Θέμα. Μελέτη αλγορίθμων για αύξηση του ρυθμού μετάδοσης σε κανάλια παρεμβολών. Επιβλέπων Δημήτριος Αλέξανδρος Τουμπακάρης

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κούλη Χρήστου Δημητρίου του Οδυσσέως Αριθμός Μητρώου: 5666 Θέμα Μελέτη αλγορίθμων για αύξηση του ρυθμού μετάδοσης σε κανάλια παρεμβολών Επιβλέπων Δημήτριος Αλέξανδρος Τουμπακάρης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2010

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Μελέτη αλγορίθμων για αύξηση του ρυθμού μετάδοσης σε κανάλια παρεμβολών του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κούλη Χρήστου Δημητρίου του Οδυσσέως Αριθμός Μητρώου: 5666 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Δημήτριος Αλέξανδρος Τουμπακάρης, Επίκουρος Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης Καθηγητής 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Μελέτη αλγορίθμων για αύξηση του ρυθμού μετάδοσης σε κανάλια παρεμβολών Φοιτητής: Χρήστος Δημήτριος Κούλης Επιβλέπων: Δημήτριος Αλέξανδρος Τουμπακάρης Περίληψη Η συγκεκριμένη εργασία έχει ως αντικείμενο τη σύγκριση των ρυθμών μετάδοσης γραμμής VDSL που επιτυγχάνονται με δύο διαφορετικούς τρόπους κατανομής ισχύος: τις μάσκες ισχύος και τον αλγόριθμο iterative water illing. Οι μάσκες ισχύος είναι η μέθοδος που χρησιμοποείται σήμερα στις γραμμές DSL, ενώ ο αλγόριθμος iterative water illing έχει προταθεί ως εναλλακτική λύση που επιτυγχάνει καλύτερους ρυθμούς μετάδοσης. Για την πραγματοποίηση της σύγκρισης υλοποιήθηκαν προσομοιώσεις της κάθε μεθόδου σε περιβάλλον Matlab και έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων για διάφορες τιμές μήκους γραμμών VDSL και σε διαφορετικές συνθήκες θορύβου. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως η μέθοδος iterative water illing αυξάνει το ρυθμό μετάδοσης των γραμμών VDSL και είναι πιο αποτελεσματική από τις μάσκες ισχύος σε περιβάλλον αυξημένου θορύβου. 3

4 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 3 2 Εισαγωγή στο DSL Περιβάλλον Μετάδοσης Προβλήματα Μετάδοσης Εξασθένιση Θόρυβος Διαφωνία Τεχνολογίες DSL IDSL HDSL HDSL HDSL SHDSL ADSL ADSL ADSL VDSL VDSL Η Μέθοδος Διαμόρφωσης DMT (Discrete Multitone Transmission) Διασυμβολική Παρεμβολή Βασικά Χαρακτηριστικά της Μεθόδου DMT Περιγραφή της Μεθόδου DMT Σήμα DMT Σύστημα DMT Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Μεθόδου DMT Το DMT του VDSL

5 5 Προσομοίωση Μετάδοσης VDSL Στατική Κατανομή Ισχύος Water illing Iterative Water illing Περιγραφή Προσομοίωσης Withmask Dekagrammes Many length Power change Αποτελέσματα Προσομοιώσεων Σύγκριση Μεθόδων Κατανομής Ισχύος Συμπεράσματα 63 Αʹ Κώδικες 66 Αʹ.1 Dekagrammes Αʹ.2 Many-length Αʹ.3 Power-change

6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Το Διαδίκτυο είναι ένας καινούριος κόσμος, στον οποίο όλοι επιθυμούν να έχουν πρόσβαση. Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, η πρόσβαση αυτή ήταν πολύ δύσκολη, εξαιτίας των μικρών ταχυτήτων και του μεγάλου κόστους. Η κατάσταση άλλαξε με την εισαγωγή της τεχνολογίας DSL (Dgital Subscriber Line Ψηφιακή Συνδρομητική Γραμμή), που κατέστησε εφικτή τη γρήγορη, εύκολη και οικονομική πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Σήμερα, εκατομμύρια συνδρομητές σε όλον τον κόσμο απολαμβάνουν πλήθος διαφορετικών υπηρεσιών που μεταδίδονται μέσω μίας γραμμής DSL: δεδομένα, ήχος, εικόνα, video, iptv ακόμα και HDTV σε κάποιες περιπτώσεις. Το πλέον σημαντικό είναι πως αυτές οι υπηρεσίες διατίθενται από το υπάρχον δίκτυο τηλεφωνίας και χωρίς να απαιτείται η εγκατάσταση πολύπλοκου εξοπλισμού στο χώρο των χρηστών. Η τεχνολογία DSL δεν είναι μία σημερινή εφεύρεση. Υπάρχει για πάνω από είκοσι χρόνια και αποτελείται από μία ομάδα διαφορετικών υλοποιήσεων, κάθε μία από τις οποίες κάλυψε συγκεκριμένες ανάγκες. Τη μεγαλύτερη εμπορική άνθηση γνώρισε η τεχνολογία ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line Ασύμμετρη Ψηφιακή Συνδρομητική Γραμμή), κυρίως δε οι βελτιώσεις της, ADSL2 και ADSL2+, εξαιτίας των σημαντικών πλεονεκτημάτων τους. Από την άλλη πλευρά, το μέλλον φαίνεται να ανήκει στις τεχνολογίες VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Line Ψηφιακή Συνδρομητική Γραμμή Πολύ υψηλού ρυθμού μετάδοσης) και VDSL2, που μπορούν να παράσχουν ρυθμό μετάδοσης μέχρι και 100Mbps. Αυτές οι τεχνολογίες παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας DSL (όπως αναφέρθηκαν και προηγουμένως) είναι η παροχή ευρυζωνικής πρόσβασης υψηλού ρυθμού μετάδοσης στους συνδρομητές με τρόπο εύκολο, οικονομικό, διαφανή και αποτελεσματικό, όπως επίσης και η εκμετάλλευση της υπάρχουσας τηλεπικοινωνιακής υποδομής. Η συγκεκριμένη υποδομή, βέβαια, θέτει αρκετές 3

7 δυσκολίες στους σχεδιαστές των συστημάτων DSL, κυρίως λόγω της πρόκλησης διαφωνίας (crosstalk), που εξετάζεται στο Κεφάλαιο 2. Υπάρχουν και άλλες τεχνολογίες που υπόσχονται την παροχή υψηλών ρυθμών μετάδοσης στους χρήστες. Η κυριότερη από αυτές είναι η τεχνολογία FTTH (Fiber To The Home), η αντικατάσταση, δηλαδή, των υπαρχόντων χάλκινων καλωδίων από καλώδια οπτικών ινών. Με αυτόν τον τρόπο οι παρεχόμενες υπηρεσίες είναι σίγουρα καλύτερες απ ό,τι στο DSL. Όμως, η αντικατάσταση του υπάρχοντος δικτύου είναι μία δαπανηρή διαδικασία που δε μπορεί να γίνει αυτόματα, αλλά με ορίζοντα πολλών ετών. Το DSL, λοιπόν, δείχνει να έχει αρκετά χρόνια ζωής ακόμα, είτε ως αυτάρκης τεχνολογία είτε σε συνδυασμό με καλώδια οπτικών ινών (τεχνολογία FTTCab). Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας, μία γραμμή DSL μοντελοποιείται ως ένα γκαουσιανό κανάλι παρεμβολών. Γενικά, κανάλια παρεμβολών θεωρούνται αυτά που δέχονται παρεμβολές από γειτονικά τους κανάλια, με αποτέλεσμα η έξοδος ενός καναλιού να μην εξαρτάται μόνο από την είσοδό του, αλλά και από την είσοδο των γειτονικών καναλιών. Για να γίνει αυτό καλύτερα κατανοητό, ας εξετάσουμε την περίπτωση ενός γκαουσιανού καναλιού παρεμβολών δύο χρηστών. Το σήμα στην έξοδο του κάθε καναλιού είναι το άθροισμα της εισόδου του, της παρεμβολής από το γειτονικό κανάλι (δηλαδή της εισόδου του άλλου καναλιού πολλαπλασιασμένης με κάποιο συντελεστή) και του γκαουσιανού λευκού θορύβου, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1.1. Στην παρούσα εργασία, εξετάζεται η απόδοση δύο διαφορετικών αλγορίθμων κατανομής της ισχύος μετάδοσης σε ένα τέτοιο κανάλι παρεμβολών. Ο πρώτος, στατικός τρόπος κατανομής της ισχύος, είναι αυτός που χρησιμοποιείται σήμερα. Ο δεύτερος, δυναμικός αλγόριθμος με μεγάλη προσαρμοστικότητα, έχει προταθεί ως αξιόλογη εναλλακτική λύση. Η διάρθρωση της παρούσας εργασίας έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται το υπάρχον δίκτυο σταθερής τηλεφωνίας, που είναι το περιβάλλον μετάδοσης του DSL, και αναλύονται τα προβλήματα που ανακύπτουν κατά τη διαδρομή του σήματος DSL στο δίκτυο αυτό. Δίνεται έμφαση στο πρόβλημα της διαφωνίας (crosstalk). Στο Κεφάλαιο 3 αναφέρονται οι διάφοροι τύποι DSL, τα χαρακτηριστικά τους, η εξέλιξη και εφαρμογή τους. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται η μέθοδος διαμόρφωσης DMT (Discrete Multitone Transmission), που χρησιμοποιείται στα συστήματα DSL τελευταίας γενιάς. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι δύο μέθοδοι κατανομής της ισχύος και οι προσομοιώσεις τους σε περιβάλλον Matlab. Επίσης παρατίθενται, σχολιάζονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα των μεθόδων αυτών. Στο Κεφάλαιο 6 καταγράφονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από 4

8 Σχήμα 1.1: Σχηματική απεικόνιση γκαουσιανού καναλιού παρεμβολών δύο χρηστών [4]. την όλη διαδικασία του Κεφαλαίου 5. Τέλος, στο Παράρτημα Α παρατίθεται μέρος των κωδίκων που γράφτηκαν για τις ανάγκες της συγκεκριμένης εργασίας. 5

9 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στο DSL 2.1 Περιβάλλον Μετάδοσης Η τεχνολογία DSL επωφελείται της ήδη υπάρχουσας τηλεπικοινωνιακής υποδομής. Συγκεκριμένα, το σήμα DSL μεταδίδεται μέσω του Δημόσιου Επιλεγόμενου Τηλεφωνικού Δικτύου (PSTN Public Switched Telephone- Network). Επομένως, για να εξετάσουμε τη δομή ενός συστήματος DSL πρέπει πρώτα να αναφερθούμε συνοπτικά στη δομή του δικτύου PSTN. Ξεκινάμε την ανάλυση της δομής του δικτύου PSTN από το μέσο μετάδοσης, δηλαδή τα καλώδια. Στην περίπτωση του PSTN χρησιμοποιούνται ως μέσο μετάδοσης τα χάλκινα συνεστραμμένα ζεύγη (Unshielded Twisted Pairs- UTP). Κάθε τηλεπικοινωνιακή γραμμή αποτελείται από ένα τέτοιο ζεύγος χάλκινων καλωδίων. Οι γραμμές, όμως, δεν βρίσκονται σε ξεχωριστά καλώδια, αλλά ομαδοποιούνται σε μεγάλα καλώδια (πολύζευγα καλώδια ή Feeder Cables). Τα πολύζευγα καλώδια ξεκινούν από το Τηλεπικοινωνιακό Κέντρο (ΤΚ ή Central O iice CO) περιέχοντας εκαντοντάδες ή/και χιλιάδες καλώδια [5], οργανωμένα σε ομάδες (binder groups). Στο ελληνικό δίκτυο PSTN ένα πολύζευγο καλώδιο μπορεί να περιέχει από 6 έως 2700 γραμμές [5]. Τα καλώδια αυτά καταλήγουν σε ένα ενδιάμεσο σημείο, τον Υπαίθριο Κατανεμητή (το γνωστό μας ΚΑΦΑΟ), όπου και διαχωρίζονται σε μικρότερα καλώδια. Ακολουθεί και δεύτερη διακλάδωση μέχρι τα καλώδια να φτάσουν στον προορισμό τους, στο χώρο του συνδρομητή. Η δομή των καλωδίων του δικτύου PSTN φαίνεται στο Σχήμα 2.1. Ο όρος drop wire αναφέρεται στο καλώδιο που ξεκινά από το ενδιάμεσο σημείο διακλάδωσης μεταξύ Υπαίθριου Κατανεμητή και χώρου του συνδρομητή και καταλήγει στο χώρο του συνδρομητή. Η διάμετρος των καλωδίων ποικίλλει ανάλογα με το μήκος τους. Γενικά, όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος ενός καλωδίου, τόσο μεγαλύτερη επιλέγεται 6

10 Σχήμα 2.1: Δομή καλωδίων τηλεπικοινωνιακού δικτύου [3]. να είναι η διάμετρός του. Το καλώδιο που συνδέει το συνδρομητή με το ΤΚ αποτελεί το συνδρομητικό ή τοπικό βρόχο (subscriber or local loop) και είναι το κομμάτι εκείνο του δικτύου στο οποίο εφαρμόζεται η τεχνολογία DSL. Εξετάζοντας γενικότερα τη δομή του τηλεπικοινωνιακού δικτύου, συναντάμε πρώτα τον Κεντρικό Κατανεμητή (Main Distribution Frame MDF), τοποθετημένο στο ΤΚ. Είναι μία μεγάλου μεγέθους διάταξη (ένα δωμάτιο) που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση (διασταύρωση) των γραμμών μεταξύ τους και αποτελεί τη σημαντικότερη διάταξη ενός ΤΚ. Μεταξύ του ΤΚ και του χώρου του συνδρομητή βρίσκεται όπως προαναφέρθηκε ο Υπαίθριος Κατανεμητής (ΚΑΦΑΟ), τοποθετημένος όσο το δυνατόν κοντύτερα στο χώρο των συνδρομητών. Αυτή η διάταξη αποτελεί το τερματικό σημείο του Κυρίου Δικτύου, δηλαδή του δικτύου που ξεκινά από το ΤΚ και το εναρκτήριο σημείο του Δικτύου Διανομής, που κατευθύνεται στους συνδρομητές. Κάθε Υπαίθριος Κατανεμητής εξυπηρετεί μέχρι λίγες εκατοντάδες συνδρομητές [5]. Για να γίνει δυνατή η μετάδοση μέσω του δικτύου PSTN (που είχε σχεδιαστεί αποκλειστικά για τη μετάδοση τηλεφωνικού σήματος) ενός σήματος DSL, που αποτελείται από πολύπλεξη τριών επιμέρους σημάτων¹ (παραδοσιακό τηλεφωνικό σήμα, δεδομένα με κατεύθυνση προς τον συνδρομητή downstream, δεδομένα με κατεύθυνση προς το ΤΚ upstream) εισήχθησαν κάποιες επιπλέον διατάξεις. Η πιο σημαντική από αυτές είναι το DSLAM (DSL Access Multiplexer Πολυπλέκτης Πρόσβασης DSL). Το DSLAM είναι η τερματική διάταξη των γραμμών DSL στο χώρο του ΤΚ και αποτελεί την αντίστοιχη διάταξη του Κεντρικού Κατανεμητή για τα δεδομένα DSL. Περιλαμβάνει μία συστάδα από ATU C (Κεντρικές Τερματικές Μονάδες DSL), έναν τύπο DSL modems. Εκεί συγκεντρώνονται τα δεδομένα από όλες τις γραμμές DSL και δρομολογούνται στη συνέχεια στον προορισμό τους. Στην πλευρά του συνδρομητή, η βασικότερη διάταξη είναι το DSL modem, ¹τα παρακάτω στοιχεία αφορούν την τεχνολογία ADSL, που έχει και τη μεγαλύτερη διάδοση 7

11 Σχήμα 2.2: Μοντέλο Αναφοράς DSL [2]. γνωστό και ως ATU R. Είναι υπεύθυνο για τη διαμόρφωση αποδιαμόρφωση των δεδομένων που φτάνουν σε αυτό είτε από το δίκτυο είτε από την τερματική συσκευή του συνδρομητή. Μεταξύ του ATU R και του δικτύου παρεμβάλλεται ένας διχαστής (splitter), που διαχωρίζει τα δεδομένα από τα σήματα φωνής της παραδοσιακής τηλεφωνίας. Η δομή που περιγράφηκε παραπάνω αποτελεί το Μοντέλο Αναφοράς DSL και απεικονίζεται στο Σχήμα 2.2. Ο όρος CO (Central Of ice) δηλώνει το ΤΚ, ενώ ο όρος Customer Premises δηλώνει το χώρο του συνδρομητή. Η διάταξη LT (Line Termination) είναι το ATU C και η διάταξη Multiplexer είναι το DSLAM. Στον τοπικό βρόχο περιλαμβάνεται επαναλήπτης (repeater, διάταξη που αναμεταδίδει το σήμα, συνήθως, όμως, δε χρησιμοποιούνται τέτοιες διατάξεις). Στο χώρο του συνδρομητή, η διάταξη NID (Network Interface Device) είναι το όριο μεταξύ της εγκατάστασης του συνδρομητή και του παρόχου της υπηρεσίας, η διάταξη NT (Network Termination) είναι το ATU R και η διάταξη TE (Terminal Equipment) είναι ο τερματικός εξοπλισμός του χρήστη (τηλεφωνική συσκευή, υπολογιστής κ.ά.). Ένα βασικό πρόβλημα που προκύπτει από τη χρήση της παραπάνω δομής είναι η σχετικά μεγάλη απόσταση συνδρομητή ΤΚ, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση του ρυθμού μετάδοσης της γραμμής DSL. Μία λύση του προβλήματος αυτού προήλθε από τους DLC (Digital Loop Carrier). Οι DLCs είναι ηλεκτρονικές διατάξεις πολύπλεξης που τοποθετούνται στο χώρο των Υπαίθριων Κατανεμητών και πολυπλέκουν τις χάλκινες γραμμές που έρχονται από το χώρο των συνδρομητών σε λίγες ψηφιακές γραμμές που κατευθύνονται προς το ΤΚ. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται το μήκος του συνδρομητικού βρόχου στον οποίο εφαρμόζεται το DSL: πλέον περιορίζεται στην απόσταση μεταξύ του χώρου του συνδρομητή και του Υπαίθριου Κατανεμητή. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να επιτευχθούν υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης. Η εξέλιξη αυτής της μεθόδου είναι η τεχνολογία FTTCab (Fiber To The Cab), όπου η σύνδεση μεταξύ ΚΑΦΑΟ και ΤΚ γίνεται με καλώδια οπτι- 8

12 κών ινών. Πρόκειται για ένα συνδυασμό της τεχνολογίας DSL με τα καλώδια οπτικών ινών, που συνδυάζει πλεονεκτήματα και των δύο τεχνολογιών. 2.2 Προβλήματα Μετάδοσης Κατά τη μετάδοση δεδομένων σε γραμμές DSL υπεισέρχονται πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα, αλλά και το ρυθμό της. Οφείλονται κατά κύριο λόγο στη φύση του μέσου μετάδοσης που χρησιμοποιείται, αλλά και στη δομή του τηλεφωνικού δικτύου. Χωρίζονται σε δύο γενικές κατηγορίες: την εξασθένιση του σήματος και το θόρυβο Εξασθένιση Πρώτος παράγοντας που επηρεάζει καθοριστικά το ρυθμό μετάδοσης μίας γραμμής DSL είναι η εξασθένιση (atenuation), δηλαδή η μείωση της ισχύος του σήματος καθώς ταξιδεύει κατά μήκος ενός τηλεπικοινωνιακού μέσου. Στην περίπτωση της χάλκινης γραμμής, η εξασθένιση εξαρτάται από το μήκος της, τις παραμέτρους της (π.χ. αντίσταση, χωρητικότητα κ.ά.) και τις συχνότητες του πληροφοριακού σήματος. Στο Σχήμα 2.3 φαίνεται η αύξηση της εξασθένισης συναρτήσει της συχνότητας σε δύο γραμμές διαφορετικού μήκους. Διαπιστώνεται πως ο συνδυασμός γραμμής μεγάλου μήκους και υψηλών συχνοτήτων έχει ως αποτέλεσμα μεγάλη εξασθένιση του ωφέλιμου σήματος. Η εξασθένιση προκαλεί σοβαρό πρόβλημα στην τεχνολογία DSL. Δεδομένου ότι η αύξηση του ρυθμού μετάδοσης σε σχέση με παλαιότερες τεχνολογίες επιτυγχάνεται κατά κύριο λόγο με τη μετάδοση δεδομένων σε όλο και υψηλότερες συχνότητες, είναι φανερό πως η εξασθένιση περιορίζει σημαντικά την εμβέλεια και τη χρησιμότητα της υπηρεσίας αυτής. Μία λύση στο πρόβλημα είναι η ενίσχυση του σήματος χρησιμοποιώντας ενισχυτές ή επαναλήπτες σε συγκεκριμένα σημεία της γραμμής, που κρίνεται, όμως, οικονομικά ασύμφορη. Η πιο αποτελεσματική λύση στο πρόβλημα είναι η μείωση του μήκους του συνδρομητικού βρόχου. Μπορεί να επιτευχθεί με εγκατάσταση DSLAM σε μικρή απόσταση από τους συνδρομητές (δύσκολα εφαρμόσιμη λύση), με εγκατάσταση DLC (όπως περιγράφηκε στην Ενότητα 2.1) ή με την αντικατάσταση μέρους του δικτύου χάλκινων καλωδίων από δίκτυο οπτικών ινών (τεχνολογία FTTCab). 9

13 Σχήμα 2.3: Εξασθένιση σήματος σε γραμμή 24 AWG μήκους 100m (συνεχής καμπύλη) και 500m (διακεκκομένη καμπύλη) αντίστοιχα. Οι καμπύλες σχεδιάστηκαν με το πρόγραμμα Matlab. Η μονάδα AWG (American Wire Gauge) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της διαμέτρου των καλωδίων Θόρυβος Θόρυβος (noise) ονομάζεται κάθε μη ωφέλιμο σήμα που παρεισφρέει σε ένα τηλεπικοινωνιακό μέσο και επηρεάζει τη μετάδοση του ωφέλιμου σήματος. Υπάρχουν πολλοί τύποι θορύβου, καθένας από τους οποίους επιδρά με διαφορετικό τρόπο στο ωφέλιμο σήμα. Η επίδρασή τους εξαρτάται, επίσης, και από το είδος του πληροφοριακού σήματος. Στην περίπτωση του DSL, οι πιο σημαντικοί θόρυβοι είναι ο θόρυβος υποβάθρου (background noise), ο θόρυβος που προκαλείται από ραδιοφωνικά κύματα (radio noise), ο κρουστικός θόρυβος (impulse noise) και, σημαντικότερη όλων, η διαφωνία (crosstalk). Η πιο γενική περίπτωση θορύβου στην ενσύρματη τηλεφωνία είναι ο θόρυβος υποβάθρου (background noise). Στο DSL συνήθως θεωρούμε πως είναι λευκός, προσθετικός και γκαουσιανός (AWGN) με φασμα- 10

14 τική πυκνότητα ισχύος (PSD) ίση με 140dBm/Hz, αν και η συγκεκριμένη τιμή, που είχε μετρηθεί τη δεκαετία του 90, μάλλον δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Ο θόρυβος υποβάθρου έχει τιμή υψηλότερη από το θερμικό θόρυβο ( 173dBm/Hz), γεγονός που είχε αποδοθεί στο θόρυβο που προκαλούσαν οι ADCs (μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό). Λαμβάνοντας υπόψη την πρόοδο της τεχνολογίας που έχει συντελεστεί από την εποχή που έγινε η μέτρηση, μία ρεαλιστική τιμή του θορύβου υποβάθρου κυμαίνεται μεταξύ 160dBm/Hz και 170dBm/Hz. Ο θόρυβος που προκαλείται από ραδιοφωνικά κύματα (radio noise). Είναι τα κατάλοιπα που αφήνουν στα χάλκινα καλώδια οι εκπομπές ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και κυρίως των ραδιοφωνικών κυμάτων AM και των ερασιτεχνικών ραδιοσταθμών (amateurs). Τα κύματα παρεμβάλλονται στα εναέρια χάλκινα καλώδια, διότι ο χαλκός, διαρρεόμενος από ρεύμα, λειτουργεί ως κεραία που έλκει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και τα οδηγεί προς τη γη. Ένας καλός τρόπος για τη μείωση της διαφορικής παρεμβολής αυτού του τύπου, που ονομάζεται παρεμβολή ραδιοκυμάτων (RF ingress), είναι η καλή εξισορρόπηση (balance) μεταξύ των δύο καλωδίων του συνεστραμμένου ζεύγους. Όσον αφορά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα των ερασιτεχνικών ραδιοσταθμών, βρίσκονται σε σχετικά υψηλές συχνότητες και επηρεάζουν σχεδόν αποκλειστικά το VDSL². Αποτελούν, όμως, σημαντικό πρόβλημα για τις γραμμές VDSL. Έχει υπολογιστεί πως στην ακραία περίπτωση που ένας τέτοιος ραδιοσταθμός εκπέμπει σε απόσταση 10m από χάλκινα καλώδια και με ισχύ 400W, εισάγει θόρυβο με P SD = 34dBm/Hz. Στη γενικότερη περίπτωση, ο θόρυβος κυμαίνεται μεταξύ 35dBm/Hz και 70dBm/Hz, τιμή διόλου αμελητέα. Ακόμα, επειδή αυτοί οι σταθμοί συνηθίζουν να αλλάζουν συχνότητα φορέα κάθε λίγα λεπτά, είναι δύσκολο να προβλεφθεί η ύπαρξη τέτοιου θορύβου. Ευτυχώς, τέτοιου είδους σήματα είναι στενής ζώνης (narrowband), οπότε προτιμάται να μη μεταδοθεί καθόλου ωφέλιμο σήμα DSL στις συγκεκριμένες ζώνες συχνοτήτων. Ο κρουστικός θόρυβος (impulse noise) είναι μία προσωρινή παρεμβολή στα τηλεφωνικά καλώδια που προκαλείται από ένα παροδικό ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο, όπως είναι η ενεργοποίηση ενός ηλεκτρικού κινητήρα, ακόμα και το κουδούνισμα ενός τηλεφώνου που βρίσκεται στην ίδια ομάδα καλωδίων (binder group) με το καλώδιο της γραμμής DSL. Ο μηχανισμός δημιουργίας της παρεμβολής είναι ίδιος με προη- ²Η τεχνολογία VDSL, όπως και όλες οι τεχνολογίες DSL, αναλύονται στο Κεφάλαιο 3 11

15 γουμένως, μόνο που επηρεάζει χαμηλότερες συχνότητες. Η τυπική διάρκεια κρουστικών θορύβων κυμαίνεται μεταξύ 10 και 100sec, μπορούν όμως να επηρεάσουν το σήμα DSL για χρόνο που φτάνει μέχρι και τα 3msec. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας τους είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Υπάρχουν διάφορα μοντέλα για την περιγραφή τους, αν και λίγα είναι ευρέως αποδεκτά. Το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο μοντέλο είναι το μοντέλο Cook Pulse [1] Διαφωνία H διαφωνία (crosstalk) αποτελεί τη σημαντικότερη πηγή θορύβου για τις γραμμές DSL και είναι ένα από τα βασικά προβλήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι μηχανικοί που σχεδιάζουν συστήματα DSL. Η διαφωνία, ουσιαστικά, είναι το πληροφοριακό σήμα μιας γραμμής που υπεισέρχεται ως θόρυβος σε κάποια γειτονική γραμμή. Οφείλεται στη χωρητική και επαγωγική σύζευξη μεταξύ των γραμμών που βρίσκονται στην ίδια ομάδα μέσα σε ένα καλώδιο (binder group) και, πιο συγκεκριμένα, στην ανισορροπία των ζεύξεων μεταξύ των γραμμών. Για να γίνει αυτό πιο κατανοητό, ας θεωρήσουμε δύο συνεστραμμένα ζεύγη χάλκινων αγωγών (δηλαδή δύο τηλεφωνικές γραμμές) που βρίσκονται μέσα στο ίδιο καλώδιο. Μεταξύ των αγωγών της ίδιας γραμμής, αλλά και των αγωγών των διαφορετικών γραμμών, αναπτύσσονται χωρητικές και επαγωγικές ζεύξεις. Θεωρητικά, οι αγωγοί συστρέφονται κατά τρόπο ώστε οι ζεύξεις αυτές να μηδενίζονται. Στην πράξη κάτι τέτοιο δεν επιτυγχάνεται, οπότε οι ζεύξεις αυτές εξακολουθούν να υφίστανται και προκαλούν τη διαφωνία. Το παρεμβαλλόμενο σήμα, δηλαδή το σήμα της διαφωνίας, ταξιδεύει και προς τις δύο κατευθύνσεις της γραμμής στην οποία υπεισέρχεται. Ανάλογα με την κατεύθυνση της κίνησης, διακρίνουμε δύο τύπους διαφωνίας: την παραδιαφωνία (NEXT) και την τηλεδιαφωνία (FEXT). Τα είδη αυτά απεικονίζονται στο Σχήμα 2.4 Η παραδιαφωνία (NEXT Near End Crosstalk) οφείλεται στο σήμα της διαφωνίας που ταξιδεύει προς το πλησιέστερο άκρο της γραμμής, δηλαδή προς το άκρο της γραμμής που βρίσκεται πιο κοντά στο σημείο από το οποίο πηγάζει η παρεμβολή (διαφωνία). Το παρεμβαλλόμενο σήμα δεν εξασθενεί αρκετά, λόγω της σχετικά μικρής απόστασης που έχει να διανύσει, με αποτέλεσμα η στάθμη του να είναι υψηλή όταν φτάνει στο κοντινότερο άκρο (near end) και να δημιουργεί σοβαρό πρόβλημα. Γενικά, η NEXT αποτελεί πολύ σοβαρότερο πρόβλημα για μία γραμμή DSL απ ό,τι η FEXT. Επιπλέον, η NEXT αυξάνεται με τη συχνότητα και γίνεται πολύ ενοχλητική στις (υψηλές) συχνότητες του VDSL. Για το λόγο αυτό τα συστήματα VDSL είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να την αποφεύγουν, κάτι που επιτυγχάνεται με το διαχωρισμό των 12

16 Σχήμα 2.4: Σχηματική απεικόνιση FEXT και NEXT [2]. συχνοτήτων downstream (μετάδοση δεδομένων από το ΤΚ στο συνδρομητή) και upstream (μετάδοση δεδομένων από το συνδρομητή στο ΤΚ). Ένας τέτοιος διαχωρισμός έχει ως αποτέλεσμα η NEXT που υπεισέρχεται στο downstream και φτάνει στο άκρο της γραμμής στην περιοχή του συνδρομητή (και που, φυσιολογικά, θα κατέπνιγε το upstream) να επηρεάζει διαφορετικές συχνότητες από αυτές του upstream. Η τηλεδιαφωνία (FEXT Far End Crosstalk) οφείλεται στο σήμα διαφωνίας που κατευθύνεται προς το άκρο της γραμμής που βρίσκεται πιο μακριά από το σημείο της παρεμβολής. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδρομής υφίσταται εξασθένιση, οπότε φτάνει στο άκρο της γραμμής αρκετά εξασθενημένη και είναι, συνήθως, πολύ μικρότερης έντασης από τη NEXT. Όμως, στις γραμμές ADSL και VDSL, όπου δεν υπάρχει NEXT λόγω των ξεχωριστών ζωνών downstream και upstream, η FEXT αποτελεί την κύρια πηγή θορύβου. Μαθηματικός Υπολογισμός Διαφωνίας. Υπάρχουν πολλά μαθηματικά μοντέλα για την περιγραφή της διαφωνίας, που υπολογίζουν διαφορετικές περιπτώσεις (χειρότερη περίπτωση, χειρότερη περίπτωση 1%, μέση διαφωνία). Εδώ παραθέτουμε ένα μοντέλο που υπολογίζει τη διαφωνία μέσα σε ένα καλώδιο 50 γραμμών, δηλαδή, με 49 δυνητικές πηγές διαφωνίας. Για τη NEXT υπολογίστηκε πως η συνάρτηση σύζευξης (coupling function) δίνεται από τη Σχέση S n (f) = k next f 1.5 S 2 (f), (2.1) όπου η S 2 (f) είναι η PSD της παρενοχλούσας γραμμής και η σταθερά k next έχει καθοριστεί από το ANSI (American National Standards Institute Εθνικό Ινστιτούτο Τυποποιήσεων Αμερικής) να δίνεται από τη Σχέση k next = (N/49) 0.6. (2.2) 13

17 Το N δηλώνει το πλήθος των γραμμών (συνεστραμμένων ζευγών) του καλωδίου που φέρουν τον ίδιο τύπο υπηρεσίας DSL με τη γραμμή στην οποία μετράμε τη διαφωνία. Οι αντίστοιχες σχέσεις για την FEXT είναι: και S f (f) = k fext f 2 d H(f, d) 2 S 2 (f) (2.3) k fext = (N/49) 0.6. (2.4) Η H(f, d) είναι η απόκριση συχνότητας της παρενοχλουμένης γραμμής. Σημειώνεται πως οι παραπάνω σχέσεις δίνουν τιμές διαφωνίας που αντιστοιχούν στο χειρότερο 1% των περιπτώσεων. Από τις προηγούμενες εξισώσεις συνάγεται πως η NEXT αυξάνεται ανάλογα με το f 1.5. Με τη FEXT τα πράγματα είναι λίγο πιο περίπλοκα, διότι αυξάνεται μεν ανάλογα με το τετράγωνο της συχνότητας, αλλά ταυτόχρονα εξαρτάται και από το τετράγωνο της απόκρισης συχνότητας της γραμμής, που μειώνεται όσο αυξάνεται η συχνότητα. Το αποτέλεσμα είναι μία συνάρτηση που έχει μέγιστο σε κάποια τιμή της συχνότητας. Η εξάρτηση των FEXT και NEXT από τη συχνότητα απεικονίζεται στο Σχήμα 2.5, για γραμμή μήκους 4kf t (περίπου 1200m) και διαμέτρου 24AW G. Είναι φανερό πως στις χαμηλές συχνότητες (συχνότητες ADSL) οι τιμές των δύο ειδών διαφωνίας είναι παρεμφερείς, ενώ στις υψηλότερες συχνότητες κυριαρχεί η NEXT. Αυτό δε σημαίνει πως η FEXT δεν είναι υπολογίσιμη σε αυτές τις συχνότητες. Μη ξεχνάμε πως και το ωφέλιμο σήμα υφίσταται μεγαλύτερη εξασθένιση όσο αυξάνεται η συχνότητα. Επίσης, βλέπουμε τη διαφορά μεταξύ των διαγραμμάτων worst case (χειρότερη περίπτωση, δηλ. έχουμε τη μεγαλύτερη δυνατή διαφωνία) και average (μέση διαφωνία). Οι παραπάνω σχέσεις ισχύουν μόνο για συγκεκριμένου τύπου παρενοχλούσες γραμμές. Στη ρεαλιστική περίπτωση που υπάρχουν διαφορετικού τύπου παρενοχλούσες γραμμές, αν έχουμε m διαφορετικούς τύπους γραμμών που δημιουργούν διαφωνία και συμβολίσουμε με N i το πλήθος των γραμμών τύπου i και με S i την PSD των γραμμών αυτών, η συνολική διαφωνία δίνεται από τη Σχέση XT = (N 1 S 1/ N m S 1/0.6 m ) 0.6. (2.5) Η σχέση αυτή αποτελεί απαισιόδοξη εκτίμηση της ολικής διαφωνίας. Αυτό σημαίνει πως, στην πράξη, η ολική διαφωνία έχει μικρότερη τιμή. 14

18 Σχήμα 2.5: Γράφημα Απόκρισης Συχνότητας, FEXT και NEXT γραμμής μήκους 4kft 1200m και διαμέτρου 24AW G [3]. 15

19 Κεφάλαιο 3 Τεχνολογίες DSL Οι ψηφιακές συνδρομητικές γραμμές εμφανίστηκαν μόλις πριν από 24 χρόνια (1986) στο χώρο των τηλεπικοινωνιών [2]. Η εξέλιξή τους υπήρξε αλματώδης. Έτσι, τα 144kbps της γραμμής BRA ISDN φαντάζουν αμελητέα μπροστά στα 100Mbps και πλέον των γραμμών VDSL2. Μια πρώτη εικόνα για την εξέλιξη αυτή δίνει το Σχήμα 3.1. Η αλματώδης πρόοδος των ετών έως το 2000 ακολουθήθηκε από ακόμη μεγαλύτερη την πρώτη δεκαετία του 21ου αιώνα, που οδήγησε στις τεχνολογίες ADSL2+ και VDSL. Στο υπόλοιπο του κεφαλαίου θα εξετάσουμε όλους τους τύπους DSL, αναφέροντας τα βασικά χαρακτηριστικά τους και το σκοπό για τον οποίο δημιουργήθηκαν. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις τεχνολογίες ADSL και VDSL και στις βελτιώσεις τους, καθώς είναι αυτές που έχουν επικρατήσει και συγκεντρώνουν το μεγαλύτερο εμπορικό ενδιαφέρον. Παραλείπουμε τις προ DSL ψηφιακές γραμμές, καθώς βρίσκονται εκτός αντικειμένου της παρούσας εργασίας και έχουν μόνο ιστορικό ενδιαφέρον. 3.1 IDSL Το IDSL ή ISDN DSL δημιουργήθηκε από το συνδυασμό των 2 καναλιών BRI (Basic Rate ISDN Βασικός Ρυθμός Μετάδοσης ISDN) των 128 ή 144kbps σε ένα, με σκοπό τη μεταφορά πακέτων δεδομένων. Η συγκεκριμένη τεχνολογία χρησιμοποιήθηκε για πρόσβαση στο Internet. 3.2 HDSL Η τεχνολογία HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line Ψηφιακή Συνδρομητική Γραμμή Υψηλού ρυθμού μετάδοσης) εισήχθη το Παρείχε 16

20 Σχήμα 3.1: Εξέλιξη τεχνολογιών DSL από το 1986 έως το 2000 [2]. συμμετρικό ρυθμό μετάδοσης 1.544M bps χρησιμοποιώντας δύο συνεστραμμένα χάλκινα ζεύγη ή 2.048M bps χρησιμοποιώντας 2 ή 3 συνεστραμμένα χάλκινα ζεύγη χωρίς τη χρήση επαναλήπτη. Η ανάγκη για το HDSL προέκυψε όταν οι γραμμές Τ1 και Ε1, γραμμές ζεύξης μεταξύ ΤΚ, άρχισαν να χρησιμοποιούνται και ως συνδρομητικές γραμμές. Όμως, λόγω της απαίτησής τους για επαναλήπτες, η χρήση τους ήταν πολύ δαπανηρή. Αναπτύχθηκε, λοιπόν, το HDSL ως μία φθηνότερη λύση, που συγκέντρωνε επιπλέον τα πλεονεκτήματα της εύκολης συντήρησης και εύρωστης μετάδοσης (robustness). 17

21 Το HDSL παρείχε αξιόπιστη μετάδοση σε όλη τη CSA¹ (Carrier Serving Area), που αποτελείται από γραμμές 24 AWG μήκους μέχρι 12 kft (3.7 km) ή από γραμμές 26 AWG μήκους μέχρι 9 kft (2.75 km). Χρησιμοποιήθηκε ως ιδιωτική γραμμή και για τη σύνδεση απομακρυσμένων κόμβων του δικτύου. Λειτουργούσε με ονομαστικό ρυθμό σφαλμάτων (Bit Error Rate BER) 10 7, που συνήθως ήταν 2 με 3 τάξεις μεγέθους μικρότερος και με μέγιστη καθυστέρηση μετάδοσης τα 400msec. Η μέθοδος διαμόρφωσης που χρησιμοποιείτο ήταν η 2B1Q (Two Binary One Quaternary Δύο Δυαδικά Ένα Τετραδικό). Η πιο συνηθισμένη περίπτωση ήταν η μετάδοση dual duplex, που απαιτούσε δύο ζεύγη χάλκινων καλωδίων. Σε κάθε ζεύγος μεταφέρονταν δεδομένα με ρυθμό μετάδοσης 784kbps, εκ των οποίων τα 768 ήταν ωφέλιμη πληροφορία και τα 16 overhead (πλεονάζουσα πληροφορία που μεταδίδεται για λόγους ελέγχου ή για ανίχνευση σφαλμάτων). Και τα δύο καλώδια μετέφεραν δεδομένα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Επειδή η ίδια πλεονάζουσα πληροφορία μεταφερόταν και από τα δύο καλώδια, ο χρήστης την ανακτούσε από αυτό με τον καλύτερο SNR (Signal to Noise Ratio Λόγος Σήματος προς Θόρυβο). Στη μετάδοση simple duplex, μόνο ένα ζεύγος καλωδίων (δηλαδή μία γραμμή) μετέδιδε την πληροφορία και προς τις δύο κατευθύνσεις. Χρησιμοποιείτο η μέθοδος FDM (Frequency Division Multiplexing Πολύπλεξη με Επιμερισμό Συχνότητας) για τη μετάδοση σε κάθε κατεύθυνση. Λόγω των φτωχών δυνατοτήτων της τεχνολογίας εκείνης της εποχής, η μετάδοση αυτού του τύπου δε βρήκε ευρεία πρακτική εφαρμογή. Τέλος, στη μετάδοση dual simplex κάθε μία από τις δύο γραμμές χρησιμοποιείτο για μετάδοση αποκλειστικά προς μία κατεύθυνση. Πλεονέκτημα της μεθόδου ήταν η απλότητα, ενώ μειονέκτημα ήταν η έντονη διαφωνία HDSL2 Η τεχνολογία HDSL2 εισήχθη το 1995 με σκοπό να επιτευχθεί η παροχή ίδιου ρυθμού μετάδοσης με το HDSL με χρήση ενός χάλκινου ζεύγους, μέσω της εκμετάλλευσης της προόδου στον τομέα του σχεδιασμού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Χρησιμοποιούσε πιο πολύπλοκες τεχνικές διαμόρφωσης και πιο ισχυρές τεχνικές κωδικοποίησης. Είχε ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις επεξεργασίας και μνήμης. Όμως, το κόστος εγκατάστασης και εξοπλισμού ήταν χαμηλότερο απ ό,τι στo HDSL. Επιπλέον, η ισχύς ήταν αυξημένη κατά 3 db, υπήρχε καλύτερη συμβατότητα με τις υπόλοιπες υπηρεσίες και ¹CSA ονομάζεται μία γεωγραφική περιοχή συνδρομητών που ενοποιείται σε μία απλή ψηφιακή μετάδοση από μια τηλεφωνική εταιρεία. Κάθε τέτοια περιοχή εξυπηρετείται από έναν DLC, που πολυπλέκει τις συνδρομητικές γραμμές σε μια ψηφιακή γραμμή. 18