Vysokorychlostní přípojky dle standardu G.fast

4.1 Standard G.fast - základní vlastnosti

O standardu G.fast se v literatuře hovoří jakožto o 4. generaci systémů xDSL. Počátky vývoje tohoto standardu se datují na počátek února 2012. Standardizace pak proběhla v roce 2014. Cílů nového standardu přípojek xDSL je hned několik:

• dosáhnout vyšších přenosových rychlostí než ustávajících přípojek typu xDSL – až 500 Mbit/s na cca 100 m, resp. 150 Mbit/s na cca 250 m (uvažuje se i o rychlostech do 1 Gbit/s)
• využití krátkých délek účastnických vedení, tzv. FTTdb (Fiber To The distribution point) – umístění distribučních uzlů velmi blízko koncovým účastníkům (do 250 m) – obdoba konceptu FTTB (Fiber To The Building)
• nverzní napájení
• možnost samoinstalace služby s parametry optické přípojky a jednoduchostí přípojky xDSL

Všechny výše uvedené cíle souvisí velmi úzce se dvěma klíčovými oblastmi. První oblastí je problematika způsobu navyšování propustnosti, druhou oblastí je oblast zvyšování spolehlivosti. Propustnost přípojky je možné navýšit dvěma způsoby:

• rozšířením kmitočtového pásma – tuto možnost využívaly ipředchozí generace systémů xDSL s požadavkem na spektrální kompatibilitu se systémy VDSL2
  Maska PSD (Power Spectral Density):
  • počátek na 138kHz; 2,5 MHz; 18 MHz a 30 MHz
  • konec na 106 MHz; 212 MHz a 300 MHz

Respektování dalších kmitočtových pásem, jako je vysílání VKV (obvykle tzv. „západní norma“ v Evropě), vysílání DAB (Digital Audio Broadcast) – tzv. III. TV pásmo 174 až 240 MHz.s

• potlačením přeslechů – proces eliminace přeslechu typu FEXT (Far End Cross Talk) pomocí vhodné modulace typu VDMT (Vectored Discrete Multi Tone)

Zvýšení spolehlivosti celého systému umožňují následující dva mechanismy:

• inverzní multiplexing
• fantomové okruhy

---

---

Zavedení časového duplexu TDD umožňuje také jednoduchou podporu úsporných režimů. V kontextu s režimem časového duplexu TDD jsou zavedeny povinné dělicí poměry 90/10 a 50/50, nepovinné dělicí poměry jsou pak od 50/50 do 10/90.

Mezi poslední zmíněné, avšak klíčové vlastnosti standardu G.fast, patří implementace adaptivní modulace DMT s povinnou podporou VDMT.

4.2 Využití fantomových okruhů

---

---

Princip fantomového okruhu

Přenosové rychlosti pro vysokorychlostní systémy xDSL modelované na kabelu s délkou 400 m

---

---

---

---

4.3 Napájení optického uzlu z uživatelského modemu

U klasických analogových azákladních přípojek ISDN se provádí napájení koncového zařízení zústředny (typicky napětí zdroje 60 Vanapájecí proud v desítkách mA). U přípojek s extrémní rychlostí podle specifikace s pracovním označením G.fast se počítá s opačným tokem napájení.

Z účastnického modemu bude napájen uzel (mini DSLAM) v tzv. distribučním bodě. Důvodem přístupu k tomuto řešení jsou již řadu let řešené problémy s napájením zařízení umístěných v přístupové síti mezi ústřednou telekomunikačního operátora a účastníkem.

---

---

Vyřešit místní napájení z rozvodné sítě je většinou problematické. Logickým vyústěním je tedy napájení z účastnické strany, kde je však nutná sumarizace napájecího výkonu od několika účastníků najednou.

4.4 Vektorová modulace – VDMT

Modulace DMT je využívána u přípojek xDSL pro maximálně efektivní využití potenciálu metalických symetrických párů aumožňuje vhodně reagovat na existenci úzkopásmového rušení ve využívaném kmitočtovém kanálu. U přípojek xDSL s modulací DMT, se díky charakteru přenosového prostředí sdíleného metalického kabelu, mohou dále navýšit dosažitelné přenosové rychlosti za použití tzv. Vektorové modulace DMT (VDMT, Vectored DMT).

Dominantní složkou rušení, která limituje přenosové rychlosti přípojek xDSL, je rušení přeslechy.

Přeslech je přenos signálu kapacitními a induktivními vazbami mezi jednotlivými páry. Takto přenesený signál, například z prvního páru do druhého páru působí v druhém páru jako negativní rušení a snižuje SNR a tím i výslednou přenosovou rychlost. Vzhledem k tomu, že zabránit přeslechům není možné z důvodu konstrukce metalického kabelu a vlastností elektromagnetického vlnění, je nutné eliminovat účinky přeslechu na přenášený užitečný signál. Eliminace přeslechů zajistí zlepšení SNR a tedy vyšší dosažitelnou přenosovou rychlost. Podle místa měření přeslechu, rozlišujeme přeslech na blízkém konci NEXT (Near End Cross Talk) a vzdáleném konci FEXT (Far End Cross Talk). Přeslech NEXT je možné eliminovat pomocí frekvenčního dělení směrů přenosu. Velikost přeslechu FEXT je proto pro přípojky xDSL stěžejní.

Modulační princip VDMT využívá propracovanosti matematického aparátu popisujícího parametry symetrických párů a vzájemné přeslechové vazby mezi páry. Při eliminaci je nutné rozlišovat směr přenosu.

Ve směru downstream VDMT využívá skutečnost, že zařízení DSLAM je společným prvkem pro všechny přípojky xDSL provozované ve svazku metalického kabelu. V DSLAM tedy máme k dispozici na jediném místě informaci o DMT symbolech, které budou v následujícím okamžiku vyslány do úseku metalického vedení (máme tedy vektor hodnot DMT symbolů – proto vektorová modulace DMT). Vzhledem k tomu, že v DSLAM známe také parametry jednotlivých symetrických párů a přeslechové vazby mezi nimi (známe je z procesu navazování spojení), je možné upravit vysílané DMT symboly s ohledem na přenosové prostředí, kterým budou přenášeny. Na přijímací straně v modemu koncového účastníka pak budou mít symboly teoreticky ideální průběh a parametry vhodné pro bezchybnou detekci. Problematika synchronizace vysílání je také snadněji řešitelná vzhledem k tomu, že DSLAM je centrálním prvkem. Synchronizace vysílání všech DMT symbolů je nutná. Vysílané symboly na sebe musejí prostřednictvím přeslechových vazeb definovaně působit tak, jak bylo vypočteno při jejich úpravě.

Ve směru upstream není možné upravovat vysílaný symbol v koncovém zařízení účastníka. To by kladlo zvýšené nároky na vybavení a výpočetní výkonnost koncového zařízení. Navíc koncové zařízení nikdy nemůže mít informace o symbolech, které jsou vysílány ostatními přípojkami v metalickém kabelu. Proto je nutné upravovat pouze přijímaný signál opět v DSLAM (centrálním prvku) za pomoci speciálního bloku potlačovače přeslechů. Důležitou otázkou je také nutná synchronizace vysílání od koncových účastníků směrem k DSLAM s ohledem na různé délky účastnických vedení.

VDMT je rozšířením modulace DMT na víceuživatelské prostředí, řeší problém systému typu MIMO a elimininuje přeslech typu FEXT. Přeslech typu NEXT je eliminován díky frekvenčnímu dělení směrů přenosu.

S ohledem na společné umístění modemů v DSLAM je možné zajistit synchronní vysílání DMT symbolů ve směru downstream. Zajistit synchronní přenos symbolů od uživatelů kpřístupovému multiplexoru DSLAM je vzhledem k různým délkám jednotlivých přípojek složitější, ale lze například využít metodu Zipper FDD.

Synchronizace ve směru upstream má paralelu v postupech pro řízení přístupu k médiu ve sdíleném prostředí bod – mnoho bodů, jako jsou pasivní optické sítě aradiové sítě LDMS (Local Multipoint Distribution System). Vysílání v účastnických modemech musí být časováno s respektováním různých dob šíření signálů po vedení od různě vzdálených účastníků.

Metoda Zipper FDD využívá cyklickou příponu (CS). Ta je na rozdíl od cyklické předpony (CP) vkládána za DMT symbol. Délka CS musí být rovna nebo větší než je maximální rozdíl zpoždění v šíření signálu kanály. Metoda Zipper FDD eliminuje izbytkový přeslech NEXT. Nevýhodou však je opětné snížení přenosové rychlosti.

Princip synchronizace symbolů přípojek xDSL ve směru upstream.

4.5 Výhody a nevýhody VDMT

Hlavní výhoda modulačního principu VDMT byla již zmíněna.

---

---

Proces potlačování přeslechů se nazývá termínem koordinace. Umodulace VDMT tak hovoříme o koordinaci vysílání jednotlivých přípojek ve svazku metalického kabelu.

Vzhledem k tomu, že je možné principy a parametry přípojek popsat analytickými modely, lze relativně jednoduše i spočítat přínosy modulace VDMT. V závislosti na počtu koordinovaných přípojek se zvyšuje dosažitelná přenosová rychlost sledované přípojky. Následující simulace byla provedena po přípojku VDSL2 skmitočtovým plánem B8-13, který má šířku pásma až do 30MHz. Tento kmitočtový plán dovoluje běžně docílit přenosové rychlosti nad 100 Mbit/s. Grafická interpretace navyšování přenosové rychlosti pro směr upstream a downstream je zobrazena na následujících obrázcích.

Pro potřeby simulace byl uvažován svazek metalického kabelu o 50 symetrických párech sprůměrem žil 0,4mm (kabel TCEPKPFLE 50×4×0,4 mm). Přínosy koordinace byly modelovány i v závislosti na délce účastnické přípojky. Ta se pohybovala od 0,1 km s krokem 0,1 km do 2 km. Počet koordinovaných přípojek se postupně zvyšoval od 0 do 49. Přičemž upadesáté přípojky sledujeme výkonnost přenosu (dosažitelnou přenosovou rychlost). Svazek metalického kabelu je tedy přípojkami VDSL2 plně obsazen.

Přínosy koordinace pro směr upstream a přípojku VDSL2 B8-13

Přínosy koordinace pro směr downstream a přípojku VDSL2 B8-13.

Při analýze přínosů VDMT lze pro tento modelový případ vyčíst, že pro délku účastnického vedení 0,5 km je možné bez jakékoliv koordinace (plné obsazení všech párů přípojkami xDSL) dosáhnou ve směru downstream přenosové rychlosti 16,676 Mbit/s. Pokud budeme koordinovat vysílání naší přípojky a jedné další přípojky, která způsobuje největší přeslech do naší sledované, budeme schopni dosáhnout přenosové rychlosti ve směru downstream 19,84 Mbit/s. Pokud budeme koordinovat vysílání od pěti okolních přípojek, dosáhneme 27,960 Mbit/s. Při koordinaci dvaceti sedmi dosáhneme rychlosti 50,868 Mbit/s. Pokud budeme provádět tzv. plnou koordinaci přípojek, dosáhne naše sledovaná přípojka ve směru downstream rychlosti 170,720 Mbit/s. Přínosy VDMT jsou tak zcela zřejmé.

Modulace VDMT má však i podstatné nevýhody.

---

---

Principem VDMT je upravit každý aktuálně vysílaný DMT symbol na každém symetrickém páru s ohledem na aktuální parametry přenosového prostředí. Je tedy zřejmé, že pro plnou koordinaci všech přípojek s DMT modulací je nutné znát funkce popisující přeslechové vazby mezi všemi páry vedení, přenosové funkce jednotlivých vedení a aktuálně vysílané DMT symboly všech koordinovaných přípojek. Pro metalické kabely s mnoha set symetrickými páry bude provádění plné koordinace provozu velmi náročné na výpočty související s úpravou DMT symbolů a na výpočty související se získáváním parametrů přenosového prostředí. Lze spočítat, že například pouze pro 50 přípojek VDSL2 s počtem subkanálů 4096 a modulační rychlostí 4 kBd se bude muset každou sekundu provést v příslušném DSLAM jen při úpravách vysílaných DMT symbolů 40,960E9 matematických operací. Další výpočetní výkon pak je potřeba při navazování spojení, kontrolou a řízením aktuálních spojení, atd.

---

---

Tato podmínka vyplývá ze samotného principu VDMT.