Digitální účastnická přípojka VDSL2

2.1 Základní vlastnosti přípojky VDSL2

Digitální účastnická přípojka VDSL2 je druhou generací přípojky VDSL. Významné a osvědčené inovace oproti původní specifikaci VDSL přebírá druhá generace VDSL2 z druhé generace přípojky ADSL2. Jde zejména o mřížkové kódování (Trellis Code) pro schopnost opravovat v přijímači jednotlivé bitové chyby a také o schopnost opravovat shluky chyb způsobených impulsním rušením pomocí Reed-Solomon kódu a prokládání dat. Podobně jako u ADSL2 lze měnit přenosovou rychlost za provozu SRA (Seamless Rate Adaptation), řídit vysílací výkon pro redukci přeslechů do okolních párů aaktivovat režimy úspory elektrické energie (Sleep Mode).

---

---

Navýšení přenosové rychlosti se docílilo rozšířením využívaného kmitočtového pásma až do 30 MHz. Pro srovnání, přípojka ADSL2+ využívá kmitočtové pásmo pouze do 2,208 MHz. Maximální přenosové rychlosti se pohybují v řádech desítek až stovek Mbit/s. Ve směru downstream je maximální hodnota kolem 200 Mbit/s. Rozšíření využívaného kmitočtového pásma však přináší i nevýhodu. Zkracuje se maximální délka účastnického vedení, na kterém lze přípojku VDSL2 provozovat. Srostoucí šířkou kmitočtového pásma roste totiž iútlum vedení v tomto pásmu.

Obrázek ukazuje průběh útlumu symetrického páru v závislosti na kmitočtu. Délka vedení 1 km, průměr žil vodičů 0,4 mm, materiál měď. Symetrický pár je umístěn v klasickém místním kabelu čtyřkové konstrukce TCEPKPFLE.

2.2 Uspořádání přípojky VDSL2

Jak již bylo řečeno, umožňují přípojky xDSL efektivněji využít stávající účastnické vedení (metalický symetrický pár) pro poskytování nových služeb, než pro jaké bylo vedení původně koncipováno. Proto je nutné předpokládat, že služba POTS nebo BRA-ISDN je již na vedení provozována a přípojka VDSL2 nesmí tuto koexistující službu jakkoliv ovlivňovat (platí to samozřejmě inaopak). Z tohoto důvodu se přípojka VDSL2 provozuje v přeloženém kmitočtovém pásmu a obě služby na účastnickém vedení se navíc oddělují pomocí kmitočtových filtrů (splitterů). Telefonní i datové signály tak mohou být přenášeny v obou směrech po stejném vedení.

Základní schéma zapojení přenosového řetězce přípojky VDSL2 je obdobné jako u starších přípojek ADSL.

Vysokorychlostní přenos digitálních signálů přípojky VDSL2 zajišťují modemy VTU-R (VDSL2 Termination Unit – Remote) na straně účastníka a VTU-C (VDSL2 Termination Unit – Central) na straně poskytovatele připojení. Modem na straně poskytovatele připojení je nejčastěji součástí účastnického multiplexoru DSLAM (DSL Access Multiplexor), který soustřeďuje digitální toky od všech přípojek v dané lokalitě.

Základní schéma zapojení obsahuje následující funkční bloky a rozhraní:

• DSLAM – účastnický multiplexer DSL,
• Splitter-R – kmitočtový filtr (rozbočovač, výhybka) na straně účastníka – v případě varianty služby bez souběhu s aktivní službou POTS či BRA-ISDN není tento splitter nutný,
• Splitter-C – kmitočtový filtr na straně poskytovatele připojení,
• VTU-C – transceiver (modem) VDSL2 na straně poskytovatele připojení,
• VTU-R – transceiver (modem) VDSL2 na straně koncového účastníka,
• U-RV – fyzické rozhraní ukončující vedení na straně účastníka,
• U-CV – fyzické rozhraní ukončující vedení na straně ústředny,
• U-RV2 – fyzické rozhraní mezi splitterem a modemem na straně účastníka,
• T/S – fyzické rozhraní mezi VTU-R a následnou síťovou infrastrukturou na straně účastníka (LAN),
• Z/U0 – fyzické rozhraní symetrického páru se službou POTS/BRA-ISDN s kmitočtovým pásmem omezeným rozbočovačem.

2.3 Vrstvový model koncového zařízení přípojky VDSL2

Funkce a vlastnosti koncového zařízení přípojky VDSL2 lze popsat, obdobně jako i u ostatních přípojek xDSL, prostřednictvím vrstvového modelu. Model zařízení obsahuje dvě základní části. První část je nezávislá na typu datových přenosů, protože obsahuje funkce a bloky, které jsou u všech koncových zařízení stejné a souvisejí s přizpůsobením dat fyzickému přenosovému mediu. Jedná se o bloky PMD (Physical Media Dependent) a PMS-TC (Physical Media Specific – Transmission Convergence). Druhá část, blok TPS-TC (Transport Protocol Specific – Transmission Convergencer), pak respektuje typ datového přenosu a strukturu účastnických dat.

Vrstvový model koncového zařízení přípojky VDSL2.

Základní funkce bloku PMD jsou spojeny svlastním přenosem signálu přenosovým prostředím. Jedná se především o generování a obnovu taktu, modulaci ademodulaci, funkci potlačení ozvěn, kompenzaci negativních parametrů vedení a inicializaci spojení.

Blok PMS-TC je specifický podle konkrétního přenosového prostředí a plní funkce spojené s vytvářením rámců, rámcovou synchronizací, zabezpečením dat dopřednou chybovou korekcí (FEC, Forward Error Correction), prokládáním, skramblováním adeskramblováním. Vtomto bloku se také kdatovému toku koncového účastníka přidává služební informace (záhlaví datových rámců) a realizuje se služební komunikace mezi zařízeními.

Parametry bloku TPS-TC závisí na požadované funkcionalitě koncového zařízení, respektive typu datových přenosů (typu požadovaných služeb). TPS-TC slouží jako adaptační blok mezi transportním protokolem (formátem uživatelských dat) adalšími nižšími bloky VDSL2 přípojky. Má za úkol multiplexování, demultiplexování a synchronizaci dat jednotlivých účastnických datových toků podle požadovaných parametrů kvality služby (prioritizace toků určitých služeb).

Referenční body označené jako S/T jsou rozhraní k uživatelským terminálům. V popisu parametrů přípojky VDSL2 budeme postupovat právě od bloku TPS-TC směrem k bloku PMD a rozhraní U.

2.4 Režimy přenosu dat koncového účastníka

Parametry bloku TPS-TC, ve vrstvovém modelu koncového zařízení jsou nejblíže k účastníkovi a odpovídají svou funkcionalitou požadavkům dle typu datových přenosů koncového účastníka. V současných přípojkách VDSL2 podporuje blok TPS-TC tři režimy přenosu dat.

• Synchronní režim STM (Synchronous Transfer Mode). Vtomto režimu pracují všechna koncová zařízení včásti přístupové sítě synchronně v závislosti na DSLAM. Synchronnost znamená, že datové přenosy ve směru upstream a downstream se uskutečňují u všech koncových zařízení ve stejný časový okamžik. Výhodou tohoto způsobu přenosu je výrazné omezení rušení přeslechem na blízkém konci.
• Asynchronní režim ATM (Asynchronous Transfer Mode). Tento způsob přenosu zajišťuje zpětnou kompatibilitu se stávajícími přípojkami ADSL (tzv. duální VTU-R může pracovat proti ADSL DSLAM). Pro přenos dat se využívají buňky o konstantní délce 53 byte, které se podle druhu přenášeného obsahu vkládají do virtuální cesty a kanálu s příslušnými identifikátory VPI (Virtual Path Identifier) a VCI (Virtual Channel Identifier).
• Paketový režim PTM (Packet Transfer Mode) je určen pro efektivnější přenos toků, ve kterých jsou data účastníka zapouzdřována do paketů či rámců. Typicky se jedná o Ethernet rámce, rámce protokolu Point-to-Point či pakety MPLS (MultiProtocol Label Switching). Režim PTM je založen na standardech známých jako Ethernet in the First-Mile podle IEEE 802.3ah, konkrétně na řešení pro metalické přístupové sítě vycházející z 10-PASS-TS.

Přípojka VDSL2 může nad fyzickou vrstvou podporovat více nezávislých datových kanálů více služeb, které mají odlišné nároky na kvalitu služby. Typicky se může jednat ovideo přenosy, které je nutné prioritizovat před přenosy s běžnými daty. Data těchto služeb jsou přenášena dvěma nezávislými cestami (latency path) s nezávisle nastavitelnými parametry jako je hloubka prokládání a tím i velikostí zpoždění (dual latency), apod.

Kvalita služby je měřítko, jak hodnotit spokojenost účastníka se službou za kterou platí, akterou mu operátor poskytuje. Hodnocení služby je poměrně komplikovaný proces. Pro hodnocení se využívají různá kritéria. Počínaje například zcela objektivními technickými kritérii, jako je dosažená přenosová rychlost nebo zpoždění dat při přenosu, konče zcela subjektivními kritérii, jako je přehlednost vyúčtování nebo spokojenost se zákaznickou podporou.

2.5 Možnosti přenosu dat

Blok PMS-TC má za úkol zabezpečit a přizpůsobit data koncového účastníka do formátu vhodného pro přenos prostřednictvím symetrického páru. Od bloku TPS- TC přejímá jednotlivé datové toky účastníka. K těmto datovým toků blok PMS- TC přidává záhlaví, formátuje je do VDSL2 rámců, zajišťuje znáhodnění periodických posloupností metodou skramblování, přidání bitů zabezpečení aprokládání. Uvedené postupy jsou aplikovány na každý datový tok vcestě odděleně.

Základní postup zpracování dat v bloku PMS-TC.

Přenosové cesty u přípojky VDSL2 mohou být obecně:

• bez prokládání dat – tedy s nízkým zpožděním při přenosu což je nutné pro přenosy v reálném čase, ale také s nízkou odolností proti impulsnímu rušení.
• s prokládáním dat – tedy s vyšším zpožděním při přenosu, které není na závadu například při přenosu dat do sítě Internet (typicky přenos souborů protokolem FTP), ale také s vyšší odolností proti impulsnímu rušení.

---

---

---

---

Prokládání postupně vytvořený datový rámec s daty koncového účastníka rozdělí na určitý počet částí. Pořadí jednotlivých částí se definovaným způsobem zamění (prokládá). Takto upravený rámec se vyšle do přenosové cesty. Impulsní rušení při přenosu může způsobit shluk chyb v přenášeném datovém rámci. Na přijímací straně se části poškozeného rámce znovu přeuspořádají do původního pořadí. Je hodně pravděpodobné, že shluk chyb se při znovu přeuspořádáním rozdělí do různých částí rámce. Takto rozprostřené chyby je možné lépe detekovat aopravovat pomocí Reed-Solomon kódování (viz. dále). Nevýhoda spočívá v nárůstu zpoždění (desítky až stovky milisekund), protože datový rámec se na vysílací straně ihned po sestavení nevysílá do vedení, ale je nutného ho pozdržet pro přeuspořádání. Obdobně dojde ke zdržení i na přijímací straně. Výhodou prokládání je získání vyšší odolnosti proti impulsnímu rušení, které vadí především při video přenosech kódovaných standardy MPEG. U video přenosů s MPEG kódováním se vliv impulsního rušení projevuje jako tzv. „kostičkování obrazu“. Pro obnovení obrazové informace je nutné čekat na přenos klíčového snímku.

2.6 Zabezpečení přenosu proti chybám

V bloku PMS-TC se přenášená posloupnost dat skrambluje. Skramblování na vysílací straně (a deskramblování na přijímací) má za úkol odstranit periodické posloupnosti z přenášeného datového toku. Obvykle se skramblování/deskramblování realizuje jako posuvný registr se zavedenými zpětnými vazbami. Operace skramblování adeskramblování musejí být pochopitelně naprosto inverzní tak, aby vždy došlo kobnovení původní posloupnosti dat.

---

---

U přípojky VDSL2 se provádí, obdobně jako i u jiných přípojek xDSL, zabezpečení datové posloupnosti dat proti chybám při přenosu. Pro detekci chyb se používá zabezpečení pomocí 8bit slova, které vznikne klasickým výpočtem cyklického kódu CRC (Cyclic Redundancy Check).

Dopředná chybová korekce FEC je založená na Reed-Solomon (RS) kódu. Chybová korekce, ve spojení s prokládáním, poskytuje ochranu proti jednotlivým chybám a krátkým shlukům chyb.

Při kódování pomocí Reed-Solomon kódu vznikají bloky vytvořené z pevného množství datových bajtů apevného množství zabezpečovacích bajtů. Počet zabezpečovacích bytů může být celé číslo vintervalu 0 až 16. Celková posloupnost dat (včetně zabezpečení) může mít 32 až 255 bytů. Zjednodušeně lze říci, že počet bajtů, které lze pomocí Reedova-Solomon kódu opravit je poloviční, než je počet použitých zabezpečovacích bajtů. Tento způsob opravy chyb je velice účinný pro svou nízkou nadbytečnost (typicky sedmiprocentní).

---

---

2.7 Varianty přípojky VDSL2

Následující kapitoly pojednávají oparametrech bloku PMD, prostřednictvím kterého je koncové zařízení připojeno kfyzickému přenosovému mediu – symetrickému páru.

VDSL2 přípojka se vyskytuje vněkolika různých variantách tak, aby byla schopna plnit úkoly při různých přenosových podmínkách. V přílohách základního doporučení ITU-T G.993.2 jsou mezinárodní standardizační organizací určeny tři základní typy přípojek VDSL2. V doporučení je specifikováno:

• Příloha A – VDSL2 přípojka pro přístupovou síť pro oblast Severní Ameriky,
• Příloha B – VDSL2 přípojka pro přístupovou síť pro oblast Evropy,
• Příloha C – VDSL2 přípojka pro přístupovou síť pro oblast Japonska.

Společné pro všechny tři typy přípojek je blokové uspořádání vnitřních obvodů a principy těchto obvodů. Tedy například způsob zabezpečení datového toku koncového účastníka před jeho přenosem vpřístupové síti (obvody pro synchronizaci, scrambler, konvoluční kodér, modulátor, apod.).

U všech tří typů přípojek se také pro realizaci datových přenosů výhradně používá modulace s více nosnými DMT (Discrete Multi-tone).

Principem této modulace, je rozdělení celého využívaného kmitočtového pásma do řady vzájemně nezávislých subkanálů (někdy označováno též jako tónů či nosných). Šířka subkanálu může být buď stejná jako u starší přípojky ADSL tedy 4,3125 kHz, nebo dvojnásobná 8,625 kHz avšak pouze pro pásmo 30 MHz. Vkaždém dílčím subkanálu jsou data účastníka modulována kvadraturní amplitudovou modulací QAM. Počet stavů modulace se upřípojek VDSL2 pohybuje mezi 4 až 32768, což odpovídá přenosu 2 nebo až 15 bitů jedním stavem modulace. Modulační rychlost je pro šířku subkanálu 4,3125 kHz stanovena na 4 kBd a pro šířku subkanálu 8,625 kHz je stanovena na 8 kBd. Pro vytvoření obousměrného přenosu se může používat pouze metoda frekvenčního dělení FDD (Frequency Division Duplex).

Pro přípojku VDSL2 jsou v jednotlivých přílohách doporučení ITU-T G993.2, podle typických parametrů přístupových telekomunikačních sítí daného regionu, stanoveny odlišné profily, kmitočtové plány a vysílací masky spektrální výkonové hustoty (PSD, Power Spectral Density).

2.8 Profily přípojky VDSL2

Bylo zmíněno, že navýšení přenosových rychlostí se docílilo rozšířením využívaného kmitočtového pásma. Rozšíření pásma však snižuje maximální délku účastnického vedení, protože dochází k nárůstu útlumu metalické přenosové cesty na vyšších kmitočtech. Proto se s ohledem na rozdílnosti v přístupových sítích jednotlivých regionů (Severní Amerika, Evropa, Japonsko), na nutnost realizovat datové přenosy různých služeb a na další podmínky, u přípojky VDSL2 stanovila různá šířka využívaného kmitočtové pásma tzv. profily VDSL2. Jednotlivé profily se tak odlišují horním mezním kmitočtem, šířkou subkanálu amaximálním celkovým výkonem vysílaného signálu.

Společné parametry profilů přípojky VDSL2 pro Evropu.

Kmitočtové pásmo však nelze využívat jako jeden celek. Koncový účastník chce prostřednictvím svého jediného metalického vedení data odesílat i přijímat. Proto je nutné kmitočtové pásmo rozdělit na alespoň na dvě subpásma pro dva směry přenosu. Pro oddělení směrů přenosů se využívají dvě základní metody. První metodou je potlačení ozvěn druhou pak frekvenční dělení.

---

---

---

---

2.9 Dělení kmitočtového pásma

U VDSL2 je však situace ještě o trochu složitější. Přípojka VDSL2 musí umožnit poskytovat služby, které vyžadují nejen asymetrické ale i symetrické datové přenosy. Z tohoto důvodu je nutné kmitočtová subpásma ještě dále rozdělit na menší části atyto části vzájemně postupně střídat tak, aby bylo docíleno požadovaných rychlostí datových přenosů vobou směrech při zohlednění rostoucího útlumu přenosové cesty. Způsob střídání ašířku jednotlivých kmitočtových subpásem určuje tak zvaný kmitočtový plán. Subpásma pro sestupný směr přenosu (downstream) se označují a číslují jako: D1, D2, D3, D4. Subpásma pro vzestupný směr přenosu (upstream) se označují a číslují jako: US0, US1, US2, US3, US4.

---

---