SIENA - 25 Giugno 2007 Francesco Petiti

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1 LA TECNOLOGIA ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line SIENA - 25 Giugno 2007 Francesco Petiti

2 Indice Il servizio ADSL Evoluzione dei modem UTP POTS-Band Modem Non POTS-Band Modem Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Parametri di un sistema di comunicazione Criterio di Nyquist Teorema di Shannon-Hartley Attenuazione Dispersione di impulso Riflessioni Rumore e interferenze Soluzioni Separazione dei canali Downstream e Upstream Modulazione Forward Error Correction e Interleaving Elementi di rete ADSL Alcatel ASAM modem di utente sistema di gestione

3 Il Servizio ADSL ADSL permette di effettuare una trasmissione: ad alto bit-rate nella direzione DOWN STREAM ad un più basso bit rate nella direzione UP STREAM simultaneamente e senza interferenza con l esistente servizio telefonico POTS TUTTO QUESTO SUL NORMALE DOPPINO TELEFONICO UTP Unshielded Twisted-Pair

4 Il Servizio ADSL UTP Mercato residenziale

5 Il Servizio ADSL La tecnologia ADSL permette di multiplare sul canale analogico telefonico flussi informativi digitali ad alto bit-rate Abbatte DECISAMENTE i costi infrastrutturali finora molto critici in occasione dell inserimento di nuove tecnologie (es. progetto SOCRATE)

6 Il Servizio ADSL ADSL utilizza una coppia di modem per fornire il servizio: - uno posto presso la centrale locale dell operatore TLC - uno presso l utente a cui è connesso per es un PC (Service Module). Il traffico dati è trasportato da una rete dati e non dalla rete telefonica commutata!

7 Evoluzione dei modem UTP POTS-Band Modem Year Speed Modulation Anni Very low rate modems (300 bps kbps) 2.4 kbps (V.26) 4.8 kbps (V.27) 9.6 kbps (V.32) 14.4 kbps (V.32bis) 19.2 kbps (V.33bis) 28.8 kbps (V.34) QPSK 8-PSK 16-QAM + TCM 64-QAM + TCM 64-QAM + TCM DMT

8 Evoluzione dei modem UTP La limitazione di banda a 4 Khz dei POTS Modem non deriva dalla linea in rame ma dalla rete telefonica PSTN. Un filtro presso la centrale locale limita la banda a 4 Khz. Senza filtro la linea di rame supporta frequenze nella regione dei Mhz sebbene con forte attenuazione. La banda disponibile sarà tanto più stretta quanto più lunga è la linea. Limiti pratici sul bit-rate in funzione della lunghezza del doppino DS1 (T1) Mbps 5500 m E Mbps 4900 m DS Mbps 3600 m E Mbps 2700 m 1/4 STS Mbps 1350 m 1/2 STS Mbps 900 m STS Mbps 300 m

9 Evoluzione dei modem UTP Non POTS-Band Modem/Technologies Tecnologia Significato bit-rate modo Applicazioni Distanza DSL Digital Subscriber Line 160 Kbps simmetrico Sevizi ISDN Comunicazione dati e voce 8-10 km HDSL (2 doppini) High data rate Digital Subscriber Line 2,048 Mbps simmetrico Servizi E1, WAN, acceso a LAN 5,5 Km SDSL Single line Digital Subscriber Line 2,048 Mbps simmetrico Come HDSL ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line down: 1,5-9 Mbps up: Kbps asimmetrico Accesso a Internet / LAN. Multimedia interattivo. 1-5,5 Km VDSL Very high data rate Digital Subscriber Line down: Mbps up: 1,5-2,3 Mbps asimmetrico Come HDSL. Televisione ad alta definizione m

10 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Parametri di un sistema di comunicazione Massimizzare il bit-rate (R) Minimizzare la probabilità di errore per bit (P B ) Massimizzare l utilizzo del sistema (servizio affidabile per il massimo numero di utenti, con minimo ritardo e massima resistenza alle interferenze) Minimizzare la potenza richiesta Minimizzare la banda richiesta Minimizzare la complessità del sistema (computazionale, carico e costo) Esistono un certo numero di vincoli che influenzano il compromesso

11 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Teorema di Nyquist Nyquist mostrò che la banda teorica minima necessaria per rilevare R S simboli/s senza ISI è:

12 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Teorema di Shannon-Hartley Il teorema di Shannon-Hartley impone un limite sulla capacità di un canale in bit/s, fissata la larghezza di banda disponibile e il SNR in db. 2 E possibile trasmettere informazioni su un canale a rate R, minore o uguale a C, con una piccola probabilità di errore usando una codifica sufficientemente complessa. Per rate maggiori della capacità C non esistono codici con i quali si possa raggiungere una probabilità di errore piccola a piacere.

13 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Per lunghe distanze ADSL si avvicina moltissimo al limite teorico di capacità

14 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Attenuazione Esempio 5 Km di conduttore in rame da 0,5 mm introducono una perdita di 55 db a 300 KHz. Ciò significa che la potenza del segnale viene ridotta di un fattore ! L attenuazione della fibra ottica di 1,55 μm è di 0,2 db/km ed è indipendente dalla frequenza del segnale. Con tale fibra ottica, un attenuazione di 55 db corrisponde a 275 Km.

15 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico L attenuazione del cavo è il parametro che limita la distanza copribile con una coppia binata (twisted-pair) senza introdurre ripetitori. La risposta in frequenza di una coppia binata è dominata dall effetto pelle Effetto pelle (Skin effect): all aumentare della frequenza di lavoro si manifesta un addensamento della corrente elettrica sulla superficie del conduttore, producendo quindi una diminuzione della sezione equivalente del conduttore stesso. Per cui la R aumenta. R=ρl/S Ω con ρ=17,4 Ωmm 2 /Km

16 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico

17 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Dispersione di impulso La funzione di trasferimento di un canale non è mai perfettamente costante (in modulo) su tutta la banda del segnale. Ciò genera il fenomeno che prende il nome di dispersione di impulso che dà origine all ISI (Interferenza Inter-Simbolica).

18 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Riflessioni Sono note tre cause che provocano riflessione : 1 - Ricetrasmettitore non adattato Si ha riflessione in corrispondenza del punto in cui il ricetrasmettirore è connesso al cavo. Se l impedenza è perfettamente adattata non si ha riflessione. Il problema è che l impedenza è funzione della frequenza e il modem può essere installato su differenti tipi di linea (lunghezza, sezione,..) che presentano una differente impedenza al modem Allora il perfetto adattamento non è possibile. Per eliminare questo eco viene utilizzato un echo-canceller a meno che il segnale trasmesso e quello ricevuto non occupino bande non sovrapposte come nel caso di FDM Echo Canceller

19 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico 2 - Variazione di diametro Il differente valore del diametro dei cavi giuntati tra di loro dà luogo a riflessioni 3 - Bridged Taps L installazione dei circuiti solitamente avviene prima della richiesta del servizio da parte degli utenti. Per massimizzare la probabilità di raggiungimento dei potenziali utenti è comune pratica creare degli affluenti da un doppino principale. I cavi di distribuzione non usati danno luogo ai cosidetti bridged taps. Un bridged tap può creare impulsi di eco.

20 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico La presenza di bridged taps influenza anche la risposta in frequenza del cavo.

21 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico Rumore e interferenza Vediamo le più significative sorgenti di rumore e interferenza che influiscono sul doppino di rame. 1 - Il rumore bianco Ha molte origini ed è praticamente inevitabile. Ciò significa che anche se tutte le sorgenti di rumore e di interferenza sono eliminabili, ci sarà sempre un rumore di fondo (rumore bianco) che limita le prestazioni del sistema.

22 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico 2 - Crosstalk E una tra le fonti di rumore che più limita le prestazioni delle tecniche xdsl. Questo fenomeno è dovuto principalmente all accoppiamento capacitivo tra due doppini. Esso si divide in: Near End CROSS Talk (NEXT) Far End CROSS Talk (FEXT)

23 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico N.B.: Il FEXT soffre della stessa perdita dovuta al canale del segnale informativo mentre il NEXT no. Quindi NEXT >> FEXT. CENTRALE Se i segnali di upstream e downstream usano la stessa banda il NEXT è il contributo di crosstalk più importante. Il NEXT è tanto più grande quanto più i modems sono vicini quindi presso la centrale piuttosto che a casa dell utente. SEGNALE TRASMESSO REMOTO REMOTO

24 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico 3 - Self Crosstalk Crosstalk che avviene all'interno dello stesso modem tra apparato ricevitore e apparato trasmettitore E dovuto allo scarso isolamento che c'è tra TX e RX. E anche una conseguenza del non perfetto adattamento

25 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico 4 - Radio Frequency Interference (RFI) Le Long Wawe (LW) e le Medium Wawe (MW) delle trasmissioni broadcast possono interferire con il segnale ADSL. Questo avviene più facilmente nelle zone rurali dove sono presenti linee aree. La legislazione EMC (Electro- Magnetic Compatibility) impone che ADSL non interferisca con le trasmissioni radio. Questo pone un limite alla potenza del segnale trasmesso.

26 Problematiche e vincoli inerenti la trasmissione sul doppino telefonico 5 - Impulsive Noise Caratterizzato da non frequenti impulsi di rumore di elevata ampiezza generati principalmente da: commutazioni delle centrali, impianti industriali, stazioni ferroviarie, attività umana.

27 Soluzioni Separazione dei canali Downstream e Upstream

28 Soluzioni

29 Soluzioni The benefits of EC are larger when the upstream channel bandwidth is expanded to carry a larger payload such as Integrated Services Digital Network (ISDN) or 384 kbit/s videotelephony.in this case the FDM implementation forces the downstream channel to occupy higher frequencies which results in increased attenuation and reduction in range. The overlap of the two channels in the EC implementation introduces the possibility of an additional noise source known as self-crosstalk and NEXT, which doesn't occur in FDM implementations The ADSL standard allows for inter-working between different systems by establishing either the FDM or EC method during the start-up sequence FDM-based transceiver is limited by FEXT only EC-based one is limited by both self-crosstalk, NEXT e FEXT. In general, since there are usually many modems located closely together in the central office, NEXT is important and this favours the FDM technique.

30 Soluzioni Le portanti di upstream sono poste in bassa frequenza per due motivi: 1. l attenuazione del segnale, nella banda occupata dall upstream, è minore cosicché i modem d utente possono essere alimentati ad una potenza più bassa rispetto ai modem di centrale; 2. in corrispondenza della centrale ci sono più disturbi, soprattutto quello crosstalk di tipo NEXT (caso EC), molto dannoso per il segnale ADSL.

31 Soluzioni Modulazione Già a partire dal 1993, l ANSI scelse la modulazione DMT come la modulazione standard per l ADSL. Recentemente anche l'etsi (European Telecommunications Standards Institute) ha standardizzato la DMT come la modulazione ADSL. La sigla DMT sta per: Discrete Multitone Modulation, cioè indica una modulazione a più portanti. Ogni portante è modulata attraverso una modulazione QAM indipendente l una dall altra. Nella DMT utilizzata per l ADSL, sono utilizzati 256 toni (portanti) equispaziati di circa 4,3 Khz.

32 Soluzioni QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulazione multilivello che esibisce la tipica costellazione in cui i livelli modulanti sono distribuiti nei punti di incrocio di una rete ortogonale a cos(ω t) + b sin(ω t) = A cos(ω t - h) A = (a 2 + b 2 ) 1/2 h = Arctg (b/a)

33 Il numero di bits per simbolo può essere aumentato espandendo la costellazione. Comunque diventa sempre più difficile rilevare il giusto simbolo in ricezione, a parità di SNR. Soluzioni

34 Soluzioni DMT Al buffer del trasmettitore arriva una sequenza di bit con un rate R. I bit sono poi suddivisi in gruppi ognuno dei quali rappresenta un simbolo DMT. Se T èla durata di un simbolo, quel simbolo è composto da b = RT bit. Di quei b bit b 1 andranno a codificare un simbolo della 1 QAM b N andranno a codificare un simbolo della N QAM Per ognuno degli N sottocanali, i corrispondenti b i bit sono trasformati dall encoder DMT in un sottosimbolo complesso X i con la corretta fase e ampiezza.

35 Soluzioni

36 Soluzioni La DMT ripartisce la banda disponibile, del doppino telefonico in rame, in 256 portanti. Dato che ogni portante è spaziata da quella adiacente da 4,3215 KHz, la banda totale occupata dalla DTM è 1,1 MHz. Le prime sei portanti sono lasciate libere, per separare adeguatamente la modulazione DMT di ADSL, dal segnale fonico in banda base (da 0 a 4 KHz), perciò 26 KHz è considerato il punto di partenza per l ADSL. Lo spettro è suddiviso in 32 portanti, per il segnale da modem d utente verso il modem di centrale (upstream), 218 portanti nel verso opposto (downstream). Power spectrum Tone spacing 4,3215 KHz =QAM-modulated subchannel (tone) iindividually optimized as a function of impairmentes Max 3 db variation POTS Frequency [KHz] Spectrum used for upstream Spectrum used for downstream

37 Elementi di rete ADSL CUSTOMER PREMISES IEEE BaseT Modem PRO Splitter Twisted pair.. Narrowband Switch POTS CENTRAL OFFICE POTS Splitter ADLT I* Bus 155 Mbit/s SDH STM-1 155,52 Mbps Esempi di rete ADSL in tecnologia Alcatel AWS SMC SANT Internet BRAS Switch ATM