Последняя миля на xDSL

11.04.2007 21:35

История стандартизации xDSL

Связистам хорошо известна аббревиатура xDSL. Префикс «х» означает «нечто», изобретаемое разработчиками для выделения того или иного решения из обширного семейства близких видов. Раньше на месте этого префикса стояла лишь одна буква - I, H, S, V или A, теперь же он может заменяться комбинацией букв - Vo, MS, G.sh или даже словом: Net, Flex и т. д. Неизменной остается только предназначение технологий: высокоскоростная цифровая передача по медной абонентской линии.


Совсем другая история связана с аббревиатурой DSL. Она была придумана в лабораториях Bellcore AT&T еще в 80-е годы, и с тех пор ее «расшифровка» не менялась, хотя в сочетании с «х» она может означать самые различные вещи. Согласно первоначальному определению, DSL (Digital Subscriber Line) - это трехканальная линия, соединяющая ISDN-терминал пользователя с коммутационной системой телефонной компании по четырем обычным телефонным проводам. Используя Basic Rate Interface (два коммутируемых канала по 64 Кбит/с и один канал передачи данных с коммутацией пакетов емкостью 16 Кбит/с), DSL обеспечивает одновременную дуплексную транспортировку речи и данных, а также сигнальной и другой служебной информации. Интересно, что много позже, в середине 90-х, для идентификации «прародительницы» семейства высокоскоростных медных технологий к неизменному «корню» DSL стали прибавлять букву I. Это должно было обозначать реализацию DSL по технологии ISDN (2B+D, скорость передачи по линии 160 Кбит/с, одна пара) или IDSL.


Вслед за этим на рынок вышла технология HDSL - высокоскоростная цифровая абонентская линия. А затем вариации на тему xDSL посыпались как из рога изобилия.
Наиболее значимые с точки зрения массового внедрения DSL-технологии были стандартизованы ETSI (European Technical Standards Institute), ANSI (American National Standards Institute) и ITU (International Telecommunication Union), табл. 1. Многие из существующих ныне технологий стандартизировались де-факто, то есть уже после того, как решение прошло проверку в условиях коммерческой эксплуатации.


Как известно, HDSL предусматривает полнодуплексную передачу потока 2 Мбит/с по двум или трем парам симметричного кабеля (именно он используется для организации абонентских и межстанционных соединительных линий). В данном случае используются две технологии линейного кодирования - 2B1Q и CAP. Главным недостатком HDSL принято считать необходимость задействования нескольких пар, что при высокой стоимости аренды физических линий или их дефиците значительно сужает сферу применения высокоскоростной передачи данных по меди.


Технологии ADSL и ADSL-lite ориентированы на асимметричные соединения (скорость в направлении от сети к абоненту много выше, чем в обратном направлении). Здесь они предусматривают два типа линейного кодирования - CAP и DMT. Область применения асимметричных DSL-технологий в основном ограничена доступом в Internet для частных абонентов. Большинство экспертов сходятся на том, что для бизнес-пользователей (включая сектор SOHO) необходима симметричная передача данных.


На видео- и другие мультимедиа-приложения ориентировано решение VDSL. Оно обеспечивает высокую скорость (свыше 50 Мбит/с в направлении к абоненту) при относительно небольшой дальности соединений (несколько сотен метров).
Новейшие технологии SDSL стали «светом в конце тоннеля», так как они сочетают в себе положительные качества всех предшествующих DSL-технологий. Отметим, что SDSL позволяет передать по единственной паре (то есть по существующей абонентской линии) цифровой поток со скоростью до 2,3 Мбит/с, поддерживая при этом одинаковую скорость в обоих направлениях. По данным ведущих российских поставщиков, с 1999 по 2001 год доля систем SDSL в общем объеме реализуемого DSL-оборудования выросла c 10–15 до 70–80%.


Большинство из имеющихся сегодня на рынке SDSL-продуктов используют нестандартизованные технологии линейного кодирования - 2B1Q (версия MDSL) или CAP (версия MSDSL). Однако ANSI, ETSI и Международный союз электросвязи (ITU) остановили свой выбор на новом алгоритме модуляции TC-PAM и утвердили стандарты HDSL-2 и G.shdsl. Причин такого выбора несколько. Первая из них состоит в том, что новая технология сочетает в себе простоту и неприхотливость, присущие 2B1Q, с «дальнобойностью» CAP. Вторая причина, которая может оказаться решающей уже в ближайшем будущем, - это наилучшие показатели TC-PAM по электромагнитной совместимости (ЭМС) при использовании технологии на абонентских линиях.


Наличие хороших показателей по ЭМС на практике означает возможность «мирного сосуществования» различных технологий передачи сигнала в одном многожильном кабеле. Дело в том, что «паспортные» характеристики оборудования, базирующегося на любой из технологий DSL, достигаются лишь в случае использования его на одной паре многожильного кабеля, тогда как все остальные соединения отданы под аналоговую телефонную связь. Если же часть медных пар занята аппаратурой абонентского уплотнения (MDSL - 2B1Q), другая часть отведена под доступ к Internet (ADSL - DMT) и т. д., то проблема соответствия рабочих (реальных) показателей DSL-систем «паспортным» данным становится довольно серьезной.


Метод модуляции TC-PAM, стандартизованный ITU в технологии G.shdsl, позволяет минимизировать вредное влияние на установленные ранее в медном кабеле другие цифровые DSL-соединения (ISDN, ADSL, HDSL), а также на аналоговые телефонные линии.


Оборудование для высокоскоростной передачи данных широко используется как на межстанционных линиях, так и на «прямых проводах», которые могут состоять частично из кабельных пар в межстанционных кабелях, а частично из абонентских. Собственно, до начала Internet-бума основными приложениями DSL и были «цифровизация» межстанционных соединительных линий и замена устаревшего оборудования типа ИКМ-30.


На межстанционных линиях проблемы применения DSL-систем сильно отличаются от описанных выше. Здесь ключевым параметром является дальность: чем она больше, тем меньше требуется линейных регенераторов, а соответственно, тем дешевле обходится строительство тракта и его эксплуатация. Шумы, характерные для абонентских линий, на межстанционных кабелях менее заметны, однако появляются новые проблемы, скажем, обеспечение совместимости с отечественными системами уплотнения, которые разрабатывались в 60-е и 70-е годы (типа ИКМ-30 и К-60).

Цифровые системы передачи: от HDSL к G.shdsl

Немного предыстории
В начале 90-х годов развитие цифровых способов обработки сигнала привело к созданию HDSL. Эта технология сочетала в себе линейное кодирование 2B1Q и сложные алгоритмы эхоподавления. Первые варианты, работающие по двум парам, были созданы в США и быстро вытеснили старые цифровые системы передачи T1 ANSI (1544 Мбит/с), которые имели рабочую дальность чуть более километра. Все это произошло благодаря тому, что HDSL, обеспечивая большую дальность (3,5 км на проводе 0,4 мм), позволил отказаться от регенераторов и существенно снизить затраты на монтаж и эксплуатацию вновь вводимых линий.


Аналогичная картина складывалась в это время и в Европе - получили распространение варианты HDSL, которые обеспечивают передачу потока Е1 ETSI (2048 Кбит/с). Сначала появился вариант, который для получения большей скорости при той же дальности использовал три пары. Скорость передачи по каждой из пар при этом была та же, что и у американского варианта (748 Кбит/с). Затем, был стандартизован двухпарный вариант, у которого скорость по каждой из пар была выше (1168 Кбит/с) при меньшей рабочей дальности (около 3 км на проводе 0,4 мм). Но даже в этом случае дальность она оказывалась выше, чем у оборудования с линейным кодом HDB3.


 
Всем опытом эксплуатации HDSL доказал свои высокие эксплуатационные характеристики. В подавляющем большинстве случаев монтаж HDSL оборудования проводится без дополнительного подбора пар или кондиционирования линии. Благодаря этому сегодня около 80% всех линий Е1 подключено с применением HDSL оборудования. Более того, сам факт появления технологии, которая обеспечила возможность экономичных решений по организации цифровых подключений абонентов, привел к тому, что число таких подключений стало стремительно расти. Иными словами, именно появление HDSL стало своеобразным катализатором развития цифровых сетей.


В свою очередь, развитие цифровых сетей создало спрос на цифровые системы передачи xDSL с другими характеристиками. Так появилась сравнительно низкоскоростная технология IDSL, основными достоинствами которой были работа по одной паре и низкая стоимость, обусловленная применением стандартных компонентов, производимых для абонентского ISDN оборудования. Так родились скоростные и асимметричные ADSL, VDSL со всеми своими разновидностями, созданные для подключения индивидуальных абонентов жилого сектора по их существующей телефонной линии и без отказа от использования этой линии для аналоговой или цифровой (ISDN BRI) телефонии. Наконец, так были разработаны обеспечившие увеличенную дальность работы разновидности HDSL с другими способами линейного кодирования (CAP) и адаптивные разновидности HDSL с возможностью изменять скорость передачи в линии, подстраивая ее под характеристики линии.

 
Производители, каждый на свой лад, стали задумываться о реализации вариантов HDSL систем, которые бы работали по одной паре при полной скорости. Дело в том, что параллельно с развитием xDSL технологий росло и число используемых ими линий. Из-за этого большинство операторов во всем мире уже сегодня отмечают острую нехватку меди на абонентском участке - почти вся она "съедена" xDSL линиями. А ведь цифровизация еще не закончена. Где-то к 1996 году появились однопарные варианты HDSL. Но они не могли решить проблему из-за несовместимости с ADSL - спектр сигнала таких систем частично перекрывался со спектром сигнала ADSL от АТС к клиенту.

Первыми забили тревогу операторы США, и уже в начале 1996 года перед комитетом ANSI (T1E1.4) была поставлена задача подобрать для дальнейшего развития технологию, которая при симметричных потоках данных и использовании одной пары позволяла бы обеспечить:

  • рабочую дальность не меньшую, чем HDSL
  • устойчивость к тем же физическим характеристикам линии, что и HDSL (затухание, взаимное влияние, отражения от неоднородностей и отводов)
  • использование для оказания тех же видов услуг, что и HDSL
  • надежную и устойчивую передачу на реальных линиях со всеми присущими им дефектами
  • "сосуществование" с другими технологиями (HDSL, ISDN, ADSL)
  • снижение эксплуатационных затрат по сравнению с HDSL

HDSL2
Новая технология, появившаяся в результате огромной трехлетней работы, получила название HDSL2 (нужно отметить, что работа над ее стандартизацией ввиду некоторых разногласий между основными производителями пока не окончена и стандарт существует в виде рабочей версии Т1.418-2000). Изначально в качестве основы для реализации HDSL2 рассматривались симметричная передача с эхоподавлением (SEC) и частотное мультиплексирование (FDM), но обе были отклонены из-за присущих им недостатков. Первая имеет серьезные ограничения в условиях помех на ближнем конце, что делает ее неприменимой для массового развертывания. Вторая, хотя и свободна от недостатков первой, но требует использования более широкого спектра и не обеспечивает требований по взаимному влиянию с системами передачи других технологий.

 
В результате, в качестве основы была принята система передачи с перекрывающимся, но несимметричным распределением спектральной плотности сигнала, передаваемого в различных направлениях, использующая 16-уровневую модуляцию PAM (Pulse Amplitude Modulation). Выбранный способ модуляции PAM-16 обеспечивает передачу трех бит полезной информации и дополнительного бита (кодирование для защиты от ошибок) в одном символе. Сама по себе модуляция PAM не несет в себе ничего нового. Хорошо известная 2B1Q - это тоже модуляция PAM, но четырехуровневая. Использование решетчатых (Trellis) кодов, которые за счет введения избыточности передаваемых данных позволили снизить вероятность ошибок, дало выигрыш в 5 dB. Результирующая система получила название TC-PAM (Trellis coded PAM). При декодировании в приемнике используется весьма эффективный алгоритм Витерби (Viterbi). Дополнительный выигрыш получен за счет применения прекодирования Томлинсона (Tomlinson) - искажении сигнала в передатчике на основе знания импульсной характеристики канала. Суммарный выигрыш за счет использования такой достаточно сложной технологии кодирования сигнала составляет до 30% по сравнению с ранее используемыми HDSL/SDSL системами.


 
Но все-таки, ключевым элементом успеха новой технологии является идея несимметричного распределение спектра, получившее название OPTIS (Overlapped PAM Transmission with Interlocking Spectra) и послужившее основой HDSL2 и, впоследствии, G.shdsl. При выборе распределения спектральной плотности для OPTIS решалось одновременно несколько задач. В первой области диапазона частот (0-200 кГц), где переходное влияние минимально, спектральные плотности сигналов, передаваемых в обе стороны одинаковы. Во втором диапазоне частот (200-250 кГц), спектральная плотность сигнала от LTU (оборудования на узле связи) к NTU (абонентскому оборудованию) уменьшена, чтобы снизить его влияние на сигнал в обратном направлении в этой области частот. Благодаря этому переходные влияния на ближнем конце в обоих диапазонах частот оказываются одинаковыми.

 
В свою очередь мощность сигнала от NTU к LTU во втором диапазоне частот уменьшена, что даёт дальнейшее улучшение отношения сигнал/шум в этой области частот. Следует отметить, что это уменьшение не ухудшает отношения сигнал/шум на входе NTU по двум причинам: во-первых, полоса частот сигнала от LTU к NTU увеличена по сравнению с полосой частот сигнала в обратном направлении, и, во-вторых, абонентские модемы NTU пространственно разнесены, что также уменьшает уровень переходной помехи. В третьем диапазоне частот спектральная плотность сигнала от LTU к NTU максимальна, поскольку сигнал в обратном направлении в этой области почти отсутствует, и отношение сигнал/шум для сигнала на входе NTU оказывается высоким. Выбранная форма спектра является оптимальной не только в случае, когда в кабеле работают только системы HDSL2. Она будет оптимальна и при работе с ADSL, поскольку сигнал HDSL2 от NTU к LTU выше частоты 250 кГц, где сосредоточена основная мощность составляющих нисходящего потока ADSL, практически подавлен. Предварительные расчёты показали, что помехи от системы HDSL2 в нисходящем тракте системы ADSL (от LTU к NTU) меньше помех от системы HDSL, работающей по двум парам, и существенно меньше помех от системы HDSL, использующей код 2B1Q и работающей по одной паре на полной скорости.

На арену выходит G.shdsl
В 1998 году инициативу ANSI подхватила и остальная часть мира. В ITU-T началась работа над всемирным стандартом G.shdsl (стандарт G.991.2 утвержден в феврале 2001 г.), европейской версией этого стандарта занимается и ETSI (сейчас он оформлен в виде спецификации TS 101524).


В основу G.shdsl были положены основные идеи HDSL2, получившие дальнейшее развитие. Была поставлена задача, используя способы линейного кодирования и технологию модуляции HDSL2, снизить взаимное влияние на соседние линии ADSL при скоростях передачи выше 784 Кбит/с.


Поскольку новая система использует более эффективный линейный код по сравнению с 2B1Q, то при любой скорости сигнал G.shdsl занимает более узкую полосу частот, чем соответствующий той же скорости сигнал 2B1Q. Поэтому помехи от систем G.shdsl на другие системы xDSL имеют меньшую мощность по сравнению с помехами, создаваемыми HDSL типа 2B1Q. Более того, спектральная плотность сигнала G.shdsl имеет такую форму, которая обеспечивает его почти идеальную спектральную совместимость с сигналами ADSL.


Отмеченные свойства G.shdsl являются чрезвычайно важными для обеспечения устойчивой работы в условиях широкого внедрения xDSL технологий в будущем. Результаты анализа устойчивости работы, которые выполнялись на основе используемых ранее шумовых моделей (в том числе и описанных в стандартах) могут оказаться недостоверными. Таким образом, оператор связи, развертывая системы передачи сегодня не будет иметь гарантии, что они сохранят устойчивую работоспособность в будущем, когда на соседних парах заработают другие системы.


Шумовые модели, более точно отражающие современное состояние внедрения цифровых технологий передачи на абонентской сети предложены международной инициативной организацией FSAN (Full Service Access Networks), которая с 1995 г. занимается разработкой требований и поиском консенсуса между интересами операторов и различных производителей телекоммуникационного оборудования, работающих в области построения мультисервисных сетей узкополосного и широкополосного абонентского доступа. Организацией FSAN были разработаны четыре оценочные модели шумов, отличающиеся количеством и составом эксплуатируемых в одном кабеле систем передачи (табл. 1). Расчеты по новым моделям достаточно сложны, но именно они могут дать представление о реальной работоспособности технологий xDSL на этапе массового развертывания цифрового абонентского доступа. С учетом сказанного, стоит весьма критически относиться к результатам оценки устойчивости работы, если для них использованы хоть и предусмотренные стандартами, но морально устаревшие шумовые модели.

Таблица 1. Модели для оценки влияния шумов, предложенные FSAN:

Модель A, высокий уровень внедрения xDSL технологий
SDSL +11,7 дБ около 90 пар
ISDN/2B1Q +11,7 дБ около 90 пар
HDSL/2B1Q (2 пары) +9,6 дБ около 40 пар
ADSL на аналоговой телефонной линии +11,7 дБ около 90 пар
ADSL на ISDN BRI +11,7 дБ около 90 пар
Модель B, средний уровень внедрения xDSL технологий
SDSL +7,1 дБ около 15 пар
ISDN/2B1Q +6,0 дБ около 10 пар
HDSL/2B1Q (2 пары) +3,6 дБ около 4 пар
ADSL Lite +6,0 дБ около 10 пар
ADSL на ISDN BRI +4,2 дБ около 5 пар
Модель С, средний уровень внедрения xDSL технологий при наличии старых систем цифровой передачи с кодом HDB3
SDSL  +7,1 дБ около 15 пар 
ISDN/2B1Q +6,0 дБ около 10 пар
HDSL/2B1Q (2 пары) +3,6 дБ около 4 пар
ADSL Lite +6,0 дБ около 10 пар
ADSL на ISDN BRI  +4,2 дБ около 5 пар
ISDN PRI / HDB3  +3,6 дБ около 4 пар
Модель D, эталонная
SDSL  +10,1 дБ около 49 пар

Есть и другие достоинства G.shdsl. По сравнению с двухпарными вариантами, однопарные варианты обеспечивают существенный выигрыш по аппаратным затратам и, соответственно, надежности изделия. Ресурс снижения стоимости составляет до 30% для модемов и до 40% для регенераторов - ведь каждая из пар требует приемопередатчика HDSL, линейных цепей, элементов защиты и т.п.


В целях поддержки клиентов различного уровня, в G.shdsl решили предусмотреть возможность выбора скорости в диапазоне 192 Кбит/с - 2320 Кбит/с с инкрементом 8 Кбит/с. За счет расширения набора скоростей передачи оператор может выстроить маркетинговую политику, более точно приближенную к потребностям клиентов. Кроме того, уменьшая скорость можно добиться увеличения дальности в тех случаях, когда установка регенераторов невозможна. Так, если при максимальной скорости рабочая дальность составляет около 2 км (для провода 0,4 мм), то при минимальной - свыше 6 км. Но это еще не все. В G.shdsl предусмотрена возможность использования для передачи данных одновременно двух пар, что позволяет увеличить предельную скорость передачи до 4624 Кбит/с. Но, главное, можно удвоить максимальную скорость, которую удается получить на реальном кабеле по которому подключен абонент.


 
Для обеспечения взаимной совместимости оборудования различных производителей в стандарт G.shdsl был инкорпорирован стандарт G.hs.bis (G.844.1), описывающий процедуру инициализации соединения. Предусмотрено два варианта процедуры. В первом оборудование LTU (установленное на АТС) диктует параметры соединения NTU (оборудованию клиента), во втором - оба устройства "договариваются" о скорости передачи с учетом состояния линии. Учитывая неизвестные начальные условия, при обмене данными во время инициализации для гарантированного установления соединения применяется низкая скорость передачи и один из классических методов модуляции (DPSK).


Кроме установки скорости, G.hs описывает и порядок выбора протокола в процессе установки соединения. Чтобы обеспечить совместимость со всеми используемыми на сегодня сервисами, фреймер G.shdsl модема должен реализовать возможность работы с такими протоколами, как E1, ATM, IP, PCM, ISDN. Для обеспечения гарантированной работоспособности приложений реального времени, стандартом G.shdsl ограничена максимальная задержка данных в канале передачи (не более 500 мс). Наиболее используемыми приложениями этого вида для G.shdsl являются передача голоса VoDSL во всех ее разновидностях (PCM - обычный цифровой канал телефонии, VoIP - голос через IP и VoATM - голос через ATM) и видеоконференцсвязь.


За счет оптимального выбора протокола во время инициализации в G.shdsl удается дополнительно снизить задержки в канале передачи. Например, для IP трафика устанавливается соответствующий протокол, что позволяет отказаться от передачи избыточной информации, по сравнению с IP пакетами, инкапсулированными в ATM ячейки. А для передачи цифровых телефонных каналов в формате ИКМ непосредственно выделяется часть полосы DSL канала.


Стоит отметить, что упомянутые выше передача голоса и видеоконференцсвязь требуют передачи симметричных потоков данных в обе стороны. Симметричная передача необходима и для подключения локальных сетей корпоративных пользователей, которые используют удаленный доступ к серверам с информацией. Поэтому, в отличие от других высокоскоростных технологий (ADSL и VDSL), G.shdsl как нельзя лучше подходит для организации последней мили. Так, при максимальной скорости она обеспечивает передачу 36 стандартных голосовых каналов. Тогда как ADSL, где ограничивающим фактором является низкая скорость передачи от абонента к сети (640 Кбит/с), позволяет организовать лишь 9 голосовых каналов, не оставляя места для передачи данных.


Еще одна задача, которая успешно решена в G.shdsl - снижение энергопотребления. Поскольку для дистанционного питания используется одна пара, важность этой задачи трудно переоценить. Еще одна положительная сторона - снижение рассеиваемой мощности открывает путь к созданию высоко интегрированного станционного оборудования.

Новые возможности оборудования - свобода выбора операторов
Как следует из вышеизложенного, G.shdsl имеет целый ряд достоинств по сравнению с другими xDSL технологиями. Оперируя основными показателями, можно сказать, что G.shdsl, по сравнению с однопарным вариантом 2B1Q HDSL, позволяет увеличить на 35-45% скорость передачи при той же дальности или увеличить дальность на 15-20% при той же скорости. Кроме того, в G.shdsl изначально заложены базовые возможности для ее использования на последней миле в сетях PCM (ИКМ), ATM, IP, FR. Благодаря этому G.shdsl имеет самую широкую область применения.


 
Казалось бы, новая технология станет панацеей, и спрос на все прочие симметричные xDSL технологии исчезнет, а на асимметричные - существенно снизится. Однако, как большинство специалистов по эксплуатации оборудования, так и большинство производителей оборудования G.shdsl, отмечают, что новую технологию нельзя рассматривать как полную замену семейств HDSL/SDSL/MSDSL. Все они сходятся во мнении, что она не может служить их заменой, а является дополнением. Поэтому в ближайшее время станут выигрывать аппаратные платформы, которые реализуют возможность использования всех основных технологий в рамках единой системы. Именно они позволят оператору выбирать для подключения абонента ту xDSL технологию, которая оптимально подходит для существующих условий и решаемых задач.


 
Однако, уже сегодня оборудование G.shdsl предлагают даже небольшие компании. Объяснение этого факта простое - речь идет об оборудовании, частично выполняющем требования стандарта G.shdsl. Благодаря тому, что оно реализует не все описанные в стандарте функции или реализует их с использованием упрощенных нестандартных алгоритмов, оно стоит весьма недорого. Обычно, в таких устройствах совместимость со стандартом ограничена применением линейного кодирования TC-PAM. Область применения этих устройств за рубежом ограничена приложением "точка-точка", использующимся для объединения учрежденческих АТС и сегментов локальных сетей учреждений. Отличить такие устройства просто - они не имеют вариантов с высокой плотностью оборудования (несколько модемов на одном модуле), ориентированных на установку на узлах связи.


В заключение хочется обратить внимание на тот факт, что одним из основополагающих моментов в стандарте G.shdsl, который будет обуславливать успех этой технологии на рынке телекоммуникационного оборудования, является совместимость оборудования различных производителей. Эта возможность позволит операторам в будущем легко менять поставщика или приобретать абонентское и станционное оборудование у различных поставщиков, что уже сегодня повсеместно практикуется для ADSL. Проверкой совместимости занимается специально созданная ведущими производителями лаборатория IOL (IterOperability Lab, University of New Hampshire), работающая во взаимодействии с DSL Форумом - основоположником "моды" xDSL. Проверка является весьма дорогостоящим процессом, поэтому только серьезные поставщики смогут обоснованно гарантировать, что их оборудование полностью совместимо со стандартами G.shdsl и G.hs.bis. Именно на их оборудовании мы и рекомендуем остановить свой выбор.