Каталог :: Коммуникации и связь

Реферат: Технология HDSL

Титулдьный лист

Оглавление: 1. Идея HDSL................................2 2. Технологии кодирования, применяемые в HDSL..................5 3. Кодирование 2B1Q.............................6

4. Кодирование CAP..............................7

5. Литература................................11

"Медь закопана в землю, но далеко еще не мертва" Поговорка разработчиков HDSL За последние 120 лет по всему миру были проложены миллионы километров линий телекоммуникаций из доброй старой меди. Приход цифровой эры, оптоволокна, казалось, положил конец медному кабелю. Однако жизнь распорядилась по-другому. Технологии DSL (Digital Subscriber Loop), разработанные для организации высокоскоростной цифровой связи по существующим медным линиям, доказали, что уложенный в землю кабель — ценнейший капитал, который еще не время списывать в утиль.

Идея HDSL

С разработкой концепции DSL значительно изменилась идеология развития сетей связи. Если раньше широко бытовало мнение, что довести "цифру в каждый дом" можно лишь с помощью массового внедрения оптических кабелей, то после практической апробации технологий DSL, особенно HDSL (см. ниже), у операторов связи появилась уверенность в том, что существующая сеть медных кабелей связи еще долго останется той основой, на которой строится вся телекоммуникационная инфраструктура. На рис. 1 показана эволюция медно-кабельных линий как среды передачи цифровой информации от азбуки Морзе (10 бит/с) до технологий VDSL (51 Мбит/с). Технологии цифровых абонентских линий, обычно называемые HDSL, начавшие свое развитие в 70-х годах созданием устройств доступа Basic Rate ISDN (160 кбит/с) и обещающие в недалеком будущем массовое внедрение оборудования VDSL, позволяют достичь на медном кабеле скоростей передачи, ранее доступных лишь на волоконно-оптических линиях (ВОЛС). tcc1_r1.gif Рис.1. Рост скорости цифровой передачи по медным линиям связи Первой из HDSL является технология U-интерфейса ISDN, обеспечивающая дуплексную передачу со скоростью 160 кбит/с по одной витой паре. Эта технология широко распространена и, кроме сетей ISDN, применяется для создания оборудования уплотнения абонентских линий и модемов на ограниченную дистанцию (short-range). Следующей технологией в ряду DSL (и наиболее распространенной в настоящее время) является высокоскоростная цифровая абонентская линия HDSL (High-bit- rate Digital Subscriber Loop). Технология HDSL обеспечивает полный дуплексный обмен на скорости 2048 кбит/с. Для передачи используются две или три кабельных пары. Дальнейшим развитием технологии HDSL стало появление устройств симметричной высокоскоростной цифровой абонентской линии, работающих по одной паре SDSL (Single Pair Symmetrical Digital Subscriber Loop). В последние годы были разработаны еще более высокоскоростные технологии DSL, например, такие, как ADSL и VDSL. Технология асимметричной цифровой абонентской линии ADSL (Asymmetrical DSL) обеспечивает передачу до 8 Мбит/с в направлении "от сети к абоненту" и до 1 Мбит/с в направлении "от абонента к сети" и обещает быть весьма перспективной для доступа к сети Интернет. Вместе с тем ADSL вряд ли найдет широкое применение в телефонии, где, как правило, необходима симметричная дуплексная передача. Применение ADSL как средства доступа сдерживается в настоящее время также ограниченной пропускной способностью магистральных сетей. Например, Интернет-провайдер с пропускной способностью магистральной сети 155 Мбит/с (STM-1) сможет подключить на скорости 8 Мбит/с всего около 20 абонентов (155 : 8). Что касается VDSL (Very High-bit-rate Digital Subscriber Loop), то эта технология пока не вышла из лабораторий, хотя ряд производителей анонсировал появление оборудования с использованием VDSL в 1998г. Все технологии HDSL рассматривались изначально как технологии абонентского доступа (отсюда и название), предназначенные для использования на абонентских линиях, то есть на медных кабельных парах, проложенных от телефонной станции до месторасположения абонента. На практике сфера применения технологий HDSL оказалась существенно шире. Например, ведущий производитель оборудования HDSL в США, компания PairGain Technologies, добилась наибольшего объема поставок систем HDSL для проведения модернизации межстанционных цифровых соединительных линий Т1. По данным ведущего европейского производителя HDSL, фирмы Schmid Telecom AG (Швейцария), модернизация существующих и организация новых трактов Е1 для межстанционной связи (функциональный аналог Т1 по европейскому стандарту) остается одним из основных приложений систем HDSL в Европе. Об этом же говорит и опыт внедрения оборудования HDSL в России. Тем не менее, для лучшего объяснения идеи разработки технологии HDSL и типовой дистанции или дальности работы оборудования, приведем типовые параметры абонентских линий. По имеющимся данным ("Электросвязь", Nl, 1997, с. 13), на городских телефонных сетях России средняя длина абонентских линий (АЛ) составляет 1280 м (коэффициент вариации — 0,59), при этом 100% абонентских линий не превышает по длине 5 км. По другим данным (Schmid Telecom AG), учитывающим сельские и пригородные сети, более 60% АЛ в странах Восточной Европы не превышают по длине 6 км, а 95% укладываются в 12 км. Технология HDSL, предназначенная первоначально для "цифровизации" именно абонентских линий, разрабатывалась таким образом, чтобы обеспечить работу на подавляющем большинстве существующих АЛ. В результате "базовая дальность" для систем HDSL оказывается равной 5—6 км (по паре с жилой диаметром 0,4—0,5 мм). Так как абонентские линии часто выполняются составным кабелем, участки которого имеют разное сечение жил (от 0,35 до 0,9 мм), технологии HDSL должны быть работоспособны на линиях самых "сложных" топологий. И наконец, поскольку в кабеле, как правило, несколько десятков (а то и сотен) жил, аппаратура HDSL должна "сосуществовать" с оборудованием, работающим по соседним парам, будь то другая система HDSL, ISDN или обычный аналоговый телефон. О том, как решаются столь сложные задачи, и пойдет речь ниже.

Технологии кодирования, применяемые в HDSL

Наиболее широко сейчас применяется (за исключением BR ISDN) технология HDSL, поэтому о ней будет рассказано наиболее подробно. Как уже отмечалось, главной идеей технологии HDSL является использование существующего металлического (чаще всего медного) кабеля для безрегенераторной передачи цифровых потоков 2 Мбит/с на большие расстояния. Оборудование HDSL применимо для работы по кабелю любого типа — симметричному городскому (ТПП и аналогичный), магистральному (КСПП, ЗКП) и даже коаксиальному (после некоторой переработки линейных согласующих блоков). Главные факторы, влияющие на качество работы оборудования HDSL — параметры линии связи. Ниже перечислены ключевые для технологий HDSL характеристики. 1. Ослабление сигнала. Затухание сигнала в кабельной линии зависит от типа кабеля, его длины и частоты сигнала. Чем длиннее линия и выше частота сигнала, тем выше затухание. 2. Нелинейность АЧХ. Как правило, кабельная линия связи представляет собой фильтр нижних частот. 3. Перекрестные наводки на ближнем и дальнем окончаниях (FEXT, NEXT). 4. Радиочастотная интерференция. 5. Групповое время задержки. Скорость распространения сигнала в кабеле зависит от его частоты, таким образом, даже при равномерной АЧХ форма импульса при передаче искажается. Основу оборудования HDSL составляет линейный тракт, то есть способ кодирования (или модуляции) цифрового потока для его передачи по медной линии. Технология HDSL предусматривает использование двух технологий линейного кодирования — 2B1Q (2 binary, 1 quartenary) и CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation). Обе технологии основаны на цифровой обработке передаваемого и принимаемого сигналов так называемым сигнальным процессором и обладают рядом общих принципов. Так, для снижения частоты линейного сигнала, а следовательно, повышения дальности работы, в технологии HDSL применена адаптивная эхокомпенсация. Суть ее состоит в том, что прием и передача ведутся в одном спектральном диапазоне, разделение сигналов осуществляет микропроцессор. Приемник модема HDSL как бы вычитает из линейного сигнала сигнал собственного передатчика и его эхо (сигнал, отраженный от дальнего конца кабеля или от места сочленения составного кабеля). Настройка системы HDSL под параметры каждой линии происходит автоматически, оборудование динамически адаптируется к параметрам каждого кабеля, поэтому при установке аппаратуры или ее переносе с одного участка на другой не требуется проведения каких-либо ручных настроек или регулировок. Применение эхокомпенсации позволило вести не только в одном кабеле, но и по одной паре передачу в обоих направлениях, что также является ключевым преимуществом технологии HDSL перед применяемыми ранее методами линейного кодирования HDB3 или AMI. Напомним, что построенные до появления технологий DSL тракты Т1 или Е1, помимо установки множества линейных регенераторов (через каждые 1000— 1500 м), требовали прокладки двух кабелей, в одном из которых все пары задействовались под передачу, а в другом под прием.Теперь рассмотрим более подобно каждый из методов кодирования HDSL.

Кодирование 2B1Q

Первой была разработана технология 2B1Q, которая остается широко распространенной в странах Западной Европы и США. Технология 2B1Q изначально использовалась в сетях ISDN для передачи потока 144 кбит/с (2B+D, BR ISDN). Затем она была модернизирована для передачи более высокоскоростных потоков. Код 2B1Q представляет собой модулированный сигнал, имеющий 4 уровня, то есть в каждый момент времени передается 2 бита информации (4 кодовых состояния). Спектр линейного сигнала симметричный и достаточно высокочастотный (см. рис. 2), присутствуют также низкочастотные и постоянная составляющие. tcc1_r2.gif Рис.2. Технология 2B1Q Рассмотрим, как влияют на передачу кода 2B1Q различные факторы. В городских условиях создается большое количество низкочастотных наводок, например при пуск мощных электрических машин (метро, трамваи и т.д.), электросварке, кроме того, в кабелях связи создается большое количество импульсных помех (набор номера, передача сигналов сигнализации и т.д.). Комплекты БИС (больших интегральных схем), реализующих технологию 2B1Q, используют достаточно сложные методы коррекции искажений в низкочастотной области спектра и обеспечивают удовлетворительное качество передачи. Вместе с тем кодирование 2B1Q все же остается чувствительным к искажениям, так как сигнал имеет постоянную составляющую, и более того, максимум энергетического спектра приходится на низкие частоты. Большой разброс частот в спектре сигнала 2B1Q ведет к возникновению трудностей, связанных с групповым временем задержки. Микропроцессорная обработка, впрочем, помогает решить и эти проблемы, хотя алгоритм обработки сигнала существенно усложняется. Серьезное влияние на передачу оказывает радиочастотная интерференция. Радиопередачи в диапазонах длинных и средних волн, работа мощных радиорелейных линий вызывают наводки на кабельную линию и мешают передаче кода 2B1Q, если имеют совпадающие участки спектров. Этот фактор особенно негативно сказывается при использовании аппаратуры HDSL для соединения студий и радиопередающих центров, а также при монтаже оборудования в помещениях или в непосредственной близости телерадиоцентров . Спектр кода 2B1Q содержит высокочастотные составляющие, максимум энергии передается в первом "лепестке", ширина его пропорциональна скорости на линии. Как уже отмечалось, затухание сигнала в кабеле растет с увеличением его частоты, поэтому в зависимости от требуемой дальности применяется одна из трех скоростей линейного сигнала (784, 1168 или 2320 кбит/с). Технология 2В 1Q для передачи потока 2 Мбит/с использует одну, две или три пары медного кабеля. По каждой из пар передается часть потока (см. рис. 2) с вышеупомянутыми скоростями. Наибольшая дальность работы достигается при использовании трех пар (около 4 км по жиле 0,4 мм), наименьшая — при работе по одной паре (менее 2 км). Ввиду того, что дистанция работы систем HDSL (кодирование 2B1Q), использующих одну пару, не удовлетворяет базовым требованиям по дальности, такие системы не нашли широкого распространения. Системы, работающие по трем парам, до сих пор достаточно широко используются, однако постепенно вытесняются системами, применяющими технологию САР (см. ниже) и обеспечивающими ту же дальность по двум парам. Из систем с кодированием 2B1Q наибольшее распространение имеют системы, работающие по двум парам. Их дальность работы (около 3 км по жиле 0,4 мм) обеспечивает подавляющее большинство задач доступа в странах Западной Европы и США, где длина АЛ в 80% случаев (данные Schmid Telecom AG) не превышает 3 км. По мнению большинства экспертов, с технической точки зрения технология 2B1Q несколько уступает более поздней технологии линейного кодирования — САР (см. ниже). Однако в мире до сих пор производится большое количество оборудования, использующего 2B1Q. Почему? Ответ достаточно очевиден. Во-первых, длина абонентских линий в США и Западной Европе, как правило, достаточно небольшая, так что дальности 2B1Q вполне достаточно. Качество кабеля в вышеупомянутых регионах также достаточно высокое, что снижает влияние различных мешающих факторов. Во-вторых, важным достоинством технологии 2B1Q является ее дешевизна. Около десяти крупных производителей БИС поставляют комплексные решения для создания оборудования HDSL по технологии 2B1Q. Наличие конкуренции, естественно, положительно сказывается на цене микросхем и готовых модулей приемопередатчиков. По мнению зарубежных экспертов, технология 2B1Q становится все более и более "доступной": многие компании, даже не специализирующиеся на производстве оборудования HDSL, получат возможность быстро и дешево разработать собственное устройство или блок HDSL с использованием готовых решений (иногда целых HDSL модулей) от поставщиков БИС, таких, как Metalink, Brooktree (Rockwell), PairGain Technologies и др.

Кодирование CAP

Что же касается стран Восточной Европы, Южной Америки, Азии, то ввиду большей длины абонентских и соединительных линий, более низкого, как правило, качества уложенных кабелей, большим спросом пользуются системы HDSL, базирующиеся на технологии CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation) — амплитудно-фазовой модуляции без передачи несущей. Разработчик технологии — компания GlobeSpan (бывшая AT&T) — поставила себе целью создать узкополосную технологию линейного кодирования, нечувствительную к большинству внешних помех, что, как показывает опыт внедрения систем HDSL САР в мире и в России, вполне удалось. tcc1_r3.gif Рис.3. Технология CAP Модуляция САР сочетает в себе последние достижения модуляционной технологии и микроэлектроники. Модуляционная диаграмма сигнала САР напоминает диаграмму сигнала модемов для телефонных каналов, работающих по протоколам V.32 или V.34. Несущая частота модулируется по амплитуде и фазе, создавая кодовое пространство с 64 или 128 состояниями, при этом перед передачей в линию сама не" сущая, не передающая информацию, но содержащая наибольшую энергию, "вырезается" из сигнала, а затем восстанавливается микропроцессором приемника. Соответственно 64-позицион-ной модуляционной диаграмме сигнал CAP- 64 передает 6 бит информации в каждый момент времени, то есть в 16 раз больше по сравнению с 2B1Q. Модуляция CAP-128, применяемая в системах SDSL (2 Мбит/с по одной паре), имеет 128-позиционную модуляционную диаграмму и, соответственно, передает 7 бит за один такт. Итогом повышения информативности линейного сигнала является существенное снижение частоты сигнала и ширины спектра, что, в свою очередь, позволило избежать диапазонов спектра, наиболее подверженных различного рода помехам и искажениям. На рис. 3 показаны спектр и модуляционная диаграмма сигнала САР. Для иллюстрации достоинств модуляции САР на рис. 4 наложены спектры сигналов с кодом HDB3 (технология, применяемая ранее для строительства линий Е1, в частности, используемая в линейных тактах систем типа ИКМ-30), 2B1Q и САР. Из сравнительного анализа спектров видны положительные особенности систем HDSL, основанных на САР модуляции. tcc1_r4.gif Рис.4. Спектры сигналов HDB3, 2B1Q, CAP 1. Максимальная дальность работы аппаратуры. Как уже отмечалось, затухание в кабеле пропорционально частоте сигнала, поэтому сигнал САР, спектр которого не имеет составляющих выше 260 кГц, распространяется на большую дистанцию, чем сигнал с кодом 2B1Q или HDB3. В условиях, когда выходная мощность в системах HDSL ограничена стандартами (+13,5 дБ), а чувствительность приемника из-за шумов не может превышать -43 дБ, снижение частоты линейного сигнала увеличивает дальность работы систем HDSL САР по сравнению с 2B1Q. Для систем, работающих по двум парам (см. таблицу), выигрыш составляет 15—20% (для жилы 0,4—0,5 мм), для систем SDSL (работающих по одной паре) — 30...40%. Дальность передачи (без регенераторов), достигаемая в HDSL CAP, выше дальности работы линейного тракта ИКМ-30 (HDB-3) на 350—400%. 2. Высокая помехоустойчивость и нечувствительность к групповому времени задержки. Ввиду отсутствия в спектре высокочастотных (свыше 260 кГц) и низкочастотных (ниже 40 кГц) составляющих, технология САР нечувствительна к высокочастотным наводкам (перекрестные помехи, радиоинтерференция) и импульсным шумам, так же как и к низкочастотным наводкам и искажениям, например, при пуске мощных электрических машин (ж/д, метро) или электросварке. Поскольку ширина спектра составляет лишь 200 кГц, не проявляются эффекты, вызываемые групповым временем задержки. 3. Минимальный уровень создаваемых помех и наводок на соседние пары. Сигнал САР не вызывает интерференции (взаимовлияния) и помех в спектре обычного (аналогового) телефонного сигнала, так как в спектре нет составляющих ниже 4 кГц. Это снимает ограничения на использование соседних пар для обычных (аналоговых) абонентских или межстанционных соединений. 4. Совместимость с аппаратурой уплотнения, работающей по соседним парам. Большинство аналоговых систем уплотнения абонентских и соединительных линий используют спектр до 1 МГц. Системы с модуляцией САР могут вызывать наводки на частотные каналы в диапазоне 40—260 кГц, однако остальные каналы не подвергаются какому-либо влиянию, следовательно, есть возможность использования аппаратуры HDSL САР в одном кабеле с аналоговой аппаратурой уплотнения. Системы же HDSL с модуляцией 2B1Q вызывают наводки фактически на все частотные каналы аналоговых систем уплотнения , нагружающих соседние пары, поэтому, как правило, не могут быть использованы в одном кабеле с аналоговой аппаратурой уплотнения. Чтобы проиллюстрировать типовые значения дальности работы систем HDSL, использующих различные технологии линейного кодирования, в таблице 1 представлены типовые дистанции работы оборудования HDSL WATSON (производство Schmid Telecom AG, Швейцария) различных серий. Оборудование WATSON 2 использует кодирование 2B1Q и работает по двум парам, WATSON 3 использует CAP-64 и работает также по двум парам, а работающая по одной паре аппаратура WATSON 4 применяет модуляцию CAP-128. Необходимо отметить, что приведенные в таблице данные являются лишь типовыми значениями, измеренными на определенных кабелях при заданных уровнях шумов (в соответствии со стандартами ETSI). В случае, когда приведенная в таблице дальность оказывается недостаточной (длина линии, на которой необходимо организовать цифровой тракт, превышает типовые значения), применяется регенератор. Его организуют из двух блоков HDSL, соединенных "спина к спине", или выполняют в специальном корпусе в качестве особого устройства. Регенератор удваивает рабочую дистанцию, на одной линии теоретически возможно использование до 7—8 регенераторов. Таблица 1. Характерная дистанция работы систем HDSL и SDSL WATSON
Диаметр жилыДопустимая длина линии без регенераторов
WATSON 2 (2B1Q)WATSON 3 (CAP-64)WATSON 4 (CAP-128)
0,4 ммдо 4 км4-5 км3,0 км
0,6 ммдо 6 км6-7 км4,2 км
0,8 ммдо 9 кмдо 9 км6,3 км
При проектировании сети очень важно на практике определить пригодность тех или иных кабельных пар к работе оборудования HDSL. Приблизительно оценить возможность применения системы HDSL поможет приведенная в статье таблица. Чтобы получить более точные результаты, следует провести ряд измерений, для чего необходимо использовать специальный тестер, позволяющий генерировать характерные для HDSL значения перекрестных помех (NEXT, FEXT), а также проверить затухание в линии на характерных частотах. Существует специализированное измерительное оборудование, предназначенное для этих целей, однако не стоит приобретать столь дорогостоящее оборудование (в десятки раз выше стоимости пары модемов HDSL) только с целью протестировать линии под применение систем HDSL. Дело в том, что значительно проще и дешевле проверить кабельные пары пробным включением пары модемов HDSL, обеспечивающих полную диагностику в соответствии с рекомендацией ITU-T G.826. Такой подход позволит не только на 100% определить, пригодна ли линия для аппаратуры конкретного типа (2B1Q, CAP-64 или CAP-128), но и промерить большое количество качественных характеристик полученного цифрового тракта (BER, SQ и др.). Параметры HDSL-линии, измеряемые в соответствии с G.826, приведены ниже. /. CRC6: Cyclic redundancy check indicating errored blocks received on the local HDSL side. Проверка циклическим кодом, показывающая ошибочные блоки, полученные на локальном конце HDSL-тракта. 2. FEBE: Far end block error indicating errored blocks received on the remote HDSL side. Показывает ошибочные блоки, принятые на удаленном конце HDSL-тракта. 3. Errored block (ЕВ): A block in which one or more bits are in error. Блок, в котором один или более ошибочных бит. 4. Errored seconds (ES): A one second period with one or more errored blocks. SES defined below is a subset of ES. Период времени длительностью одна секунда, в котором зарегистрирована одна или боле ошибок. 5. Severely errored second (SES): A one second period which contains >30% errored blocks. Период длительностью одна секунда, в котором более 30% ошибочных блоков. 6. Background block error (BBE): An errored block not occurring as part of an SES. Ошибочный блок, не учтенный в 5. 7. Errored second ratio (ESR): The ratio of ES to total seconds in available time during a fixed measurement interval. Отношение количества секунд с ошибками к количеству секунд без ошибок за некоторое фиксированное время измерений. 8. Background block error ratio (BBER): The ratio of errored blocks to total blocks during a fixed measurement interval, excluding all blocks during SES and unavailable time. Отношение количества блоков с ошибками к общему количеству переданных блоков за определенное время, за исключением блоков, определенных в пункте 5 (SES), т.е. переданных во время неработоспособности системы. В следующем номере журнала читателям будет предложен обзор оборудования HDSL, сертифицированного в России, и примеры построения сетей доступа с его использованием. Литература: Для подготовки данной работы были использованы материалы Денисьевой Ольги Михайловны. Кандидат технических наук, доцент кафедры автоматической электросвязи МТУСИ