Технология HDSL и ее применение в сетях доступа

1. Концепция технологий x-DSL

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, разработанные для организации высокоскоростной цифровой связи по существующим медным линиям, доказали, что уложенный в землю кабель - ценнейший капитал, который еще далеко не время списывать в утиль.

На рис. показана эволюция скорости передачи по медно-кабельным линиям от азбуки Морзе (10 бит/с) до технологий VDSL (51 Мбит/с). Технологии xDSL (DSL - Digital Subscriber Loop) начали свое развитие в 70-х годах созданием устройств. доступа BR (Basic Rate) ISDN (160 кбит/с). Эти технологии, обещающие в недалеком будущем массовое внедрение оборудования VDSL, позволяют достичь на медном кабеле скоростей передачи, ранее доступных лишь ВОЛС, С разработкой концепции xDSL значительно изменилась идеология развития сетей связи. Раньше широко бытовало мнение, что довести «цифру в каждый дом» можно лишь с помощью массового внедрения оптических кабелей. В настоящее время после практической апробации технологий xDSL, 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 [29].

Первой из xDSL является технология U-интерфейса ISDN, обеспечивающая дуплексную (в обе стороны) 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).

Рисунок 1 - Рост скорости цифровой передачи по медным линиям связи

Следующей технологией в ряду xDSL (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 разработаны также более высокоскоростные технологии xDSL, например, такие как ADSL и VDSL. Технология асимметричной цифровой абонентской линии ADSL (Asymmetric 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 Internet. 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 ограниченностью пропускной способности магистральных сетей. Например, Internet-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 технологии VDSL (Very High-bit-rate Digital Subscriber Loop)₄ то она пока не вышла из лабораторий, хотя ряд производителей анонсировал появление оборудования с использованием VDSL в 1998 году.

Все технологии xDSL рассматривались изначально как технологии абонентского доступа (отсюда и название), предназначенные для использования на абонентских линиях, то есть медных кабельных парах, проложенных от телефонной станции до месторасположения абонента. В реальности (см. ниже) сфера применения технологий xDSL существенно шире. Например, ведущий производитель оборудования xDSL в США, компания PairGain Technologies, добилась наибольшего объема поставок систем HDSL под задачу модернизации межстанционных цифровых соединительных линий со скоростью передачи 1,5 Мбит/с - Т По данным ведущего европейского производителя систем xDSL, фирмы Schmid Yelecom А^г (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 данным специалистов [50], на городских телефонных сетях России средняя длина абонентских линий (АЛ) составляет 1280 м (при коэффициенте 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 2 км. Технология HDSL, предназначенная первоначально для «цифровизации» именно абонентских линий, разрабатывалась таким образом, чтобы обеспечить работу на подавляющем большинстве существующих АЛ. Поэтому, «базовая дальность» для систем HDSL составляет 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 мм до 0,9 мм), технологии xDSL должны быть работоспособны на линиях самых «сложных» топологий. И, наконец, поскольку в кабеле, как правило, несколько десятков (а то и сотен) жил, оборудование xDSL должно сосуществовать с оборудованием, работающим по соседним парам, будь то другая система xDSL, ISDN или обычный аналоговый телефон/О том, как решаются столь сложные задачи, и пойдет речь ниже.

2. Технологии кодирования, применяемые в HDSL

Наиболее широко применяемой в настоящее время технологией ряда xDSL (за исключением BR ISDN) является технология HDSL, поэтому о ней будет рассказано более подробно. Главной идеей технологии HDSL является использование существующего электрического (чаще всего с медными жилами) кабеля для симметричной дуплексной 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 (после некоторой переработки линейных согласующих блоков) коаксиальному.

Главными факторами, влияющими на качество работы оборудования HDSL, являются параметры линии связи. Напомним ключевые из них для технологий xDSL:

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.

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 - 2В1Q (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 и снижение частоты линейного сигнала позволило вести передачу в обоих направлениях не только по одной паре, но и в одном кабеле, 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.

3. Технология 2В1Q

Рассмотрим более подробно каждый из методов кодирования HDSL. Разработанная первой технология 2В1Q остается широко распространенной в Западноевропейских странах и США. Она изначально использовалась в сетях ISDN для передачи потока 144 кбит/с (BR ISDN), а затем 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. 4.2). Присутствуют также низкочастотные и постоянная составляющие. Рассмотрим, как влияют на передачу кода 2B1Q различные факторы.

В городских условиях создается большое количество низкочастотных наводок, например, при пуске 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, реализующие технологию 2B1Q, обеспечивают достаточно изощренные методы коррекции искажений в низкочастотной области спектра и удовлетворительное качество передачи. Вместе с тем, кодирование 2B1Q все же остается чувствительным к искажениям, так как сигнал имеет постоянную составляющую.

Наличие большого разброса частот в спектре сигнала 2В1Q вызывает необходимость решения проблем, связанных с групповым временем задержки. Микропроцессорная обработка помогает решить и эту проблему, хотя алгоритм обработки сигнала существенно усложняется.

Рисунок 2 - Технология 2B1Q

Спектр кода 2B1Q содержит высокочастотные составляющие, максимум энергии передается в первом «лепестке», ширина его пропорциональна скорости на линии. Затухание сигнала в кабеле растет с увеличением его частоты, поэтому в зависимости от требуемой дальности применяется одна из трех скоростей линейного сигнала (784 кбит/с, 1168 кбит/с или 2320 кбит/с). Технология 2B1Q предусматривает использование для передачи потока 2 Мбит/с одной, двух или трех пар медного кабеля. По каждой из пар передается часть потока (см. рис. 4.2) 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 1 пару, не удовлетворяют 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 и обеспечивающими ту же дальность по двум парам. Наибольшее распространение из систем с кодированием 2B1Q имеют системы, работающие по двум парам. Дальность работы таких систем (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.

Большое 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, или при монтаже оборудования в помещениях или в непосредственной близости от радио-телецентров.

По мнению большинства экспертов, с технической точки зрения, технология 2B1Q несколько уступает более поздней технологии линейного кодирования - САР. 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 2В1Q становится все более и более «доступной», то есть большое количество компаний, даже не специализирующихся на производстве оборудования xDSL, имеют 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.

Что же касается стран Восточной Европы, Южной Америки, Азии, то ввиду большей длины абонентских и соединительных линий, как правило, более низкого качества уложенных кабелей, большим спросом пользуются системы HDSL, базирующиеся на технологии САР

(Carrierless Amplitude and Phase Modulation) - амплитудно-фазовой модуляции без передачи несущей. Разработчик технологии - компания GlobeSpan (часть бывшей AT&T) - поставила себе целью создать узкополосную технологию линейного кодирования, не чувствительную к большинству внешних помех, что, как показывает опыт внедрения систем HDSL на основе технологии САР в ми|эе и в России, вполне удалось.

4. Технология САР

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 пфед передачей в линию сама несущая, не передающая информацию, но содержащая наибольшую энергию, «вырезается» из сигнала, а затем восстанавливается микропроцессором приемника. Соответственно 64-позиционной модуляционной диаграмме, сигнал САР-64 передает 6 бит информации в каждый момент времени, то есть в 16 раз больше по сравнению с 2В1Q. Модуляция САР-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. 4.3 показаны спектр и модуляционная диаграмма сигнала САР.

Рисунок 3 - Технология САР

Для объяснения достоинств модуляции САР на рис. 4.4 наложены спектры сигналов с кодом HDB3 (технология, применяемая ранее для создания линий Е1, в частности используемая в линейных трактах систем типа ИКМ-30), 2B1Q и САР.

Из сравнительного анализа спектров видны положительные особенности систем HDSL, основанных на САР модуляции.

Максимальная дальность работы аппаратуры. 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 HD6 При условиях, что выходная мощность в системах HDSL ограничена стандартами (+13,5 дБ), а повышение чувствительности приемника выше -43 дБ не представляется возможным из-за шумов, снижение частоты линейного сигнала ведет к выигрышу по дальности работы систем HDSL на основе технологии САР по сравнению с 2B1Q. Для систем, работающих по двум парам (см, табл. 4.1 ниже), этот выигрыш составляет 15-20% (для жилы 0,4-0,5 мм), для систем SDSL (то есть работающих по одной паре) - 30-40%. Если сравнивать дальность передачи (без регенераторов), достигаемую в системах HDSL на основе технологии САР, с дальностью работы линейного тракта ИКМ-30 (HDB-3), выигрыш составит 350-400%.

Рисунок 4. Спектры сигналов HDB3, 2B1Q, САР

2. Высокая помехоустойчивость и нечувствительность к групповому времени задержки. Ввиду отсутствия в спектре высокочастотных (свыше 260 кГц) и низкочастотных составляющих (ниже 40 кГц), технология САР не чувствительна к высокочастотным наводкам (перекрестные помехи, радиоинтерференция) и импульсным шумам, также, 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.

Минимальный уровень создаваемых помех и наводок на соседние пары. Сигнал САР не вызывает интерференции (взаимовлияния) и помех в спектре обычного (аналогового) телефонного сигнала благодаря отсутствию в спектре составляющих ниже 4 кГц. Это снимает ограничения по использованию 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, соответственно 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.