесс установления связи между DSLAM и модемом.
  16. Расшифруйте термин TRANSCEIVER.
  17. Для чего используются в TRANSCEIVERе эквалайзеры и эхокомпенсаторы.
  18. Изобразите схему обмена данными в процессе «рукопожатия» между устройствами ATU-C и ATU-R.
  19. Какие задачи решаются в процессе диагностики соединения ATU-C и ATU-R.
  20. Как происходит адаптация режима широкополосной передачи к параметрам абонентской пары.
  21. Перечислите скорости передачи данных для основных технологий ADSL/VDSL.