SISTEMI XDSL PER L ACCESSO A LARGA BANDA SU COPPIE SIMMETRICHE

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1 SISTEMI XDSL PER L ACCESSO A LARGA BANDA SU COPPIE SIMMETRICHE L acronimo xdsl indica una famiglia di sistemi che consente di impiegare il doppino telefonico in rame per trasportare il traffico numerico ad elevato bit rate; il capostipite dei sistemi xdsl fu il sistema di linea DSL (Digital Subscriber Line) relativo all accesso base ISDN (644 Kbit/s a casa dell utente, considerando i due canali a 64 Kbit/s e quello a 16 Kbit/s). Alla fine degli anni 80 l ANSI avviò la definizione del sistema HDSL (High bit-rate DSL) per la trasmissione di flussi T1 (1,544 Mbit/s) per distanze di 3-4 km senza rigeneratori. Analogamente l ETSI nel 1992 avviò la definizione di sistemi HDSL a 2,048 Mbit/s utilizzando 1, 2 o 3 coppie simmetriche fino a distanze di 4 km. L esigenza era la fornitura rapida di linee di capacità DS1 (1,544 o 2,048 Mbit/s) ad utenze affari con il requisito dell economicità del sistema (assenza di rigeneratori fino a distanze di 3-4 km dalla centrale, assenza della necessità di bonifica e aggiornamento delle linee); il fattore abilitante è stata la disponibilità di DSP programmabili sempre più potenti con scale di integrazione sempre più spinte. Nel 1995 l ANSI, in seguito alla nascita di standard efficienti (MPEG) per la codifica video e grazie alla rapida diffusione di Internet, propose di utilizzare il doppino telefonico per la fornitura di servizi multimediali e interattivi all utenza residenziale: nacque, così, l ADSL (Asimmetric DSL) con capacità dalla rete verso il cliente (flusso downstream) maggiore di quella in senso opposto (flusso upstream). Il segnale video numerico è stato compresso a bit-rate relativamente basse, partendo da sistemi che superavano i 100 Mbit/s: il video numerico senza compressione ha un bit-rate molto elevato tenendo conto che il segnale video analogico ha una banda di 6 MHz che deve essere campionato almeno con una frequenza di campionamento di 12 MHz; ogni campione deve essere campionato almeno con 8 bit: ecco perché si superano i 100 Mbit/s! Grazie alle tecniche di compressione sofisticate che sono state introdotte in quegli anni si è passati dai 100 Mbit/s ai 2 Mbit/s (MPEG-2) e fino a 1 Mbit/s (MPEG-4). Cioè il canale video numerico occupa una banda inferiore a quella del canale video analogico e ciò ha permesso di scaricare più canali video numerici con una banda pari a quella di un canale video analogico. La trasmissione xdsl su coppie simmetriche utilizza una banda che va da alcune decine di KHz a qualche decina di MHz. I principali parametri che condizionano le prestazioni dei sistemi xdsl sono: L attenuazione della coppia, cioè l attenuazione del doppino telefonico ( ha un andamento parabolico all aumentare della frequenza) di cui abbiamo già parlato; Le caratteristiche di diafonia del cavo che aumenta all aumentare della frequenza: ricordiamo infatti che l attenuazione di diafonia intrinseca tra circuito disturbante e disturbato diminuisce all aumentare della frequenza e quindi la diafonia aumenta; La presenza di disturbi impulsivi (errori a burst). Per questi motivi il doppino telefonico è stato utilizzato per basse frequenze: volendo estendere la banda del doppino telefonico si avrà, a causa dei parametri precedenti, una diminuzione della lunghezza del collegamento. La tabella seguente ci mostra le caratteristiche di alcuni dei sistemi della famiglia xdsl. Il codice di linea permette di utilizzare il doppino al bit-rate corrispondente: 2B1Q significa che si passa dal sistema binario a quello quaternario (a 2 bit si associa un simbolo), e così via. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 146

2 Osserviamo anche che aumentando la banda del doppino telefonico diminuisce la lunghezza del collegamento. Oggi il sistema SDSL utilizza 4 coppie pertanto la velocità di cifra dalla centrale al cliente e viceversa è di 4x2320 Kbit/s. SISTEMA ADSL Il sistema ADSL di prima generazione permette la trasmissione su singola coppia simmetrica (doppino telefonico) di: - un canale dalla rete al cliente (flusso downstream) di capacità tra 1 e 10 Mbit/s ; - un canale dal cliente verso la rete (flusso upstream) di capacità tra 64 kbit/s e 1 Mbit/s; - un segnale di telefonia analogica ( Hz) ed uno di teleconteggio (12 khz), mediante l impiego di POTS splitter. Questo è lo schema che sintetizza il tutto: dalla centrale telefonica in particolare dall autocommutatore telefonico parte il segnale telefonico che viene inviato allo Splitter dove arriva anche il segnale dati che parte dal DSLAM (DSL ACCESS MULTIPLEXER). Il flusso telefonico e dati viaggia sul doppino telefonico e arriva a casa dell utente, dove si trova un altro splitter che separa il segnale telefonico dal segnale dati: il segnale dati va verso l interfaccia ADSL TERMINATOR --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 147

3 UNIT, mentre il segnale telefonico ha come interfaccia il telefono. Il seguente schema è analogo al precedente: in più mette in evidenza che al Multiplex di centrale per trasmissione dati possono arrivare diversi tipi di flussi: - STM Mbit/s - E3 flusso plesiocrono a 140 Mbit/s - Flusso ottico (Passive Optical Network) che può arrivare o tramite cavo coassiale o tramite fibra ottica. Una caratteristica importante dei sistemi ADSL è la possibilità di adattare la frequenza di cifra dei flussi downstream e upstream, con due modalità distinte: 1) impostando i flussi ad una delle velocità permesse (funzionalità multi-rate); 2) stabilendo durante la fase di inizializzazione le condizioni ottimali di funzionamento in base alle caratteristiche del canale trasmissivo (modalità rate-adaptive). Per trasmettere ad alta bit-rate su coppie simmetriche occorre ottimizzare l utilizzo della banda mediante tecniche di modulazione ad alta efficienza spettrale che garantiscono tasso di errore inferiore a La tecnica di modulazione oggi utilizzata per i sistemi ADSL è la tecnica DMT (Discrete MultiTone). La banda del doppino telefonico viene suddivisa in un certo numero di sottobande (256 sottobande), ognuna delle quali ha una larghezza di banda di circa 4 KHz. Ciò significa che ogni sottobanda presenta una attenuazione che si può considerare costante; ciò comporta assenza o diminuzione teorica delle distorsioni: si evita così l introduzione di equalizzatori che sono molto costosi. Inoltre i vari flussi vengono suddivisi in diversi sotto-flussi in funzione delle caratteristiche della sottobanda che deve essere utilizzata per il trasporto dei dati. Per esempio se ho una sottobanda x che presenta un attenuazione maggiore rispetto ad una sottobanda y, allora nella sottobanda x invierò un flusso a bit-rate più basso rispetto a quello che potrò inviare nella sottobanda y. La tecnica DMT, come già accennato prima, è di tipo multiportante in cui si suddivide il flusso in ingresso in 256 flussi paralleli ciascuno dei quali modula in tecnica QAM una delle 256 sottoportanti: osserviamo che il numero N dei punti della costellazione è funzione delle caratteristiche della sottobanda stessa. La figura sottostante mette in evidenza che se il SNR varia al variare della frequenza, varia anche il numero di bit per sottocanale. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 148

4 Le caratteristiche peculiari dei sistemi DMT per ADSL sono: - Trasmissione in tecnica QAM su ogni sottobanda con efficienza spettrale massima di bit/s/hz; - Sottoportanti di eguale ampiezza spettrale ed equispaziate tra loro di 4,3125 khz, per permettere un impiego quasi ottimo della capacità del canale. - Realizzazione completamente numerica della mo/demodulazione tramite algoritmi di trasformata veloce diretta e inversa di Fourier (FFT e IFFT); - Livello nominale uniforme della densità spettrale di potenza trasmessa, pari a 40 dbm/hz in downstream e 38 dbm/hz in upstream. I sistemi HDSL utilizzano una tecnica di modulazione diversa: la tecnica CAP (Carrierless AM/PM). Essa è derivata dalla modulazione QAM con le stesse prestazioni e occupazione di banda, inoltre l ortogonalità dei rami in fase ed in quadratura è ottenuta con un filtro di Hilbert; la rateadaptivity è gestita con differenti dimensioni della costellazione e differenti velocità di segnalazione. Analizziamo ora la struttura della banda occupata dal sistema ADSL di prima generazione. Nella figura di seguito sono stati rappresentati i due flussi downstream ed upstream: per il canale telefonico analogico la banda netta va da 300 a 3400 Hz ed è simmetrica sia per downstream che per upstream. La banda 12 KHz è riservata al teleconteggio in downstream; quindi abbiamo la parte asimmetrica per la trasmissione dati: da 26 KHz fino a circa 100 KHz in upstream mentre la banda successiva che arriva fino a 1104 KHz è in downstream. La banda in downstream è sensibilmente maggiore di quella in upstream proprio perché è stato previsto che il flusso dati dalla rete al cliente sia sensibilmente maggiore rispetto a quello dal cliente alla rete. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 149

5 La figura che segue ci spiega che è possibile avere un accesso base ISDN, con conseguente traslazione in avanti dei flussi upstream e downstream. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 150

6 E anche possibile utilizzare dei sistemi ADSL con cancellatore d eco, che consentono la sovrapposizione parziale delle bande upstream e downstream. FUNZIONI DI TRASPORTO ADSL La capacità del modem ADSL è divisa tra: 4 canali simplex downstram (AS0-AS3), 3 canali simplex upstram o duplex (LS0-LS2), un canale di servizio O&M. I canali AS0 e LS0 (simplex) sono obbligatori. Ogni canale ha una capacità programmabile a multipli di 32 kbit/s ( solo LS0 può essere impostato a 16 kbit/s). La tabella seguente indica l allocazione di sottocanali per il trasporto di flussi con modalità sincrona nel caso d impiego dei soli sottocanali AS0 e LS0. Nel caso di impiego di tutti i sottocanali, la tabella da considerare è la seguente: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 151

7 Osserviamo che con massima velocità di cifra allocabile si vuole indicare la massima velocità raggiungibile con quel sistema nelle migliori condizioni esterne (per esempio traffico, distanza del collegamento ecc.). SISTEMI UADSL E uno standard creato per ridurre i costi che ogni utente deve sostenere per l installazione: UADSL sta per Universal ADSL, ADSL.lite o G.lite (denominazione ITU-T) ed indica un sistema ADSL senza POTS splitter lato utente: ciò consente all utente di usufruire dell ADSL senza avere bisogno dell intervento del tecnico che provveda ad inserire lo splitter. E sufficiente che l utente stesso inserisca in una qualunque presa telefonica un NT (Network Terminator) ADSL. Le capacità ottenibili sono circa 1.5 Mbit/s downstream e 300 kbit/s upstram. SISTEMA VDSL (Very high bit-rate DSL) E la soluzione ottimale di accesso a larga banda su doppino in rame dalla terminazione ottica di rete (ONU) alla sede del cliente: cioè dall armadietto di distribuzione dove arriva la fibra ottica a casa dell utente. Tale sistema consente di raggiungere velocità di cifra fino ad alcune decine di Mbit/s: il suo limite è la distanza di collegamento, nettamente inferiore a quella dell ADSL. Un --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 152

8 ulteriore vantaggio del VDSL è che permette di condividere il doppino con i servizi a banda stretta (POTS o ISDN). Il Working Group ETSI TM6 ha definito le specifiche funzionali del sistema VDSL ed ha stabilito due classi di velocità, A ed S, da utilizzarsi rispettivamente per la fornitura di servizi Asimmetrici e Simmetrici. La banda di trasmissione VDSL ha come limite inferiore un valore compreso tra 300 e 600 khz, mentre il limite superiore può raggiungere MHz, imponendo l utilizzazione di metodi di allocazione dei segnali nei due versi che evitino i disturbi per paradiafonia. Per separare i due versi di trasmissione, sono proposte due soluzioni: FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex) che sono schematizzate in figura. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 153

9 Importante è la seguente schematizzazione delle massime velocità VDSL impiegabili in funzione della lunghezza del doppino di utente. Per ogni distanza sono indicati i dati relativi prima ad una connessione asimmetrica e poi ad una connessione simmetrica! CONCLUSIONI I sistemi HDSL sono utilizzati per la realizzazione di collegamenti diretti numerici a 2,048 (o 1,544) Mbit/s, mentre i sistemi ADSL si stanno imponendo come una valida soluzione per permettere la fornitura di accessi ad alta velocità a reti ATM e IP e di servizi di video numerico commutato. La soluzione VDSL è ancora in fase di sviluppo e di standardizzazione internazionale; alcune realizzazioni preliminari hanno permesso di rilevare che le soluzioni individuate sono realizzabili. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI XDSL 154