Технологии DSL

Современный мир созрел для использования технологий DSL. Увеличение потоков информации, передаваемых по сети Интернет компаниями и частными пользователями, а также потребность в организации удаленного доступа к корпоративным сетям, породили потребность в создании недорогих технологий цифровой высокоскоростной передачи данных по самому «узкому» месту цифровой сети - абонентской телефонной линии. Технологии DSL позволяют значительно увеличить скорость передачи данных по медным парам телефонных проводов без необходимости модернизации абонентских телефонных линий. Именно возможность преобразования существующих телефонных линий в высокоскоростные каналы передачи данных и является главным преимуществом технологий DSL.

Так что же такое технология DSL?

Сокращение DSL расшифровывается как Digital Subscriber Line (цифровая абонентская линия). DSL является достаточно новой технологией, позволяющей значительно расширить полосу пропускания старых медных телефонных линий, соединяющих телефонные станции с индивидуальными абонентами. Любой абонент, пользующийся в настоящий момент обычной телефонной связью, имеет возможность с помощью технологии DSL значительно увеличить скорость своего соединения, например, с сетью Интернет. Следует помнить, что для организации линии DSL используются именно существующие телефонные линии; данная технология тем и хороша, что не требует прокладывания дополнительных телефонных кабелей. В результате вы получаете круглосуточный доступ в сеть Интернет с сохранением нормальной работы обычной телефонной связи. Никто из ваших друзей больше не пожалуется, что часами не может к вам прозвониться. Благодаря многообразию технологий DSL пользователь может выбрать подходящую именно ему скорость передачи данных - от 32 Кбит/с до более чем 50 Мбит/с. Данные технологии позволяют также использовать обычную телефонную линию для таких широкополосных систем, как видео по запросу или дистанционное обучение. Современные технологии DSL приносят возможность организации высокоскоростного доступа в Интернет в каждый дом или на каждое предприятие среднего и малого бизнеса, превращая обычные телефонные кабели в высокоскоростные цифровые каналы. Причем скорость передачи данных зависит только от качества и протяженности линии, соединяющих пользователя и провайдера. При этом провайдеры обычно дают возможность пользователю самому выбрать скорость передачи, наиболее соответствующую его индивидуальным потребностям.

Как работает DSL

Телефонный аппарат, установленный у вас дома или в офисе, соединяется с оборудованием телефонной станции с помощью витой пары медных проводов. Традиционная телефонная связь предназначена для обычных телефонных разговоров с другими абонентами телефонной сети. При этом по сети передаются аналоговые сигналы. Телефонный аппарат воспринимает акустические колебания (являющиеся естественным аналоговым сигналом) и преобразует их в электрический сигнал, амплитуда и частота которого постоянно изменяется. Так как вся работа телефонной сети построена на передаче аналоговых сигналов, проще всего, конечно же, использовать для передачи информации между абонентами или абонентом и провайдером именно такой метод. Именно поэтому вам пришлось прикупить в дополнение к вашему компьютеру еще и модем, который позволяет демодулировать аналоговый сигнал и превратить его в последовательность нулей и единиц цифровой информации, воспринимаемой компьютером.

При передаче аналоговых сигналов используется только небольшая часть полосы пропускания витой пары медных телефонных проводов; при этом максимальная скорость передачи, которая может быть достигнута с помощью обычного модема, составляет около 56 Кбит/с. DSL представляет собой технологию, которая исключает необходимость преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую форму и наоборот. Цифровые данные передаются на ваш компьютер именно как цифровые данные, что позволяет использовать гораздо более широкую полосу частот телефонной линии. При этом существует возможность одновременно использовать и аналоговую телефонную связь, и цифровую высокоскоростную передачу данных по одной и той же линии, разделяя спектры этих сигналов.

Различные типы технологий DSL и краткое описание их работы

DSL представляет собой набор различных технологий, позволяющих организовать цифровую абонентскую линию. Для того, чтобы понять данные технологии и определить области их практического применения, следует понять, чем эти технологии различаются. Прежде всего, всегда следует держать в уме соотношение между расстоянием, на которое передается сигнал, и скоростью передачи данных, а также разницу в скоростях передачи «нисходящего» (от сети к пользователю) и «восходящего» (от пользователя в сеть) потока данных.

DSL объединяет под своей крышей следующие технологии.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия)

Данная технология является асимметричной, то есть скорость передачи данных от сети к пользователю значительно выше, чем скорость передачи данных от пользователя в сеть. Такая асимметрия, в сочетании с состоянием «постоянно установленного соединения» (когда исключается необходимость каждый раз набирать телефонный номер и ждать установки соединения), делает технологию ADSL идеальной для организации доступа в сеть Интернет, доступа к локальным сетям (ЛВС) и т.п. При организации таких соединений пользователи обычно получают гораздо больший объем информации, чем передают. Технология ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. ADSL позволяет передавать данные со скоростью 1,54 Мбит/с на расстояние до 5,5 км по одной витой паре проводов. Скорость передачи порядка 6 - 8 Мбит/с может быть достигнута при передаче данных на расстояние не более 3,5 км по проводам диаметром 0,5 мм.

R-ADSL (Rate-Adaptive Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия с адаптацией скорости соединения)

Технология R-ADSL обеспечивает такую же скорость передачи данных, что и технология ADSL, но при этом позволяет адаптировать скорость передачи к протяженности и состоянию используемой витой пары проводов. При использовании технологии R-ADSL соединение на разных телефонных линиях будет иметь разную скорость передачи данных. Скорость передачи данных может выбираться при синхронизации линии, во время соединения или по сигналу, поступающему от станции.

G . Lite (ADSL.Lite) представляет собой более дешёвый и простой в установке вариант технологии ADSL, обеспечивающий скорость «нисходящего» потока данных до 1,5 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных до 512 Кбит/с или по 256 Кбит/с в обоих направлениях.

IDSL (ISDN Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия IDSN)
Технология IDSL обеспечивает полностью дуплексную передачу данных на скорости до 144 Кбит/с. В отличие от ADSL возможности IDSL ограничиваются только передачей данных. Несмотря на то, что IDSL, также как и ISDN, использует модуляцию 2B1Q, между ними имеется ряд отличий. В отличие от ISDN линия IDSL является некоммутируемой линией, не приводящей к увеличению нагрузки на коммутационное оборудование провайдера. Также линия IDSL является «постоянно включенной» (как и любая линия, организованная с использованием технологии DSL), в то время как ISDN требует установки соединения.

HDSL (High Bit-Rate Digital Subscriber Line - высокоскоростная цифровая абонентская линия)

Технология HDSL предусматривает организацию симметричной линии передачи данных, то есть скорости передачи данных от пользователя в сеть и из сети к пользователю равны. Благодаря скорости передачи (1,544 Мбит/с по двум парам проводов и 2,048 Мбит/с по трем парам проводов) телекоммуникационные компании используют технологию HDSL в качестве альтернативы линиям T1/E1. (Линии Т1 используются в Северной Америке и обеспечивают скорость передачи данных 1,544 Мбит/с, а линии Е1 используются в Европе и обеспечивают скорость передачи данных 2,048 Мбит/с.) Хотя расстояние, на которое система HDSL передает данные (а это порядка 3,5 - 4,5 км), меньше, чем при использовании технологии ADSL, для недорогого, но эффективного, увеличения длины линии HDSL телефонные компании могут установить специальные повторители. Использование для организации линии HDSL двух или трех витых пар телефонных проводов делает эту систему идеальным решением для соединения УАТС, серверов Интернет, локальных сетей и т.п. Технология HDSL2 является логическим результатом развития технологии HDSL. Данная технология обеспечивает характеристики, аналогичные технологии HDSL, но при этом использует только одну пару проводов.

SDSL (Single Line Digital Subscriber Line - однолинейная цифровая абонентская линия)

Также как и технология HDSL, технология SDSL обеспечивает симметричную передачу данных со скоростями, соответствующими скоростям линии Т1/Е1, но при этом технология SDSL имеет два важных отличия. Во-первых, используется только одна витая пара проводов, а во-вторых, максимальное расстояние передачи ограничено 3 км. В пределах этого расстояния технология SDSL обеспечивает, например, работу системы организации видеоконференций, когда требуется поддерживать одинаковые потоки передачи данных в оба направления. В определенном смысле технология SDSL является предшественником технологии HDSL2.

VDSL (Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line - сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия)

Технология VDSL является наиболее «быстрой» технологией xDSL. Она обеспечивает скорость передачи данных «нисходящего» потока в пределах от 13 до 52 Мбит/с, а скорость передачи данных «восходящего» потока в пределах от 1,5 до 2,3 Мбит/с, причем по одной витой паре телефонных проводов. В симметричном режиме поддерживаются скорости до 26 Мбит/с. Технология VDSL может рассматриваться как экономически эффективная альтернатива прокладыванию волоконно-оптического кабеля до конечного пользователя. Однако, максимальное расстояние передачи данных для этой технологии составляет от 300 метров до 1300 метров. То есть, либо длина абонентской линии не должна превышать данного значения, либо оптико-волоконный кабель должен быть подведен поближе к пользователю (например, заведен в здание, в котором находится много потенциальных пользователей). Технология VDSL может использоваться с теми же целями, что и ADSL; кроме того, она может использоваться для передачи сигналов телевидения высокой четкости (HDTV), видео по запросу и т.п.

Технология	Описание	Спецификации	Примечания
HDSL	высокоскоростной DSL	2 Мбит/с, симметричный	4-х проводной, до 4.8 км
HDSL-2	2-х проводной HDSL	1.5 Мбит/, симметричный	до 2.5-3 км
IDSL	ISDN DSL	128 Кбит/с, симметричный
MSDSL
SHDSL	Многоскоростной симметричный DSL	До 2.3 Мбит/с, симметричный, адаптивный	2-х проводной, 4 км на 2.048 Мбит/с по кабелю 0.5 мм
ADSL	Асимметричный DSL	До 8 Мбит/с D/S, 640 Кбит/с U/S	Данные и голос (POTS, ISDN)
ADSL.LIte	Асимметричный DSL	До 1.5 Мбит/с D/S, 384 Кбит/с U/S	С разветвителем или без
VDSL	Симметричный/асимметричный DSL	До 25 Мбит/с, симметричный/до 51 Mбит/с D/S, 13 Мбит/с U/S асимметричный	До 10 Мбит/с, 2 км
n x SHDSL	4 х SHDSL 2-х проводной	До 8.5 Мбит/с	По четырем медным парам

Во-первых, технологии DSL обеспечивают высокую скорость передачи данных. Различные варианты технологий DSL обеспечивают различную скорость передачи данных, но в любом случае эта скорость гораздо выше скорости самого быстрого аналогового модема.
Во-вторых, технологии DSL оставляют вам возможность пользоваться обычной телефонной связью, несмотря на то, что используют для своей работы абонентскую телефонную линию. Используя технологии DSL вам больше не надо беспокоиться о том, что вы не получите вовремя важное известие, или о том, что для обычного телефонного звонка вам прежде потребуется выйти из сети Интернет.

И, наконец, линия DSL всегда работает. Соединение всегда установлено, и вам больше не надо набирать телефонный номер и ждать установки соединения, каждый раз, когда вы хотите подключиться. Не придется больше беспокоиться о том, что в сети произойдет случайное разъединение, и вы потеряете связь именно в тот момент, когда загружаете из сети данные, которые вам просто жизненно необходимы. Электронную почту вы будет получать в момент поступления, а не тогда, когда решите ее проверить. В общем, линия будет работать всегда, а вы будете всегда на линии.

1. Идея HDSL

2. Технологии кодирования, применяемые в HDSL

3. Кодирование 2B1Q

4. Кодирование CAP

5. Литература

"Медь закопана в землю, но далеко еще не мертва" Поговорка разработчиков HDSL

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

Идея HDSL

С разработкой концепции DSL значительно изменилась идеология развития сетей связи. Если раньше широко бытовало мнение, что довести "цифру в каждый дом" можно лишь с помощью массового внедрения оптических кабелей, то после практической апробации технологий DSL, 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.

На рис. 1 показана эволюция медно-кабельных линий как среды передачи цифровой информации от азбуки Морзе (10 бит/с) до технологий VDSL (51 Мбит/с). Технологии цифровых абонентских линий, обычно называемые HDSL, начавшие свое развитие в 70-х годах созданием устройств доступа Basic Rate ISDN (160 кбит/с) и обещающие в недалеком будущем массовое внедрение оборудования VDSL, позволяют достичь на медном кабеле скоростей передачи, ранее доступных лишь на волоконно-оптических линиях (ВОЛС).

Рис.1. Рост скорости цифровой передачи по медным линиям связи

Первой из HDSL является технология U-интерфейса ISDN, обеспечивающая дуплексную 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).

Следующей технологией в ряду DSL (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 были разработаны еще более высокоскоростные технологии DSL, например, такие, как ADSL и VDSL. Технология асимметричной цифровой абонентской линии ADSL (Asymmetrical 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 Интернет. 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 ограниченной пропускной способностью магистральных сетей. Например, Интернет-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 VDSL (Very High-bit-rate Digital Subscriber Loop), то эта технология пока не вышла из лабораторий, хотя ряд производителей анонсировал появление оборудования с использованием VDSL в 1998г.

Все технологии HDSL рассматривались изначально как технологии абонентского доступа (отсюда и название), предназначенные для использования на абонентских линиях, то есть на медных кабельных парах, проложенных от телефонной станции до месторасположения абонента. На практике сфера применения технологий HDSL оказалась существенно шире. Например, ведущий производитель оборудования HDSL в США, компания PairGain Technologies, добилась наибольшего объема поставок систем HDSL для проведения модернизации межстанционных цифровых соединительных линий Т1. По данным ведущего европейского производителя HDSL, фирмы Schmid Telecom AG (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 имеющимся данным ("Электросвязь", Nl, 1997, с. 13), на городских телефонных сетях России средняя длина абонентских линий (АЛ) составляет 1280 м (коэффициент 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 12 км. Технология HDSL, предназначенная первоначально для "цифровизации" именно абонентских линий, разрабатывалась таким образом, чтобы обеспечить работу на подавляющем большинстве существующих АЛ. В результате "базовая дальность" для систем HDSL оказывается равной 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 до 0,9 мм), технологии HDSL должны быть работоспособны на линиях самых "сложных" топологий. И наконец, поскольку в кабеле, как правило, несколько десятков (а то и сотен) жил, аппаратура HDSL должна "сосуществовать" с оборудованием, работающим по соседним парам, будь то другая система HDSL, ISDN или обычный аналоговый телефон. О том, как решаются столь сложные задачи, и пойдет речь ниже.

Технологии кодирования, применяемые в HDSL

Наиболее широко сейчас применяется (за исключением BR ISDN) технология HDSL, поэтому о ней будет рассказано наиболее подробно. Как уже отмечалось, главной идеей технологии HDSL является использование существующего металлического (чаще всего медного) кабеля для 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 коаксиальному (после некоторой переработки линейных согласующих блоков).

Главные факторы, влияющие на качество работы оборудования HDSL - параметры линии связи. Ниже перечислены ключевые для технологий HDSL характеристики.

1. 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.

Технология HDSL

HDSL - симметричная высокоскоростная абонентская линия - первоначально появилась, как альтернатива существующим первичным ЦСП типа T1 и E1 при организации выделенных линий передачи данных, а в дальнейшем получила широкое распространение на соединительных линиях местных сетей благодаря возможности отказа от промежуточных регенераторов при одновременном обеспечении величины коэффициента ошибок достигающем, при соблюдении ряда условий, величины 10-10, что соответствует качеству передачи по волоконно-оптическим линиям (поэтому технологию HDSL часто называют “медной оптикой”).

Технология HDSL заключается в преобразовании исходного бинарного сигнала в многоуровневый и его передачу по 4-х или 2-проводной абонентской или соединительной линии. Технологию HDSL можно использовать для передачи цифровой информации при соблюдении следующих условий:

при разделении входящего и исходящего информационных сигналов уровень подавления сигнала противоположного направления (в технической литературе часто используется термин «эхосигнал») должен превышать 60 дБ даже в условиях составной линии;

организуется адаптивная предкоррекция сигнала, которая выражается в ограничении частотного диапазона и нормализации формы импульсов и способствует обеспечению нормированного уровня качества передачи;

используются специальные методы кодирования сигнала.

Подавление эхосигнала осуществляется вычитанием передаваемого сигнала из суммарного сигнала на входе приёмника после его фильтрации в режиме реального времени. Этот метод доказал свою эффективность.

Дефекты канала определяются путём ввода в передаваемый сигнал испытательной импульсной последовательности и последующего контроля её прохождения.

В технологии HDSL чаще всего используется алгоритм преобразования сигнала 2B1Q. При этом две позиции исходного бинарного сигнала передаются при помощи четырёх уровней (позиций) линейного сигнала. В ряде случаев цифровой поток 2 Мбит/с разделяется на два потока по 1 Мбит/с путём его демультиплексирования и передачи по двум парам в каждом направлении. Результирующая скорость передачи линейного сигнала в этом случае составит 512 кБит, а длину регенерационного участка можно увеличить более, чем в 3 раза. Кроме того, введение в структуру группового сигнала специальных коротких заголовков позволяют обеспечить поиск и обнаружение ошибок при формировании потоков 1 Мбит/с.

Другим, также широко распространённым линейным кодом технологии HDSL, является код CAP. CAP расшифровывается, как Carrierless Amplitude/Phase modulation, то есть амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей. В основу CAP положен метод квадратурной амплитудно-фазовой модуляции (QAM), основанный на одновременной модуляции несущей частоты по амплитуде и фазе. При передаче сигнала в линию из него удаляется несущая частота (carrier), отсюда и название. Цифровой поток разделяется на два потока, каждый из которых модулируется отдельно, после чего сигналы складываются. Наибольшее распространение получили модификации этого кода САР-64, при которой в одном тактовом интервале сигнала САР передаются 6 бит информации исходного бинарного сигнала, и САР-128, в котором в одном тактовом интервале сигнала САР передаются 7 бит исходной информации. В этом случае в группе, состоящей из 6-ти или 7-ми бит, все биты, кроме одного, являются информационными, а один бит - служебным. САР позволяет существенно уменьшить скорость передачи сигнала. Стандартный поток Е1 при использовании САР-128 занимает полосу, не превышающую 293 кГц. При такой ширине полосы значительно увеличивается допустимая длина абонентской линии за счёт уменьшения её рабочего затухания и увеличения переходного затухания. Кроме того, уменьшается чувствительность системы передачи как к высокочастотным, так и к низкочастотным наводкам, которые оказываются лежащими вне полосы частот информационного сигнала.

Пропускная способность системы, обеспечиваемая технологией HDSL, по сравнению с ИКМ-30 возрастает настолько, что позволяет организовать передачу сигналов синхронной цифровой иерархии (см. гл.1), в частности, виртуальных контейнеров VC-12 и компонентных (трибутарных) блоков TU-12 при сохранении структуры линейного тракта (в частности, длины регенерационных участков) существующей первичной системы передачи. (Известно, что скорость передачи TU-12 равна 2304 кбит/с).

К недостаткам метода HDSL можно отнести то, что его использование ограничивается абонентами, которые располагают приходящими к ним двумя скрученными парами медного кабеля. Опыт внедрения технологии HDSL показал, что на линиях, построенных телефонными кабелями с неэкранированными парами, резко возрастают помехи, наводимые на пары кабеля, уплотнённые другими системами передачи особенно при увеличении длины линий или если последние имеют какие-либо дефекты, связанные с нарушением симметрии пар.

Следующим шагом в развитии технологии HDSL стала технология HDSL2, предназначенная для передачи группового цифрового потока по одной паре проводов. Существенное отличие HDSL2 от HDSL состоит в использовании различных спектральных плотностей мощности при передаче в прямом и в обратном направлении. В HDSL2 используется 16-уровневая амплитудно-импульсная модуляция и так называемое решётчатое кодирование. Такое кодирование позволяет уменьшить задержку сигнала при его обработке и улучшить соотношение сигнал/шум на 3 дБ, а в ряде случаев даже на 6 дБ. Первоначально технология HDSL2 предназначалась для передачи потока Т1 (1552 кбит/с), не входящего в европейскую иерархию. Дальнейшим этапом совершенствования HDSL2 стала разработка технологии SDSL, рассчитанной на передачу сигналов 64·n кбит/с. Более подробно об указанной технологии рассказывается ниже.

Устройства HDSL до сих пор совершенствуются фирмами-разработчиками. Так, для их разработки стали составлять математическую модель медной линии, применяя так называемые адаптивные алгоритмы.

Перспективным направлением развития технологии HDSL стал переход от четырехпроводных модемов к двухпроводным. Модификация HDSL, предусматривающая использование только двух проводов, получила названиеSDSL (Single Line DSL). Понятно, что для многих пользователей такое решение является единственно доступным, несмотря на некоторую сложность его технических решений.

Основные области применения устройств HDSL/SDSL - мосты между сегментами корпоративных сетей, соединение базовых станций мобильной связи. В качестве массового решения проблемы "последней мили" устройства HDSL/SDSL распространения не получили.

HDSL

Следующей в ряду xDSL и наиболее распространенной в настоящее время, является технология высокоскоростной цифровой абонентской линии HDSL (High Data-Rate Digital Subscriber Line). HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия) обеспечивает симметричную, высокоскоростную передачу данных. Среди технологий xDSL HDSL получила наиболее широкое распространение. В отличие от других технологий xDSL HDSL обычно использует две пары телефонного кабеля, а не одну. При этом по каждой паре передаётся половина потока данных в дуплексном режиме. В большинстве случаев HDSL обеспечивает скорость передачи данных 1,5 Мбит/с или 2 Мбит/с в обоих направлениях на расстояния, зависящие от типа применяемого кабеля.

Рис. 4

Концепция HDSL разработана в США. Разработчики пытались повысить тактовую частоту доступа к ISDN, чтобы увидеть, насколько далеко и быстро могут работать системы высокоскоростной передачи данных. Исследовательская работа привела к удивительному открытию. Оказывается, даже простая 4-уровневая амплитудно-импульсная модуляция РАМ позволяет работать на скоростях до 800 кбит/с при вполне приемлемой длине линии, а использование в такте передачи трех пар абонентского кабеля позволило повысить скорость до скорости первичного доступа, обеспечивая передачу потока Т1 (1,544 Мбит/с) или E1 (2,048 Мбит/с). Развитие цифровых способов обработки сигнала DSP в начале 90-х годов привели к созданию HDSL. Эта технология сочетала в себе линейное кодирование 2B1Q и сложные алгоритмы эхоподавления. Первые варианты HDSL, работающие по двум парам, были созданы в США и быстро вытеснили старые цифровые системы реализующие передачу потока Т1 скоростью 1,544 Мбит/с и имевшие рабочую дальность чуть более 1 км. Это произошло благодаря тому, что HDSL, обеспечивая большую дальность (3,5 км на проводе 0,4 мм), позволила отказаться от регенераторов и существенно снизить затраты на монтаж и эксплуатацию вновь вводимых линий.

В Европе получили распространение варианты HDSL, обеспечивающие передачу потока Е1 (2048 кбит/с). Сначала появился вариант, который для получения большей скорости при той же дальности использовал три кабельных пары. При этом скорость передачи по каждой из них была та же, что и у американского варианта (748 кбит/с). Затем стандартизован двухпарный вариант, у которого скорость по каждой из пар выше (1168 кбит/с).

Оборудование HDSL в основном предназначено для применения в корпоративных сетях. Отсутствие поддержки аналоговой телефонной линии компенсируется возможностью передачи речи в цифровом виде через интерфейсы Е1.

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 была поставлена задача подобрать для дальнейшего развития технологию, которая при симметричных потоках данных и использовании одной пары позволяла бы обеспечить:

ѕ рабочую дальность не меньшую, чем HDSL

ѕ устойчивость к тем же физическим характеристикам линии, что и HDSL (затухание, взаимное влияние, отражения от неоднородностей и отводов)

ѕ использование для оказания тех же видов услуг, что и HDSL

ѕ надежную и устойчивую передачу на реальных линиях со всеми присущими им дефектами

ѕ "сосуществование" с другими технологиями (HDSL, ISDN, ADSL)

ѕ снижение эксплуатационных затрат по сравнению с HDSL.

Область применения и особенности технологии HDSL-2

В середине 90-х годов на основе уже накопленного опыта работы систем HDSL операторы связи поставили перед разработчиками оборудования xDSL задачу создания новой системы, получившей в дальнейшем название HDSL-2. Основные требования к этой новой системе были сформулированы следующим образом:

Та же длина РУ, что и в двухпарной HDSL;

Физическая линия того же качества (величина затухания, число и длина параллельных перемычек, величина переходных влияний, продольная асимметрия линии и др.) , что и в двухпарной HDSL;

Поддержка услуг, обеспечиваемых двухпарной HDSL;

Обеспечение столь же высокой отказоустойчивости, что и в случае двухпарной HDSL;

Снижение стоимости услуг по сравнению с двухпарной HDSL.

Поставленная задача оказалась весьма сложной в первую очередь из-за резко выраженной неоднородности физических линий местной сети (наличия в пределах одной абонентской линии пар с жилами разного диаметра, а также сильных отражений в местах соединения кабелей с жилами разного диаметра. Кроме того, условия работы линий местной сети также часто резко ухудшаются во времени из-за наличия множества переходных влияний, величины которых изменяются во времени и поэтому реально их трудно учесть. В итоге трёх лет работы комитетом T1E1.4 ANSI был разработан временный стандарт T1.E1.4/99-006, определивший первую версию технологии HDSL-2, обеспечившей транспортирование потока Т1 1,544 Мбит/с по одной абонентской паре.

Поставленные перед разработчиками задачи были решены, и благодаря применению специальных корректирующих линейных кодов и методов коррекции были получена система передачи, близкая к теоретическому пределу пропускной способности.

Совсем недавно на рынке технологий xDSL появилась новая разработка, получившая название HDSL2. Следует отметить, что HDSL2 - это не второе поколение HDSL и не замена HDSL с кодом 2B1Q, а скорее дополнение существующей HDSL. которое позволяет передать первичный цифровой поток T1 по одной паре, а также используется в тех случаях, когда, например, требуется перекрыть большую длину линии без применения промежуточных регенераторов.

В оборудовании HDSL- 2 применены новейшие концепции формирования спектра и коды с коррекцией ошибок, что позволяет приблизиться к теоретическому порогу пропускной способности по Шэннону.

Технология HDSL2 имеет следующие преимущества по сравнению с HDSL типа 2B1Q:

1. Лучшие характеристики (большую длину линии и больший запас по шумам за счёт применения более эффективного кода, механизма предкодирования, более совершенных методов коррекции и улучшенных параметров аналогового интерфейса).

2. Спектрально совместима с другими технологиями xDSL. Поскольку система HDSL2 использует более эффективный линейный код по сравнению с 2B1Q, то при любой скорости сигнал HDSL2 занимает более узкую полосу частот, чем соответствующий той же скорости сигнал 2B1Q. Поэтому помехи от систем HDSL2 на другие системы xDSL имеют меньшую мощность по сравнению с помехами, создаваемыми HDSL типа 2B1Q. Более того, спектральная плотность сигнала HDSL2 имеет такую форму, которая обеспечивает его спектральную совместимость с сигналами ADSL.

Рассмотрим более детально особенности оборудования HDSL2.

Для обеспечения работы по одной паре в режиме Т1/Е1 необходимо расширение полосы частот относительно HDSL. Однако только расширение полосы с некоторым повышением мощности сигнала не может обеспечить требуемых характеристик из-за влияния других систем HDSL2, работающих в том же кабеле, или других систем типа xDSL (например, ADSL) . Как известно, такое взаимное влияние однотипных систем на ближнем конце в соответствии с принятой терминологией называют self NEXT. Повышение мощности сигнала не передаче естественно увеличит мощность сигнала на приёме. Однако пропорционально возрастёт не только величина self NEXT, но и величина.переходного влияния на ближнем конце на системы другого типа (например, HDSL или ADSL).Напомним, что это последнее влияние на ближнем конце между системами разного типа, работающими в одном кабеле, обычно называют NEXT.

Как известно, в системах xDSL используются два способа передачи - способ передачи с эхо компенсацией и способ передачи с частотным разделением сигналов противоположных направлений передачи (FDM). При первом способе величина перекрываемого затухания ограничена self NEXT. В противоположность методу эхо компенсации метод FDM снимает ограничения, связанные с переходным влиянием self NEXT. Однако такой сигнал подвержен влиянию сигналов других систем (например, HDSL или ADSL) и в свою очередь может влиять на эти системы из-за более широкой занимаемой полосы частот. Поэтому способ передачи FDM в некоторых случаях даже менее желателен, чем способ эхо компенсации.

В связи с этим для системы HDSL2 был принят новый способ передачи OPTIS (Overlapped Pulse Amplitude Modulated (PAM) Transmission with Interlocked Spectra). В основе этого способа лежит 16-и уровневая амплитудно-импульсная модуляция, причём спектры мощности сигналов каждого из направлений передачи при одинаковой скорости передачи, имеют различную ширину и форму частотного спектра. Можно сказать, что в HDSL2 по существу используется комбинированный метод передачи, представляющий собой сочетание метода эхо компенсации и метода частотного разделения сигналов. Первоначально предполагалось использовать линии HDSL-2 в основном для передачи речи, в связи с чем максимально допустимое время передачи линии было ограничено величиной 500 мксек.. Именно поэтому в качестве метода модуляции был выбран метод амплитудно-импульсной модуляции PAM (Pulse Amplitude Modulation).

Рис.1 Структурная схема линии HDSL2

Система HDSL2 транспортирует сигналы T1(E1) между узлом доступа, который обычно совпадает с местной АТС, и помещением пользователя. Модем узла доступа (по аналогии с прототипом HDSL) обозначается H2TU-C, а модем пользователя - H2TU-R. При необходимости между узлом доступа и помещением пользователя может быть установлен промежуточный регенератор R. На узле доступа модемы H2TU-C множества систем HDSL-2 располагаются в конструктиве мультиплексора доступа DSLAM, т.е., пространственно сближены, в отличие от пространственно разнесённых модемов пользователей H2TU-R. Поэтому переходное влияние на ближнем конце NEXT, которое является определяющим типом помех в системах типа HDSL, использующим метод эхо компенсации, будет практически проявляться только в узле доступа. При этом сигнал нисходящего направления передачи (от сети к пользователю) D/S (downstream) будет основной помехой для сигнала восходящего направления передачи U/S (upstream) на приёме H2TU-C от пользователя. Таким образом, при прочих равных условиях мощность переходных помех, действующих на HTU-C, больше мощности помех, которые влияют на работу HTU-R. Именно поэтому сигналы D/S и U/S системы HDSL2, представленные на рис.2, имеют различную ширину и форму частотного спектра. Тем самым учитывается наухудший случай применения модемов HDSL-2, который может иметь место в реальных условиях.

Рис.2 Спектр мощности сигналов HDSL-2

В диапазоне частот А примерно до 200 кгц, в котором переходное влияние минимально, спектральные плотности PSD (Power Signal Density) сигналов D/S и U/S одинаковы. В диапазоне частот В, занимающем полосу частот (200 -250) кгц, спектральная плотность сигнала D/S выбрана меньше спектральной плотности этого сигнала в диапазоне А, чтобы уменьшить величину переходного влияния NEXT на сигнал U/S в этой области частот. Благодаря этому переходные влияния NEXT в диапазонах частот А и В оказываются одинаковыми. В свою очередь PSD сигнала U/S в диапазоне частот В уменьшена по сравнению с PSD этого сигнала в диапазоне А. Это даёт дальнейшее улучшение отношения сигнал/помеха в области частот В. Следует отметить, что уменьшение PSD сигнала U/S в диапазоне В практически не ухудшает отношения сигнал/помеха сигнала D/S на входе модема H2TU-R по двум причинам: во-первых, полоса частот сигнала D/S увеличена по сравнению с полосой частот сигнала U/S, что уменьшает чувствительность сигнала D/S к переходному влиянию со стороны сигнала U/S, и во-вторых, модемы H2TU-R пространственно разнесены, что также уменьшает уровень переходной помехи. В диапазоне частот С спектральная плотность сигнала D/S максимальна, поскольку сигнал U/S в этой области практически равен нулю. Поэтому отношение сигнал/помеха для сигнала D/S на входе модема H2TU-R пользователя оказывается высоким. Показанная на рис.2 форма спектра сигнала HDSL2 является оптимальной в том случае, когда все системы xDSL, работающие в данном кабеле, также являются системами типа HDSL2, т.е., когда определяющей помехой является переходная помеха типа selfNEXT. Она будет оптимальна и в том случае, когда в этом пучке кабеля вместе с системами HDSL-2 работают системы ADSL, поскольку спектр сигнала U/S HDSL-2 выше частоты 250 кгц, где сосредоточена основная мощность составляющих нисходящего (D/S) потока ADSL, практически подавлен. Предварительные расчёты также показывают, что помехи от системы HDSL2 в нисходящем тракте системы ADSL (от сети к пользователю) 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 Т1. Спектральная совместимость систем ADSL и HDSL2 позволяет оператору связи максимально использовать инфраструктуру его местной телефонной сети, а также размещать станционные платы модемов обоих типов на одном мультиплексоре доступа DSLAM.

Заметим, что именно такая своеобразная форма спектров сигналов в области частот 200 - 250 кгц, когда спектральная плотность сигнала U/S поднята, а спектральная плотность сигнала D/S опущена по сравнению с соседними частотами, и послужила причиной появления в названии этой достаточно экзотической системы слова "interlocking", что можно перевести как "сцепленный" или "сблокированный" спектр.

Структурная схема модема HDSL2

Рис.3 Структурная схема модема HDSL2, которая является общей для модемов H2TU-C и H2TU-R

Модем H2TU состоит из трёх основных частей: - формирователя цикла (Framer), формирователя битового потока (Bit Pump) и внешнего аналогового интерфейса (Analog front End - AFE).

Формирователь цикла (Framer)

Формирователь цикла принимает стандартный цифровой поток T1 1544 кбит/с и передаёт формирователю битового потока (Bit Pump) сигнал 1544 кбит/с плюс служебный цифровой поток HDSL2 8 кбит/с с суммарной скоростью 1552 кбит/с. Сигнал Т1 может быть структурированным или неструктурированным и содержать данные или речь в цифровой форме. Формирователь цикла может работать также в в прозрачном режиме и использовать всю нагрузку 1544 кбит/с как один канал передачи данных. Служебные биты HDSL-2 позволяют формирователю цикла формировать цикл сигнала, выполнять контроль ошибок, управление системой и её измерения, цикловую синхронизацию и цифровое выравнивание (стаффинг) скорости цифрового сигнала.

Формирователь битового потока (Bit Pump)

Функции передачи

Формирователь битового потока (BP) принимает последовательно циклы HDSL-2 от формирователя цикла и преобразует каждые три бита принимаемого сигнала в одиночные символы, называемые кортежами (tupples). В "решётчатом" (trellis) кодере (TCM Encoder) к трём битам каждого кортежа добавляется избыточный бит и в результате операции свёртки образуется "решётчатый" код, представляющий собой 16-и уровневый сигнал. Этот избыточный бит используется далее приёмником сигнала для уменьшения ошибок при декодировании. Таким образом, каждый 16-и уровневый сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией передаёт три информационных бита.

Далее логика предкодера комбинирует информацию в передатчике в соответствии с состоянием корректора с решающей обратной связью (Decision Feedback Equalizer - DFE) приёмника удалённого конца системы HDSL2. Благодаря этому приёмник удалённого конца становится менее чувствительным к любому эффекту размножения ошибок, который может ухудшить параметры DFE. Информация, загружаемая в предкодер, выбирается в процессе запуска системы HDSL2. Логика предкодера местного передатчика запускает его собственный DFE и оптимизирует его параметры. В конце процесса запуска модемы H2TU-R и H2TU-C обмениваются информацией о параметрах каждого из них. Таким образом местный предкодер может работать с информацией о DFE удалённого конца.

Фильтр передатчика Tx Filter (TxF) gпринимает символы с выхода предкодера и формирует сигнал в соответствии со стандартной маской спектральной плотности HDSL2, представленной на рис. 2

Наконец, внешний аналоговый интерфейс AFE формирует аналоговый сигнал, передаваемый по линии HDSL-2. Он содержит цифроаналоговый блок и усилитель мощности линейного сигнала на передаче, а также аналого-цифровой блок на приёме.

Функции приёма

Из-за перекрытия спектров сигналов противоположных направлений передачи и использования метода полного дуплекса по двухпроводной линии модем HDSL-2 должен подавлять компоненты сигнала передачи в принимаемом сигнале. Часть этой задачи выполняет интегральная дифференциальная система внешнего аналогового интерфейса AFE. Большую же часть отражённого сигнала передачи компенсирует на приёме эхо компенсатор (ЕС). Сигнал приёмника после эхо компенсации поступает на устройство цифровой автоматической регулировки усиления DAGC, которое компенсирует медленные колебания уровня принимаемого сигнала. Причиной этих колебаний обычно являются температурные изменения затухания абонентской линии.

Далее межсимвольные искажения (МСИ) принятого сигнала компенсируются логикой корректора. В результате прохождения широкополосного сигнала через медную линию он оказывается размытым во временной области, причём типичный принимаемый сигнал содержит энергию до и после точки его правильного временного положения. Поэтому МСИ могут служить причиной нарушения надёжной связи, если они не корректируются на приёме. Корректор принимаемого сигнала обычно выполняется как адаптивный фильтр, поскольку помехи и состояние абонентской линии изменяются во времени, а также от линии к линии. Корректор состоит из предварительного корректора (Feed Forward Equalizer - FFE) и корректора с решающей обратной связью (Decision Feedback Equalizer - DCE), работающих совместно. Корректор также помогает минимизировать мощность переходных помех NEXT на его выходе.

После того как сигнал откорректирован, квантователь выполняет пробную идентификацию принятых символов 16-и уровневой амплитудно-импульсной модуляции.

Декодер ТСМ обеспечивает существенные преимущества HDSL2 по сравнению со стандартом HDSL. Выигрыш кодирования, зависит от кодеров передачи дальнего конца и декодеров приёма, использующих одинаковый свёрточный код (т.е., трёхбитовые кортежи с одним дополнительным кодированным избыточным битом). Рекомендованный ANSI код обеспечивает выигрыш в 5 дБ, что позволяет иметь большую длину линии HDSL-2 или обеспечить работу линии HDSL-2 при худших шумовых условиях.

Декодирование TCM выполняется с помощью алгоритма Витерби. TCM сравнивает разрешённые символы с принятыми и выявляет точку сигнального созвездия, минимизирующую коэффициент ошибок. Без использования алгоритма Витерби модем принимает решение при приёме одного символа. Алгоритм Витерби позволяет модему принять решение на основе последовательности символов, называемой "путём слежения" и минимизирующей вероятность ошибочного решения.

Заключение

Казалось бы, на этом можно уже поставить точку. Но разработчики технологий xDSL продолжают рваться в бой. Уже появилась информация о разработке ещё более эффективных систем по сравнению с HDSL-2., транспортирующих не только потоки Т1, но и потоки Е1, обладающих свойством адаптации скорости передачи, выполненных в виде универсальной карты, выполняющей функции практически всех известных технологий xDSL. В 2000 году этот временный стандарт уже обсуждался 15 SG МСЭ-Т и включён в план её работы под индексом Gshdsl.