Sistemi xdsl per l accesso ad alta velocità su coppie simmetriche in rame

xdsl Sistemi xdsl per l accesso ad alta velocità su coppie simmetriche in rame LORENZO MAGNONE LAMBERTO PETRINI La trasmissione numerica su coppie simmetriche in rame costituisce uno dei principali elementi nella realizzazione della rete di accesso a larga banda. In questo ambito un ruolo fondamentale è rivestito dai sistemi xdsl (x Digital Subscriber Line) che, consentendo la realizzazione di connettività numeriche su doppino telefonico, possono permettere ai gestori di rete di utilizzare per intero, o in parte, la rete esistente di distribuzione in cavi a coppie simmetriche per poter fornire l accesso alle reti dati ad alta velocità. 1. Introduzione Alla fine del secolo scorso, immediatamente dopo l invenzione del telefono, cominciò a diffondersi l impiego di un nuovo portante in rame di tipo ritorto, denominato doppino o coppia simmetrica (twisted pair). La diffusione di questo tipo di portante è da allora cresciuta parallelamente allo sviluppo della telefonia tanto che nella rete telefonica mondiale si possono oggi contare circa 600 milioni di rilegamenti di utente su coppia simmetrica in rame; la rete di distribuzione in rame costituisce perciò un patrimonio di formidabile valore ed è facilmente prevedibile che essa continuerà ad esserlo ancora per molti anni, persino nell ambito di scenari che prevedono una introduzione di fibra ottica molto estesa nella rete di accesso. Una così diffusa capillarità è stata, unitamente alla richiesta crescente di trasmissione di dati verificatasi negli ultimi decenni, una delle maggiori motivazioni nello sviluppo di sistemi per il trasporto di servizi numerici su doppino telefonico. Questi sistemi - introdotti in rete ormai da alcune decine di anni ed evolutisi nel corso del tempo - richiedono sofisticate tecniche di equalizzazione e di cancellazione d eco per la trasmissione di dati su un mezzo fisico nato per tutt altro scopo, quale è il trasporto della telefonia analogica. A partire dall inizio degli anni Ottanta l introduzione di tecniche di filtraggio adattativo ha permesso di realizzare un salto tecnologico consentendo lo sviluppo di sistemi capaci di garantire prestazioni sempre più elevate e portando all affermarsi dei cosiddetti sistemi xdsl (x Digital Subscriber Line). Storicamente con l acronimo DSL si fa riferimento al sistema trasmissivo di linea relativo all accesso base ISDN, che definisce un interfaccia trasmissiva a 160 kbit/s e che costituisce a tutti gli effetti il capostipite dei sistemi xdsl. Con il passare degli anni la disponibilità di algoritmi di elaborazione dei segnali sempre più sofisticati, la loro realizzazione hardware e software su circuiti integrati assieme alla disponibilità di scale di integrazione sempre più spinte, hanno permesso di disporre di componenti in grado di trasmettere flussi con velocità di cifra sempre più elevata sulle coppie simmetriche in rame. Verso la fine degli anni Ottanta il Comitato tecnico ANSI (American National Standars Institute) T1E1.4 avviò l attività di definizione di un sistema numerico per la trasmissione di flussi T1 a 1,544 Mbit/s (primo livello della gerarchia plesiocrona nordamericana) che fosse in grado di sostituire il tradizionale sistema con codifica AMI; in uno scenario di mercato che vedeva crescere notevolmente la richiesta di linee affittate, requisito essenziale del nuovo sistema, denominato HDSL (High bit-rate DSL), era quello di poter accelerare la fornitura di circuiti diretti numerici senza la necessità di eseguire preliminarmente le opere di bonifica necessarie sulle linee AMI (selezione delle coppie, rimozione di derivazioni in parallelo) e, al contempo, di evitare l impiego di rigeneratori fino a distanze di circa 3-4 km. Questa esigenza poteva essere soddisfatta grazie all adozione della tecnica di trasmissione full-duplex a cancellazione d eco e della codifica a quattro livelli 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) analoga a quella utilizzata per l accesso base ISDN. Anche in ambito europeo cominciò a essere considerata di interesse la possibilità di disporre di sistemi in grado di sostituire, semplificandone le procedure di attivazione, le linee a 2,048 Mbit/s con codifica HDB3; l attività iniziata in ETSI (European Telecommunication Standard Institute) nel 1992 ha permesso di definire sistemi HDSL [1] in grado di trasportare flussi a 2,048 Mbit/s su una, due o tre coppie simmetriche in rame su distanze fino a 2-4 km. Sempre negli stessi anni, ebbe inizio un intensa attività di definizione di servizi multimediali e interattivi, in parte conseguenza della incipiente disponibilità di standard efficienti di codifica di contenuti NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 7

audiovisivi (ad esempio MPEG) e, in una fase successiva, dell esplodere del fenomeno Internet; allo stesso tempo cominciarono a profilarsi un insieme di soluzioni sistemistiche e architetturali per la fornitura di questi servizi su larga scala su rete geografica: rete HFC, rete satellitare, rete telefonica. L accesso a servizi come il Video On Demand (VOD), il video diffusivo numerico commutato SDVB (Switched Digital Video Broadcast) e la connessione veloce a Internet, dove il flusso informativo fruito dall utilizzatore finale è preponderante rispetto all informazione da esso inviata verso la rete, ha condizionato sensibilmente le caratteristiche delle soluzioni proposte. In questo ambito si è sviluppata la proposta di impiegare il doppino telefonico per la fornitura di servizi multimediali e interattivi all utenza residenziale: questi servizi presentano come caratteristica principale un asimmetria nelle due direzioni di trasmissione, sbilanciata nel senso che va dalla rete verso il cliente; tale requisito non era soddisfatto dai sistemi numerici allora disponibili e neppure dai nuovi sistemi HDSL. Nacque così nei laboratori americani della Bellcore l idea di sistemi ADSL (Asymmetric DSL), vale a dire di sistemi caratterizzati da un asimmetria nelle capacità dei flussi numerici trasportati nelle due direzioni di trasmissione, con capacità del canale dalla rete verso il cliente (flusso downstream) maggiore di quella inviata nel verso opposto (flusso upstream). Un ulteriore requisito dei sistemi ADSL doveva essere quello di utilizzare una sola coppia simmetrica lasciando inalterate le caratteristiche del servizio di telefonia analogica: si garantiva in questo modo la connettività della clientela residenziale, connessa alla rete generalmente tramite un solo doppino. I sistemi ADSL consentono infatti di utilizzare il collegamento in coppia simmetrica direttamente dalla centrale alla sede del cliente, garantendo il trasporto di un flusso downstream variabile fra 1 e 10 Mbit/s e di un flusso upstream compreso fra 64 kbit/s e 1 Mbit/s. Di recente sono stati proposti sistemi VDSL (Very high bit-rate DSL) in grado di raggiungere velocità di cifra di alcune decine di Mbit/s e ora in corso di standardizzazione in ambito internazionale: mentre i sistemi ADSL riescono a garantire la connettività numerica sull intero rilegamento in doppino dalla centrale al cliente, i sistemi VDSL - a causa della distanza ridotta (portata 1 ) che possono garantire - sono utilizzabili in configurazioni di rete nelle quali la fibra ottica è presente in rete primaria (terminazione ottica all armadio ripartilinea) o in rete primaria e rete secondaria (terminazione ottica all edificio). In queste configurazioni i sistemi VDSL rappresentano quindi una soluzione sul rilegamento finale realizzata su doppino in rame, dalla terminazione ottica di rete ONU (Optical Network Unit) alla sede del cliente. Caratteristica molto importante dei sistemi ADSL e VDSL è la possibilità di veicolare i segnali numerici sullo stesso doppino sul quale è fornito il servizio di telefonia analogica; risulta così possibile offrire l accesso ai servizi a larga banda assieme al tradizionale servizio di telefonia analogica senza che sia necessario richiedere coppie aggiuntive. In questo articolo, dopo una breve descrizione delle caratteristiche del canale trasmissivo, costituito dalla coppia simmetrica in rame, sono esaminate le caratteristiche trasmissive dei modem xdsl e sono descritti poi più in particolare i modem ADSL e VDSL. L obiettivo principale dell articolo è fornire una panoramica, la più completa possibile, sulle modalità di funzionamento dei modem xdsl. Alcuni argomenti, quali ad esempio gli aspetti impiantistici e quelli relativi alle prestazioni e alla compatibilità in rete dei sistemi xdsl, che non sono qui descritti in particolare, saranno oggetto di approfondimento in due articoli che saranno pubblicati nel prossimo numero del Notiziario Tecnico. 2. Principali caratteristiche del canale trasmissivo La trasmissione xdsl su coppie simmetriche utilizza una banda assai estesa e adeguata all altrettanto elevata cadenza di cifra (baud rate) necessaria al trasporto degli elevati bit-rate richiesti: ciò comporta l impiego di bande che possono essere comprese fra alcune decine di khz e qualche decina di MHz. Alle gamme di frequenze necessarie alla trasmissione xdsl la rete di distribuzione in rame presenta diversi fattori che limitano le prestazioni di sistema in termini di portata in funzione del bit-rate ottenibile. I principali parametri che condizionano la trasmissione sono: l attenuazione della coppia impiegata nel collegamento che, con l aumentare della lunghezza del collegamento stesso, causa una riduzione del livello del segnale utile in ricezione, necessario per rilevare con successo l informazione trasmessa; le caratteristiche di diafonia del cavo all interno del quale sono contenute le coppie interessate dalla trasmissione xdsl: esse causano l accoppiamento di parte della potenza di segnale associata ai servizi transitanti sulle coppie adiacenti la coppia in esame e determinano una componente di rumore presente all ingresso del ricevitore. (1) In questo articolo la portata è intesa come massima lunghezza per la quale, su un rilegamento di utente in rame interessato da specifiche condizioni di attenuazione e di disturbo, sono garantite prestazioni nominali di tasso di errore sul flusso numerico trasmesso. (2) La capacità di un canale trasmissivo in una particolare banda di frequenze, sotto ipotesi di rumore gaussiano, può essere valutata tramite una versione modificata della formula di Shannon che tiene conto, con un fattore di circa 15 db, sia dei limiti dello stato dell arte delle realizzazioni commerciali sia di un adeguato margine conservativo sulle prestazioni attese. Essa è data da: f 2 C = ln 2 1+10 1.48 Min 10 6, S ( f ) df N ( f ) f 1 (3) In tabella 1 non sono riportati i sistemi chiamati IDSL (ISDN Digital Subscriber Line) proposti da alcuni costruttori per la realizzazione di connessioni simmetriche a 128 kbit/s; essi utilizzano infatti gli stessi ricetrasmettitori impiegati per l accesso base ISDN. 8 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

zione alla distribuzione delle lunghezze del rilegamento di utente presente nell ambito di un area di centrale, in funzione delle caratteristiche di riempimento dei cavi della rete relativi a quell area. Vanno poi considerati altri fattori di rete non meno rilevanti di quelli indicati in precedenza per l impatto significativo sulla complessità della realizzazione finale dei sistemi xdsl e sulle loro prestazioni. Essi sono: la distorsione in frequenza del canale: essa è particolarmente critica quando sul collegamento siano presenti una o più derivazioni in parallelo aperte; in questo caso, oltre ad un attenuazione costante addizionale, sono presenti fenomeni di selettività in frequenza che contribuiscono significativamente alla interferenza intersimbolica tra gli impulsi trasmessi sul canale; la presenza di disturbi impulsivi la cui natura - sia in ampiezza che in durata si manifesta con caratteri di non stazionarietà e in genere con sequenze di errori contigui (burst) sul flusso dei dati ricevuti. 3. I sistemi xdsl (x Digital Subscriber Line) Figura 1 Caratteristiche del canale trasmissivo. Il livello del rumore di diafonia, specie se originato dal disturbo di paradiafonia, può essere prossimo a quello del segnale utile ricevuto. Come mostrato nella figura 1, sia l attenuazione che la diafonia limitano, in corrispondenza delle frequenze più elevate, la capacità del canale, che è direttamente legata al profilo di rapporto segnale-rumore 2. Queste considerazioni permettono di comprendere la relazione inversa tra portata e capacità del canale di una coppia simmetrica. Le portate raggiungibili da un sistema in rete possono poi variare sensibilmente, a parità di bit-rate e in rela- I sistemi xdsl possono essere suddivisi in differenti tipologie distinguibili tra loro per capacità trasmissiva e per il grado di asimmetria nei due versi di trasmissione (dalla rete verso il cliente, downstream, ovvero dal cliente verso la rete, upstream) come descritto in tabella 1 3. Questi parametri sono connessi ai tipi di applicazione o di servizio che i sistemi devono trasportare e hanno un impatto diretto sulla portata del sistema nella rete di distribuzione. Ad eccezione dei sistemi HDSL a due od a tre coppie, gli altri sistemi xdsl utilizzano una sola coppia simmetrica. I sistemi SDSL (Symmetric DSL), ADSL e VDSL permettono poi il trasporto anche della telefonia analogica sulla coppia da essi impiegata. Sistema Velocità di cifra dalla centrale al cliente (downstream) (kbit/s) Velocità di cifra dal cliente alla centrale (upstream) (kbit/s) 160 Codice di linea Portata (km) (cavo di sezione φ=0,4 mm) DSL (Accesso Base ISDN) 160 4B3T 2B1Q 4 4 HDSL 3 coppie 3 x 784 3 x 784 2 x 1.168 2B1Q circa 3,5 HDSL 2 coppie 2 x 1.168 2B1Q CAP 3 circa 3,5 HDSL 1 coppia 1 x 2.320 1 x 2.320 2B1Q CAP circa 2,5 3 SDSL (Multi/Adaptive Rate) fino a 1 x 2.320 fino a 1 x 2.320 da definire 3 ADSL (Multi/Adaptive Rate) fino a 10.000 fino a 1.000 DMT CAP fino a 5 fino a 5 VDSL (Multi/Adaptive) fino a 50.000 fino a 5.000 da definire SDMT/CAP fino a 1-1,5 G.lite o splitterless fino a 2.048 fino a 300 DMT? fino a 5 Tabella 1 Capacità dei sistemi xdsl dalla centrale al cliente e viceversa (downstream ed upstream). NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 9

SISTEMI xdsl (x Digital Subscriber Line) I sistemi xdsl consentono di realizzare la connettività numerica sulle coppie simmetriche in rame della rete di distribuzione. I sistemi sono caratterizzati da una molteplicità di soluzioni che differiscono per capacità di trasporto (da alcune decine di kbit/s fino a qualche decina di Mbit/s, in modalità simmetrica o asimmetrica) e tecnica di modulazione impiegata (2B1Q, CAP, DMT). Tutti i sistemi xdsl, tranne quelli HDSL, utilizzano una singola coppia simmetrica; i sistemi ADSL e VDSL consentono inoltre il trasporto del segnale di telefonia analogica in banda base. 3.1 HDSL (High bit-rate Digital Subscriber Line) Il sistema HDSL è stato concepito per permettere di estendere la capacità di utilizzo della rete in rame per il trasporto di servizi basati sul primo livello della gerarchia plesiocrona E1/T1 normalizzata da ITU-T (rispettivamente 2,048 kbit/s e 1,544 kbit/s), con l obiettivo di ridurre i tempi di fornitura del servizio grazie alla possibilità di evitare il ricorso a complicate regole di installazione. Il comitato ETSI WG TM6 ha standardizzato il sistema HDSL a livello europeo: la tecnologia di trasmissione HDSL fornisce una capacità netta di trasporto di 2,304 Mbit/s attraverso tre possibili configurazioni di sistema che prevedono, rispettivamente, l impiego di una, due oppure tre coppie. Nelle configurazioni a due ed a tre coppie la capacità di trasporto è suddivisa in ugual modo sulle coppie utilizzate. Il sistema di trasmissione è più complesso all aumentare del numero delle coppie perché il numero di transceiver risulta pari a quello delle coppie impiegate nel trasporto dell informazione: a parità di codifica di linea, l utilizzo di più coppie permette tuttavia di raggiungere portate maggiori. La soluzione HDSL prevede, su ciascuna delle coppie utilizzate, una trasmissione bidirezionale simmetrica a cancellazione dell eco e con due possibili opzioni per la codifica di linea: 1. il codice di linea 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary), nei sistemi a uno, due o tre coppie. Per entrambi i versi di trasmissione, il trasporto del segnale è effettuato con questo sistema mediante l invio di sequenze di impulsi con velocità di segnalazione pari alla metà della banda lorda di trasmissione. La riduzione di banda è permessa dalla codifica di ciascuna coppia di bit secondo quattro possibili livelli, denominati rispettivamente -3, -1, +1, +3; ad essi corrispondono livelli appropriati della tensione dell impulso di segnalazione inviato in linea. 2. Il codice di linea CAP (Carrierless AM/PM), nei sistemi a una o due coppie. In questo caso si utilizza una codifica di linea con maggiore efficienza di banda rispetto a quella del sistema 2B1Q; essa è in particolare del tutto equivalente a quella di un codice QAM a 128 punti. Le prestazioni di questo sistema, a parità di numero di coppie utilizzate, sono migliori rispetto a quelle consentite dalla codifica 2B1Q grazie anche all utilizzo di una codifica a traliccio, TCM (Trellis Code Modulation), che garantisce un margine ulteriore di guadagno di circa 3-4 db; questo miglioramento comporta tuttavia una maggiore complessità del sistema. Ulteriori particolari sulla codifica CAP sono presentati nel riquadro di pagina 18. I sistemi HDSL, rispetto ai tradizionali sistemi numerici a 2,048 Mbit/s basati sulla codifica HDB3, Figura 2 Sistemi a 2Mbit/s con codifica HDB3 e HDSL. consentono prestazioni trasmissive migliori in termini di tasso di errore nominale e di portata in quanto non è necessaria la rigenerazione per distanze fino a 2-4 km. Questo miglioramento nell impiego della rete di accesso è dovuto all adozione di una codifica di linea (2B1Q o CAP) che permette di occupare una banda di trasmissione limitata ad una zona dello spettro nella quale risultano migliori le caratteristiche trasmissive del canale. Il sistema HDSL possiede anche caratteristiche innovative legate alla possibilità di disporre di un canale di servizio in banda per la gestione e la manutenzione del livello fisico. 10 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

3.2 SDSL (Single pair Digital Subscriber Line) Il sistema SDSL, denominato anche - in sede ANSI T1E1.4 - HDSL di seconda generazione, è stato di recente proposto come sistema trasmissivo per il trasporto di servizi che richiedono una capacità simmetrica fino a 2,048 Mbit/s attraverso l utilizzo di una sola coppia su distanze massime equivalenti a circa 3 km di cavo con sezione di 0,4 mm. Questa capacità di trasporto è disponibile, su queste portate e con la tecnologia HDSL oggi impiegata, solo attraverso l utilizzo di almeno due coppie simmetriche. Il traguardo, assai ambizioso, di poter soddisfare gli stessi requisiti di banda e di portata su una sola coppia simmetrica può essere raggiunto attraverso l applicazione di tecniche di modulazione con più elevata efficienza di banda e di tecniche più sofisticate di codifica di canale, per mezzo delle quali si possa ottenere un buon compromesso tra la necessità di guadagni di codice di almeno 4-5 db e una bassa complessità garantendo, al contempo, un contenimento dei ritardi e dei consumi. Per quanto riguarda l eventuale condivisione del doppino fra SDSL e i servizi in banda stretta (POTS, ISDN-BRA), le più recenti proposte prevedono il trasporto in banda di servizi a banda stretta: questa decisione sembra giustificata dagli studi di fattibilità finora eseguiti che mettono in luce la possibilità di poter ottenere ritardi inferiori a 1 ms nel trasporto del segnale e quindi Figura 3 compatibili con i requisiti del servizio telefonico e dell ISDN. Ulteriori caratteristiche di velocità di cifra variabili e adattative consentiranno l integrazione e la flessibilità dei servizi di fonia e dati sul rilegamento numerico del cliente. Alcune soluzioni proprietarie di sistemi SDSL oggi proposte utilizzano uno dei ricetrasmettitori HDSL - in particolare il ricetrasmettitore 2B1Q a 784 kbit/s o quello CAP - per realizzare la connettività a multipli di 64 kbit/s (n x 64 kbit/s) su una singola coppia. 3.3 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Il termine Asymmetric identifica in modo peculiare la tecnologia ADSL: diversamente da altre tecnologie trasmissive come l HDSL o l SDSL, l ADSL è, infatti, un particolare sistema trasmissivo che consente di offrire servizi con requisiti di banda asimmetrici, con capacità trasmissiva in un verso di trasmissione di circa un ordine di grandezza superiore a quella utilizzata nel verso opposto 4. Il sistema ADSL permette di trasportare, su una singola coppia simmetrica, un flusso numerico ad elevata velocità nella direzione tra la rete ed il cliente (downstream) ed un flusso dati con una velocità sensibilmente più ridotta nel verso opposto (upstream); in aggiunta ai flussi dati esso consente il trasporto della telefonia analogica. La capacità di trasporto netta offerta varia da alcune decine di kbit/s fino a circa 1 Mbit/s in direzione upstream e da alcune decine di kbit/s fino a circa 10 Mbit/s in direzione downstream; nella specifica ANSI T1.413 sono definite le regole per la multiplazione e il trasporto sul modem ADSL di alcuni sottocanali elementari impiegati nei due versi di trasmissione downstream ed upstream (maggiori informazioni al riguardo sono contenute nel riquadro di pagina 12 relativo alle funzionalità di trasporto del modem ADSL). Schema di principio di una rete che impieghi il sistema ADSL. Le tecniche di modulazione utilizzate per realizzare la trasmissione ADSL sono due: DMT (Discrete Multi Tone) e CAP (Carrierless AM/PM). DMT è stato scelto come standard nell ambito del mercato nordamericano (ANSI) [2], [3] e di quello europeo (ETSI) [4], anche se soluzioni CAP sono state finora molto utilizzate nelle sperimentazioni di sistemi ADSL [5], [6]. La figura 3 mostra lo schema di principio di una rete di accesso che utilizza il sistema ADSL. Il modem ADSL remoto ATU-R, che si trova all interno della terminazione di rete NT, è connesso, tramite doppino telefonico, al corrispondente modem ADSL di centrale ATU-C. I modem ATU-C possono essere costituiti da unità a sé stanti o meglio possono essere (4) Il rapporto fra le capacità downstream ed upstream ha assunto e continua ad assumere valori anche diversi da quello indicato. Il rapporto dipende infatti dalle caratteristiche costruttive del ricetrasmettitore e dalla flessibilità da esso presentata nel realizzare modalità di impostazione che consentono molteplici velocità di funzionamento e modalità di adattamento delle stesse velocità di funzionamento in funzione delle caratteristiche del canale. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 11

FUNZIONALITÀ DI TRASPORTO DEL MODEM ADSL Figura A La specifica ANSI T1.413 indica le modalità di multiplazione e di trasporto sul modem ADSL di alcuni sottocanali elementari nei due versi di trasmissione: essa più precisamente definisce il trasporto di quattro sottocanali simplex AS0, AS1, AS2 e AS3 (nella direzione dalla rete verso il cliente), di tre sottocanali duplex LS0, LS1 e LS2 e di un sottocanale bidirezionale di esercizio O&M. I tre sottocanali duplex LS0, LS1 e LS2 possono essere configurati anche in modalità simplex. La presenza di questi sette sottocanali permette di offrire una certa modularità nell assegnazione della banda : è possibile ad esempio assegnare l intera capacità trasportata dal sistema trasmissivo ad un solo canale in direzione downstream (AS0) e ad un solo canale in direzione upstream (LS0), oppure allocarla in maniera distribuita fra una parte di essi o fra tutti quanti i sottocanali (AS0, AS1, AS2 e AS3, LS0, LS1 e LS2). La velocità di cifra dei sette sottocanali è programmabile in qualsiasi combinazione di multipli di 32 kbit/s (si Schema di principio della modulazione e del trasporto ADSL con sette sottocanali programmabili. veda figura A). Il valore assegnabile ai parametri n i e m j deve essere tale che la capacità complessiva non ecceda quella trasportabile sul sistema ADSL. Il sottocanale LS0 è l unico che può essere, a seconda della scelta effettuata, impostato a 16 kbit/s, oltre che a multipli di 32 kbit/s; questo sottocanale è chiamato anche canale di controllo ( C ) perché per alcuni tipi di applicazioni (ad esempio nelle applicazioni del tipo Video On Demand) può essere utilizzato per trasportare il canale di segnalazione associato ai sottocanali ASx. La normativa ANSI T1.413 pone limiti inferiori alle massime capacità da trasportare nelle due direzioni di trasmissione; questi valori sono pari a 640 kbit/s nella direzione upstream e a 8,192 Mbit/s o a 6,144 Mbit/s nella direzione downstream a seconda che siano rispettivamente trasportati flussi sincroni o celle ATM. Non è impedito tuttavia che le massime capacità trasportate dal sistema ADSL possano eccedere questi limiti: diverse società manifatturiere hanno infatti realizzato solu- integrati in schede all interno di un multiplatore di centrale (MuxADSL) o possono essere allocati in una ONU FTTE (Optical Network Unit Fiber To The Exchange). La condivisione del doppino del cliente con il servizio di telefonia in banda base (POTS) è resa possibile mediante una separazione spettrale, realizzata con un filtro denominato POTS splitter, tra il servizio a banda stretta ed il segnale ADSL vero e proprio. Questo filtro è presente sia presso la centrale che presso la sede del cliente e può trovarsi all interno ovvero separato dallo stesso modem ATU-C/R. I segnali numerici downstream ed upstream sono traslati in banda in modo da non interferire con il segnale telefonico: in particolare essi sono trasmessi a partire da una frequenza iniziale in genere allocata intorno ai 26 khz, in modo da permettere un agevole separazione di questi segnali dalla banda 300-3400 Hz. Questa separazione, come si è già visto, è anche attuata con l ausilio del POTS splitter: con esso si cerca di ridurre sensibilmente il disturbo reciproco fra i servizi a banda larga e quello a banda stretta. Nelle figure 4 e 5 sono mostrate le occupazioni spettrali dei sistemi ADSL con codifica DMT di Categoria 1 (senza cancellatore d eco) e di Categoria 2 (con cancellatore d eco). Si noti che il POTS splitter garantisce il passaggio, oltre che del canale telefonico in banda fonica (300-3400 Hz), anche dell eventuale segnale per il teleconteggio a 12 khz. All interno del Comitato ETSI WG TM6 è oggi in corso di studio [7] la possibilità di condividere lo stesso doppino fra trasmissione ADSL e ISDN accesso base ( ADSL over ISDN ), trasportando il segnale ISDN in banda base in alternativa al segnale 12 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

Sottocanale AS0 LS0 Tabella C1 Valore inferiore n 0 m 0 zioni di ricetrasmettitori ADSL che consentono velocità di cifra superiori a quelle previste dallo standard, che arrivano fino a 8-10 Mbit/s nella direzione downstream ed a 700 kbit/s-1 Mbit/s nella direzione upstream. L effettiva capacità di trasporto del sistema ADSL è limitata naturalmente dalle condizioni del rilegamento del cliente (lunghezza, eventuale presenza di segnali interferenti numerici). Tutti i modem ADSL prevedono finora di poter abilitare la funzionalità di adattamento della velocità di cifra (modalità rate-adaptive) con la quale l effettiva velocità dei canali downstream e upstream può essere determinata, durante la fase di inizializzazione, dal modem ADSL stesso in base alle condizioni della linea (attenuazione, rumorosità...). Trasporto dei flussi con modalità sincrona Valore superiore n 0 = 256 m 0 = 20 Massima velocità di cifra allocabile (kbit/s) 8192 640 Allocazione di sottocanali per il trasporto di flussi con modalità sincrona nel caso d impiego dei soli sottocanali AS0 e LS0. Nella tabella C1 sono indicate le capacità da trasportate quando sono utilizzati solo i sottocanali AS0 e LS0. Se sono impiegati anche altri sottocanali, l assegnazione della capacità Sottocanale AS0 AS1 AS2 AS3 LS0 LS1 LS2 Tabella C2 Valore inferiore n 0 n 1 n 2 n 3 m 0 m 1 m 2 Trasporto di celle ATM Il sistema ADSL che trasporta celle ATM opera in modo da consentire una singola introduzione di ritardo - impostabile indifferentemente come fast o come interleaved - utilizzando i sottocanali AS0 (downstream) e LS0 configurato come simplex (upstream). Le velocità devono poter essere scelte a passi di 32 kbit/s almeno fino a 6,144 Mbit/s nella direzione downstream e almeno fino a 640 kbit/s nella direzione upstream. È previsto in via opzionale l impiego dei sottocanali AS1 e LS1 in aggiunta a quelli Valore superiore n 0 92 n 1 44 n 2 = 96 n 3 = 48 m 0 = 20 m 1 = 20 m 2 = 20 Massima velocità di cifra allocabile (kbit/s) 6144 4608 3072 1536 640 kbit/s 640 kbit/s 640 kbit/s Allocazione di sottocanali per il trasporto di flussi con modalità sincrona nel caso d impiego di tutti i sette sottocanali. Nel caso di trasporto di flussi con modalità sincrona è prescritto l utilizzo dei sottocanali AS0 e LS0, mentre è opzionale l uso degli altri sottocanali AS1, AS2, AS3, LS1 e LS2. deve rispettare quanto riportato nella tabella C2. I valori assegnabili ai parametri n i e m j non devono permettere che la capacità complessiva ecceda quella trasportabile dal sistema ADSL. AS0 e LS0, quando il sistema ADSL deve prevedere il funzionamento con la modalità a duplice introduzione di ritardo a seconda dei servizi trasportati. Figura 4 Allocazione spettrale di un modem ADSL con codifica DMT (Discrete MultiTone) di Categoria 1 (senza cancellatore d eco). di telefonia analogica ( ADSL over POTS ): anche in questo caso si adotta una separazione in frequenza fra i segnali downstream ed upstream propri della trasmissione ADSL ed il segnale ISDN; naturalmente il filtro di separazione (ISDN splitter) presenta caratteristiche diverse da quello impiegato per il trasporto del canale telefonico: esso deve infatti presentare una frequenza di taglio superiore agli 80 khz (limite di banda superiore del segnale ISDN-BRA con codi- NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 13

Figura 5 Allocazione spettrale di un modem ADSL con codifica DMT (Discrete MultiTone) di Categoria 2 (con cancellatore d eco). fica 2B1Q). La mancata utilizzazione con la trasmissione ADSL della porzione bassa dello spettro, che presenta in genere una minore attenuazione trasmissiva e migliori prestazioni di diafonia, comporta naturalmente una riduzione sulla portata rispetto al sistema ADSL con POTS splitter. Un altra caratteristica molto importante dei sistemi ADSL riguarda la possibilità di adattare la frequenza di cifra dei flussi downstream e upstream. Questa caratteristica può essere realizzata con due modalità distinte: impostando mediante il sistema di gestione i flussi downstream e upstream ad una delle velocità di funzionamento permesse (funzionalità multi-rate) oppure lasciando che il sistema scelga le velocità ottimali di funzionamento, entro limiti prefissati, in base alle caratteristiche del rilegamento del cliente nel quale esso deve operare (distanza, presenza o meno di interferenti). Quest ultima modalità è denominata rate-adaptivity e permette di stabilire durante la fase di inizializzazione le condizioni ottimali di funzionamento e cioè la massima frequenza di cifra ottenibile sui flussi downstream ed upstream in grado di garantire un margine prefissato nei confronti del rapporto segnale/rumore. I sistemi ADSL che realizzano la funzionalità di rateadaptivity sono spesso denominati RADSL (Rate adaptive ADSL); oggi tutti i sistemi ADSL includono le funzionalità di autoadattamento della velocità di cifra nelle due direzioni di trasmissione; ha perso perciò di significato la distinzione fra sistemi ADSL e RADSL. Il concetto di autoadattamento è esemplificato dal diagramma di flusso di figura 6, che rappresenta la procedura di autoadattamento di un sistema ADSL a codifica CAP. Inizialmente si verifica che il sistema ADSL sia in grado di sincronizzarsi inviando una costellazione a dimensione minima, tipicamente una costellazione a quattro punti. Il software di controllo del sistema attiva il meccanismo di autoadattamento tipicamente durante la fase di training: fase chiave è la stima del rapporto segnale rumore sul canale per ambedue i versi di trasmissione; la velocità finale è determinata in modo che sia possibile garantire almeno 6 db di margine, altrimenti il collegamento può essere impostato alla velocità minima. Il rapporto segnale rumore è controllato continuamente anche durante la fase di trasmissione trasparente dei dati; il monitoraggio del sistema può TECNICA DI MODULAZIONE DMT (Discrete MultiTone) Il DMT è una tecnica trasmissiva numerica del tipo multiportante. Le tecniche a multiportante sono basate sul principio di suddividere la banda disponibile del canale trasmissivo in un certo numero di sottobande e di utilizzare ciascun sottocanale così ottenuto per trasmettere un'opportuna porzione di flusso informativo. Rispetto alle tradizionali tecniche di modulazione a singola portante, esse presentano i seguenti vantaggi: l attenuazione su ciascuna sottobanda è praticamente costante per cui non è necessario in ricezione l impiego di equalizzatori di canale; l assegnazione della capacità di trasmissione di ogni sottocanale è effettuata tenendo conto delle caratteristiche di attenuazione del canale e del livello di rumore, in modo da ottimizzare la trasmissione inviando maggiore informazione nelle sottobande che garantiscono un migliore rapporto segnale/rumore. La tecnica di modulazione DMT adottata per i sistemi ADSL prevede di suddividere il flusso informativo in ingresso in 256 flussi paralleli ciascuno dei quali modula, in tecnica QAM, una delle 256 sottoportanti del sistema. La realizzazione del modem ADSL è in effetti completamente numerica grazie all ausilio delle tecniche di trasformata veloce di Fourier (FFT). 14 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Il sistema ADSL permette la trasmissione, su una singola coppia simmetrica in rame, di: un canale dalla rete al cliente (downstream) di capacità fino a circa 10 Mbit/s; un canale dal cliente verso la rete (upstream) di capacità fino a circa 1 Mbit/s; un segnale di telefonia analogica (300-3400 Hz) ed uno di teleconteggio (12 khz), mediante l impiego di un POTS splitter. I sistemi ADSL possono essere configurati con velocità dei flussi downstream e upstream fisse oppure possono essere impostati in modo da adattare le proprie velocità di funzionamento (modalità rate-adaptive) in base alle caratteristiche del canale trasmissivo. Le velocità raggiungibili e le prestazioni ottenibili dal sistema ADSL dipendono dalle caratteristiche del rilegamento del cliente, principalmente da lunghezza, diafonia, eventuale presenza di derivazioni in parallelo. Figura 6 Diagramma di flusso relativo alle funzionalità di autoadattamento del modem ADSL. consentire, in linea di principio, di stabilire la necessità di ridurre la velocità di trasmissione determinando così un autoadattamento di tipo dinamico senza abbattere la comunicazione. Non esistono per ora sistemi ADSL che si autoadattano dinamicamente senza che venga abbattuta la comunicazione: qualsiasi modifica delle velocità di funzionamento comporta perciò il passaggio attraverso una fase di inizializzazione. 3.3.1 Caratteristiche della trasmissione ADSL Le contromisure adottate per combattere gli effetti di degrado delle prestazioni causati dalla distorsione in frequenza del canale e dalla presenza di disturbi impulsivi consistono in algoritmi di filtraggio adattativo, generalmente inseriti nel ricevitore al fine di ridurre l interferenza intersimbolica, e nell introduzione di algoritmi di rilevazione e correzione degli errori (interleaving e Forward Error Correction), che evitino la presenza di lunghe sequenze (burst) di errore. Il filtraggio adattativo è realizzato mediante l uso di filtri trasversali che riescono a recuperare le distorsioni introdotte dal canale trasmissivo. I circuiti per la correzione degli errori sono invece generalmente costituiti da classici circuiti di codifica e decodifica Reed-Solomon [8] e richiedono una quantità significativa di memoria dipendente dalla velocità del collegamento e dalla durata del segmento di dati che si vuole proteggere contro i disturbi impulsivi (per esempio 500 µs). L efficienza di questa protezione si riflette in termini di ritardo introdotto dal sistema ADSL tra le due terminazioni ATU-C e ATU-R, che può assumere valori di circa 20 ms, di un entità quindi che potrebbe risultare non tollerabile per alcune tipi di applicazioni sensibili ai ritardi, quali, ad esempio, la videoconferenza. Per poter garantire il trasporto anche di servizi con stringenti requisiti in termini di ritardi, la trama del sistema ADSL è specificata secondo una struttura a doppio ritardo (Dual Latency). Una porzione della trama presenta gli elevati valori di ritardo sopra indicati (intorno a 20 ms), mentre un altra parte (fast data) garantisce valori di ritardo minimi (1-2 ms), ma non fornisce protezione nei riguardi dei rumori impulsivi; in questo caso perciò l applicazione associata alla trama fast data deve essere poco sensibile ai rumori impulsivi stessi, ovvero deve provvedere essa stessa alla gestione e alla successiva correzione degli errori. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 15

TECNICHE DI MODULAZIONE DMT (DISCRETE MULTI TONE) Il codice di linea Discrete Multi Tone è basato su uno schema di modulazione multiportante in cui la banda di trasmissione è suddivisa in un insieme di sottoportanti, o toni, ciascuna utilizzata come canale indipendente per trasmettere una frazione dell informazione. Le caratteristiche peculiari del sistema DMT usato per realizzare sistemi ADSL sono: trasmissione in tecnica QAM su ogni sottobanda con efficienza spettrale massima di 14-15 bit/s/hz; sottoportanti (o toni) di eguale ampiezza spettrale ed equispaziate tra loro; la larghezza di banda è sufficientemente piccola in modo da permettere un impiego Figura A Ricetrasmettitore DMT (Discrete MultiTone). quasi ottimo della capacità del canale compatibilmente con valori accettabili di complessità e di ritardo; realizzazione completamente numerica della mo/demodulazione tramite algoritmi di trasformata veloce inversa (IFFT) e diretta (FFT) di Fourier (si veda il riquadro di pagina 23); livello nominale uniforme, della densità spettrale di potenza trasmessa, pari a -40 dbm/hz in downstream e -38 dbm/hz in upstream. distribuzione non uniforme della capacità di trasporto del sistema nelle sottoportanti componenti, ma funzione delle specifiche condizioni di rapporto segnale rumore nella banda di ciascuna sottoportante. Lo schema a blocchi di un mo/demodulatore DMT è rappresentato nella figura A. Il flusso di bit in ingresso alla velocità di R bit/s è suddiviso in blocchi di b=rt bit, dove T rappresenta il periodo di simbolo del sistema DMT. Il blocco di bit b è suddiviso a sua volta in N sottoblocchi b i (i=0,, N-1) tali che N 1 b = b i i =0 dove N rappresenta il numero di sottoportanti del sistema e b i è il sottoblocco trasmesso sulla i-esima sottoportante del sistema. Per il sistema ADSL DMT la specifica ANSI T1.413 adotta un numero di portanti pari a N=256 (dimensione FFT 512) nel verso downstream ed a N=32 (dimensione FFT 64) nel verso upstream. La trasmissione avviene praticamente inviando sul canale successivi vettori IFFT di 512 campioni alla cadenza di 250 µs. La larghezza di banda di ogni portante è di 4,3125 khz; ogni vettore FFT (simbolo DMT) ha una durata T pari a 250 µs ed è costituito da 512 campioni trasmessi sul canale con una frequenza di campionamento minima (nel verso downstream) di 2208 khz. Per assicurare prestazioni nominali ottime in un sistema DMT è necessario sviluppare alcune funzioni: 1. mantenere una perfetta sincronizzazione fra trasmettitore e ricevitore per garantire condizioni di ortogonalità tra le portanti, in modo da recuperare l informazione trasmessa priva di Il livello fisico risulta così strutturato secondo un concetto di doppia connessione (Dual Path), e cioè di una struttura di trama capace di consentire il trasporto contemporaneo di dati con eventuali requisiti di ritardo stringenti. Le realizzazioni oggi disponibili permettono tuttavia solo di abilitare la profondità dell interleaving, consentendo di ottenere connessioni che introducono un alto o un basso ritardo, ma non entrambe contemporaneamente. 3.3.2 Tecniche di modulazione per ADSL La trasmissione ad alta velocità su coppie simmetriche in rame richiede di ottimizzare l utilizzo della 16 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

Figura B Esempio di distribuzione dei bit sui toni. Figura C Densità spettrale di potenza emessa dal sistema ADSL. interferenza nei lobi laterali adiacenti alla sottoportante. La specifica prevede al riguardo di avere un tono speciale (pilot) dedicato al sincronismo (loop timing), pari a 276 khz per il verso downstream ed a 69 khz per il verso upstream; 2. predisporre un adeguato tempo di guardia, realizzato mediante l inserzione di un prefisso, costituito da un segmento di campioni ripetuti (6,25 per cento), al simbolo trasmesso (Cyclic Prefix) (si veda il riquadro di pagina 23). Grazie ad esso è possibile effettuare, con una complessità limitata, un appropriata equalizzazione del canale che ha l obiettivo di limitare la risposta all impulso alla lunghezza temporale del prefisso, così da eliminare ogni interferenza intersimbolo FFT. Il prefisso ciclico implica una modesta perdita di efficienza di banda; la velocità di campionamento del sistema (in downstream) è di 2208 khz e la larghezza equivalente di ogni sottobanda è di 4,3125 khz per entrambi i versi di trasmissione; 3. analizzare, nella fase iniziale di training del sistema, le condizioni della qualità del canale su ogni sottoportante. La stima del rapporto segnale rumore, SNR (Signal to Noise Ratio), permette di distribuire in maniera opportuna il numero di bit su ogni tono. Può in particolare essere dimostrato che, alle prestazioni stabilite per il tasso di errore del sistema, il numero di bit da allocare su ogni tono di indice i è dato dalla formula: SNR (i) b(i) = log 2 1+ 9,8 + γ margin db dove il termine γ margin rappresenta il margine prefissato per il rapporto segnale rumore rispetto alle condizioni nominali di tasso di errore di 1 10-7. Le figure B e C riportano un esempio della distribuzione di un traffico aggregato di circa 8 Mbit/s downstream (ottenuta dall analisi di un canale costituito da un collegamento di circa 1,7 km di cavo con coppie di diametro 0,4 mm per un sistema DMT con cancellazione d eco). Il ricevitore è interessato da un rumore gaussiano composto da componenti di diafonia causate da sistemi HDSL e DSL coesistenti nello stesso cavo. In figura B si riporta il profilo del rapporto SNR sul canale e la distribuzione dei bit su ciascun tono utilizzato. La figura C rappresenta il valore effettivo di SNR ottenuto variando il livello di densità spettrale di potenza entro ±3 db intorno al valore nominale di -40 dbm/hz. È necessario tener conto di questa variazione in quanto la granularità di 1 bit per costellazione al tasso di errore di 1 x 10-7 corrisponde ad una variazione del rapporto segnale rumore sulla portante di 3 db. La specifica definisce due modalità di realizzazione del sistema DMT, dette di categoria 1 e di categoria 2. Nei modem di categoria 1 i segnali upstream e downstream sono separati in frequenza (Frequency Division Multiplexing); per il segnale downstream sono utilizzati solo i toni al di sopra del segnale upstream e di una appropriata banda di guardia lasciata libera in via cautelativa. Nei modem di categoria 2 i segnali upstream e downstream sono sovrapposti e sono separati mediante l impiego di un cancellatore d eco numerico; il segnale downstream può così utilizzare tutti i toni disponibili (tranne i primi sei non utilizzati in entrambe le categorie perché interferirebbero con la banda fonica). Il sistema di categoria 2 presenta generalmente migliori prestazioni di capacità in funzione della portata (o viceversa), soprattutto nel caso di impiego di velocità di cifra elevate. banda attraverso lo studio di tecniche di modulazione ad alta efficienza spettrale che permettano di garantire prestazioni di tasso di errore molto buone (e che non superino quindi una soglia di 1 10-7, con margini di rapporto segnale rumore di almeno 6 db) e di mantenere la possibilità di coprire lunghezze di collegamento compatibili con la migliore penetrazione possibile del servizio entro l area di centrale. Le tecniche di modulazione maggiormente utilizzate per sistemi ADSL sono la tecnica DMT (Discrete Multi Tone) e la tecnica CAP (Carrierless AM/PM). Il DMT è una modulazione multi-portante, in cui il flusso di ingresso è suddiviso in 256 sottoflussi ciascuno dei quali modula una sottoportante con una NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 17

tecnica QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Le tecniche multi-portante sono basate sul principio di suddividere la banda disponibile del canale trasmissivo in un certo numero di sottobande e di utilizzare ciascun sottocanale così ottenuto per trasmettere un'opportuna porzione di flusso informativo. La suddivisione in sottobande è il principale vantaggio che le modulazioni multi-portante presentano nei confronti di tecniche a singola portante: si può infatti assumere che l attenuazione su ciascuna delle sottobande utilizzate risulti praticamente costante, in modo da evitare così il ricorso in ricezione a tecniche di equalizzazione, come nel caso di modulazioni a portante singola. Un altra importante caratteristica delle tecniche multi-portante, realizzata anche nella modulazione DMT per sistemi ADSL, è rappresentata dall'allocazione dinamica della velocità di cifra su ciascun sottoflusso: il sistema è cioè in grado di variare la velocità di cifra su ciascuna sottoportante in base alle condi- TECNICA DI MODULAZIONE CAP (CARRIERLESS AM/PM) La tecnica di modulazione CAP è derivata direttamente dalla modulazione QAM, con la quale ha in comune, a parità di costellazione, la stessa occupazione dello spettro e le stesse prestazioni. Nel caso della modulazione CAP tuttavia l ortogonalità fra il ramo in fase e quello in quadratura non è ottenuta, come per filtro in fase - f I (t). Così facendo è assicurata l ortogonalità dei due rami, in quanto la trasformata di Hilbert di un qualsiasi segnale è ortogonale al segnale stesso [5]. La codifica di linea CAP è basata su uno schema di modulazione che prevede la trasmissione di impulsi con sagomatura spettrale a coseno rialzato con cadenza di simbolo molto elevata. Come si è già ricordato in precedenza questi impulsi sono costituiti da una coppia di filtri FIR (f I (t) e f Q (t)) le cui risposte impulsive realizzano una relazione analitica di Hilbert (si veda la figura Figura A Ricetrasmettitore CAP (Carrierless AM/PM). il modulatore QAM, tramite moltiplicazione per il seno e il coseno alla frequenza di centro banda, bensì realizzando la risposta impulsiva del filtro in quadratura - f Q (t) - in modo che essa costituisca la trasformata di Hilbert della risposta impulsiva del A nella quale è riportato lo schema a blocchi di un ricetrasmettitore). Le espressioni analitiche delle risposte impulsive sono: f I (t) = g(t) cos(2π f c t) f Q (t) = g(t) sin(2π f c t) dove g(t) rappresenta una componente a coseno rialzato in banda base. Le funzioni di trasferimento risultanti presentano la stessa caratteristica di ampiezza, ma differiscono in fase di 90 0. In una situazione ideale questa relazione garantisce il recupero dell informazione trasmessa senza che sia necessaria un ulteriore elaborazione del segnale ricevuto; nel ricetrasmettitore è realizzata un equalizzazione di canale con l ausilio un equalizzatore con filtro adattativo di tipo retroattivo. A ciascun impulso trasmesso è associato un livello appropriato di ampiezza e di fase corrispondenti ad un punto di una costellazione QAM. Nella realizzazione impiegata per i sistemi ADSL il sistema CAP permette di gestire le funzionalità di Rate-Adaptivity attraverso l utilizzo di 18 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

zioni specifiche di rapporto segnale/rumore rilevate sulle varie zone dello spettro. Questa strategia di allocazione spettrale permette al sistema di operare in condizioni ottimali rispetto ai disturbi presenti sulla linea fisica, in quanto sono maggiormente usate le bande di frequenze in cui può essere ottenuto un più elevato rapporto segnale/rumore. Nel riquadro di pagina 23 sono descritte le caratteristiche principali della realizzazione pratica del modem DMT [9]. La modulazione CAP realizza una trasmissione passabanda bidimensionale a singola portante, del tutto equivalente, in termini di prestazioni e di occupazione spettrale alla modulazione QAM. Le modulazioni CAP e DMT sono descritte in maniera più dettagliata nei riquadri di pagina 16 e 18. La figura 7 riporta uno schema a blocchi della sezione trasmissiva di un sistema ADSL. Può essere osservato che i blocchi funzionali sono comuni per le due soluzioni; differiscono infatti solo gli schemi di modemodulazione e di equalizzazione. Figura B Velocità downstream. di una codifica del tipo Reed Solomon per la protezione del flusso downstream da sequenze di errori (tipicamente da rumori di tipo impulsivo) eventualmente presenti sul canale. In un sistema CAP la fase di inizializzazione è relativamente semplice rispetto a quella di un sistema DMT perché non è necessario operare un analisi del canale con la risoluzione di banda equivalente alle sottoportanti. Il periodo di inizializzazione di questi sistemi è quindi più breve anche se è meno efficiente l utilizzo della potenza di trasmissione per sfruttare al meglio la banda in funzione del rapporto segnale/rumore. differenti dimensioni della costellazione e di differenti velocità di segnalazione. La figura B mostra l allocazione nello spettro dei segnali CAP upstream e downstream mentre le due tabelle A e B indicano le relative capacità in funzione di differenti velocità di segnalazione (Baud Rate) e di diverse dimensioni di costellazioni gestite dal sistema. Il termine Line Rate si riferisce alla velocità di cifra lorda; il termine Payload si riferisce alla capacità di trasporto netta: la differenza fra i due valori identifica la presenza Velocità di segnalazione (kbaud) 340 680 816 952 1088 Tabella A Velocità di segnalazione (kbaud) Segnale Velocità di linea Carico utile Velocità di linea Carico utile Velocità di linea Carico utile Velocità di linea Carico utile Velocità di linea Carico utile Velocità downstream. 136 Velocità di linea Tabella B Segnale Carico utile Velocità upstream. 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 Velocità di cifra per dimensione di costellazione (kbit/s) 156UC 256 128 64 32 16 8 1088 1088 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 Velocità di cifra per dimensione di costellazione (kbit/s) 952 952 816 816 680 680 544 544 408 408 2720 2560 5440 5120 6528 6144 7616 7168 8704 8192 156UC 256 128 64 32 16 8 272 272 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 19

Figura 7 Schema a blocchi del sistema ADSL per le tecniche di modulazione DMT (Discrete MultiTone) e CAP (Carrierless AM/PM). Mentre all inizio i primi prodotti ADSL commercialmente disponibili in serie erano basati sulla soluzione CAP, a partire dall inizio del 1996 sono stati realizzati apparati basati sulla soluzione DMT, tra l altro forniti da un numero maggiore di costruttori. 3.4 UADSL (Universal ADSL) Recentemente, su proposta di alcuni gestori nordamericani consorziati con alcune delle principali società informatiche e con alcune società manifatturiere di microelettronica (Intel, Microsoft...), è stata definita una nuova architettura di sistema ADSL, denominata UADSL (Universal ADSL) o chiamata G.lite in sede ITU-T [10]; in questo caso il terminale ADSL presso la sede del cliente è connesso, senza alcuna predisposizione preliminare, direttamente ad una delle prese dell impianto telefonico. L installazione non prevede l utilizzo di POTS splitter presso la sede del cliente 5, per cui questo particolare tipo di modem ADSL è conosciuto anche come splitterless. Questo approccio permetterebbe ai gestori di rete di offrire un servizio sulla base di un installazione del tipo fai da te da parte del cliente, con il grande vantaggio di evitare un intervento per l installazione iniziale del POTS splitter e del relativo cablaggio. Questo aspetto di auto-installazione è in linea con il modello nordamericano dell offerta di servizi di telecomunicazioni (simile peraltro a quello praticato per l accesso base ISDN) nel quale il modem remoto è di proprietà del cliente finale. Se la soluzione splitterless risulta vantaggiosa da un punto di vista impiantistico, essa tuttavia presenta alcune criticità: (5) Il POTS splitter in centrale è, comunque, sempre presente. la difficile coesistenza tra il modem ADSL ed i terminali telefonici preesistenti, specie per l impedenza da questi presentata nell intervallo di frequenze di funzionamento dell ADSL e dei comportamenti non lineari e instabili da essi causati durante le fasi di sgancio e di riaggancio; l eventuale rumorosità nella banda telefonica causata dal segnale ADSL. Queste due criticità, che sono mitigate dalle caratteristiche di isolamento del POTS splitter quando esso sia presente, potranno tuttavia essere risolte con un appropriata riprogettazione del sistema; essa riguarderà il posizionamento delle bande e dei livelli di potenza trasmessa e una maggiore complessità degli algoritmi di equalizzazione nelle condizioni dinamiche di veloce cambiamento delle caratteristiche di canale - quali quelle che si presentano al momento dello sgancio o dell aggancio del telefono in modo da preservare la continuità della connessione dei dati. In base alle considerazioni sopra esposte la capacità totale del sistema G.lite, preservando le portate attuali di un sistema ADSL, sarà quindi intorno a 1,5 Mbit/s downstream ed a 300 kbit/s upstream. Il modem G.lite dovrà anche garantire l interoperabilità con i normali modem ADSL a specifica ANSI T1.413: un modem G.lite presso la sede del cliente dovrà quindi essere in grado di operare con un modem ADSL di centrale a piena velocità (non splitterless). Per quanto riguarda la gestione del sistema si sottolinea che in architetture splitterless l identificazione di cause di malfunzionamenti del livello fisico diventa molto più critica: una parte di rete interessata alla trasmissione il cablaggio in sede del cliente è infatti, in linea di principio, del tutto ignota al gestore della rete. La qualità di questa porzione di rete, in termini di cablaggio, potrebbe quindi essere non accettabile; essa costituirebbe, nel caso peggiore, un elemento non noto e instabile, con una significativa incidenza sulle norme di installazione di rete del sistema ADSL. 20 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

3.5 VDSL (Very high bit-rate Digital Subscriber Line) Il sistema VDSL rappresenta una soluzione di accesso a larga banda per il rilegamento finale su doppino in rame, dalla terminazione ottica di rete ONU (Optical Network Unit) alla sede del cliente. Essa consente di raggiungere velocità di cifra fino ad alcune decine di Mbit/s, per cui il sistema VDSL ha, in Classe A3 A2 A1 S4 S3 S2 S1 Tabella 2 Velocità downstream (N x 1024 kbit/s) 24 x 1024 12 x 1024 6 x 1024 36 x 1024 24 x 1024 12 x 1024 6 x 1024 Velocità upstream (N x 1024 kbit/s) 4 x 1024 2 x 1024 2 x 1024 36 x 1024 24 x 1024 12 x 1024 6 x 1024 Classi di velocità per i sistemi VDSL. termini di distanze, portate ridotte rispetto a quella garantita dagli altri sistemi xdsl ed è quindi difficilmente utilizzabile direttamente da centrale in soluzioni FTTE (Fiber To The Exchange). La configurazione di riferimento (figura 8) prevede infatti la presenza di un nodo ottico (ONU) posizionato a livello di armadio ripartilinea, nel caso in cui la fibra ottica sia presente solo in rete primaria (soluzione FTTCab, Fiber To The Cabinet), oppure a livello di marciapiede (soluzione FTTC, Fiber To The Curb) o di edificio (soluzione FTTB, Fiber To The Building) nel caso in cui la fibra ottica sia presente in rete primaria e secondaria. Come nel caso di sistemi ADSL è previsto di condividere il doppino con i servizi a banda stretta (POTS o ISDN-BRA), tramite l ausilio di uno splitter (che nella figura va inteso posto all interno della ONU e della NT 6 ). La banda di trasmissione VDSL ha come limite inferiore un valore compreso fra 300 khz e 600 khz in funzione delle caratteristiche più o meno spinte della banda di transizione dello splitter. Le specifiche funzionali di sistema sono state di recente definite presso il Working Group ETSI TM6 [11]: con questa normativa sono state stabilite due classi di velocità, A ed S, da utilizzarsi rispettivamente per la fornitura di servizi Asimmetrici e Simmetrici. La trasmissione a velocità di qualche decina di Mbit/s comporta l impiego di bande di trasmissione che possono raggiungere 20-30 MHz e pone d altro canto importanti vincoli sistemistici, in particolare (6) Anche per i sistemi VDSL, come per quelli ADSL, lo splitter può essere inserito all interno dell unità che contiene il modem VDSL oppure può essere realizzato come unità separata. legati alle caratteristiche fisiche del cavo in rame in questa regione di frequenze. In primo luogo l attenuazione e la diafonia comportano la necessità di utilizzare metodi di allocazione dei segnali nei due versi di trasmissione che evitino l instaurarsi di condizioni di disturbo per paradiafonia tra i segnali che occupano le coppie all interno del cavo. La paradiafonia limiterebbe altrimenti la capacità del canale a valori tali da permettere la trasmissione, nel migliore dei casi, a sole poche centinaia di metri. In secondo luogo, poiché il bilanciamento del cavo peggiora con l aumentare della frequenza, è opportuno stabilire limiti alla massima densità di potenza trasmessa, particolarmente nelle bande in cui siano allocate per legge trasmissioni a radiofrequenza (ad esempio quelle impiegate dai radioamatori) che potrebbero essere disturbate da un effetto antenna del doppino. Il massimo livello di potenza trasmessa è stato così limitato a -60 dbm/hz nominali, riducibili a -80 dbm/hz nelle bande impiegate dai radioamatori. Il sistema deve viceversa avere la capacità di stabilire contromisure contro segnali a radiofrequenza, provenienti dall esterno, che potrebbero degradare le prestazioni del sistema. L effetto antenna è particolarmente critico nelle tratte aeree di cavo, ma diventa naturalmente meno significativo nel caso in cui il cavo è interrato. Per perseguire condizioni di assenza di paradiafonia, a livello di specifica di codice di linea, sono Figura 8 Configurazione di riferimento nel caso di FTTx (Fiber To The x). state proposte due soluzioni (figura 9 e 10) che consentono di separare i due versi di trasmissione (Duplexing): 1. la separazione in frequenza FDD (Frequency Division Duplexing): i due segnali upstream e downstream risultano separati in frequenza (figura 9); 2. la trasmissione di tipo ping-pong, o meglio di tipo TDD (Time Division Duplexing), per mezzo della NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 21

stream e upstream; nel caso TDD occorre predisporre invece un tempo di guardia fra trasmissione e ricezione per permettere di ridurre significativamente il segnale d eco locale prima della ricezione del pacchetto di dati trasmesso dalla postazione remota. La soluzione TDD è oggi proposta attraverso un codice di linea DMT di tipo sincrono, SDMT (Synchronous DMT), in modo da consentire di sincronizzare tutti i sistemi della ONU. La proposta FDD è invece basata sull impiego di un codice di linea CAP. Come accennato in precedenza le frequenze elevate in gioco nella trasmissione VDSL pongono requisiti stringenti in termini di rumore di diafonia, soprattutto paradiafonia, tollerabile dal sistema; le soluzioni TDD e FDD risultano perciò incompatibili tra loro quando impiegate su coppie all interno dello stesso cavo: in questo caso infatti il rumore di paradiafonia che un tipo di sistema causerebbe sull altro (si confrontino la figura 9 con la 10) sarebbe tale da comprometterne un funzionamento corretto. Figura 9 Allocazione spettrale del segnale VDSL di tipo FDD (Frequency Division Duplexing). quale i due segnali upstream e downstream sono separati nel tempo (figura 10): la coppia di ricetrasmettitori ai due lati del collegamento opera alternativamente nelle due direzioni, vale a dire che quando da un lato del collegamento si opera in trasmissione dall altro si opera esclusivamente in ricezione e viceversa. Per evitare poi che i ricetrasmettitori colocati iniettino un disturbo da paradiafonia sui ricevitori delle coppie adiacenti, i sistemi VDSL alla ONU devono essere sincronizzati nel tempo ad una stessa struttura di trama; in altre parole si deve cercare di evitare che, da uno stesso lato del collegamento, il tempo di trasmissione di un modem coincida con quello di ricezione di altri modem, causando un effetto di paradiafonia. Ambedue le soluzioni hanno in comune lo svantaggio di determinare un certa perdita di efficienza di banda; nel caso della soluzione FDD Figura 10 esso è legato alla necessità di lasciare una certa banda di transizione (inferiore a due ottave) fra i due segnali down- 4. Conclusioni La trasmissione numerica su coppie simmetriche in rame sta rivestendo un ruolo sempre più importante nella realizzazione delle cosiddette autostrade dell informazione : in questo ambito si stanno fortemente imponendo all attenzione dei gestori di reti di telecomunicazioni soluzioni del tipo xdsl che presentano la potenzialità di fornire accessi ad alta velocità all enorme bacino di clientela connessa sui rilegamenti in rame della rete telefonica mondiale. Molte delle tecnologie xdsl, soprattutto HDSL e ADSL, hanno oggi raggiunto una notevole maturità tecnologica e sono ormai disponibili a costi economicamente convenienti. In particolare i sistemi HDSL sono da alcuni anni utilizzati presso i più importanti gestori Allocazione spettrale del segnale VDSL di tipo TDD (Time Division Duplexing). delle reti mondiali per la realizzazione di collegamenti diretti numerici a 2,048 Mbit/s (o a 1,544 Mbit/s), mentre i sistemi ADSL si stanno imponendo come una delle soluzioni più valide per permettere la fornitura di accessi ad alta velocità a reti ATM e IP e di servizi di video numerico commutato. Le sperimentazioni che Telecom Italia ha da tempo avviato sui sistemi ADSL (Video Magic per servizi VOD, Torino2000 e Endeavour per servizi di accesso veloce a reti IP) hanno permesso di confermare che la tecnologia ADSL consente la fornitura di servizi a larga banda garantendo anche una sufficiente qualità del servizio. Le soluzioni VDSL e splitterless (G.lite) sono invece ancora in una prima fase di sviluppo e di standardizzazione internazionale sebbene alcune realizzazioni preliminari abbiano permesso di rilevare che le soluzioni individuate sono realizzabili. 22 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

PRINCIPALI ASPETTI CARATTERISTICI DELLA REALIZZAZIONE EFFETTIVA DEL MODEM DMT (DISCRETE MULTITONE) La realizzazione del modem DMT è effettuata mediante l applicazione di alcuni principi della elaborazione numerica dei segnali. Il più importante di questi aspetti riguarda la realizzazione completamente numerica del banco di modulatori QAM mediante tecniche di trasformata inversa di Fourier. È possibile dimostrare che la sequenza ottenuta campionando il segnale in uscita da un banco di N+1 modulatori QASK (Quadrature Amplitude Shift Keying) è uguale alla sequenza di valori in uscita da una IDFT a 2N punti. La modulazione QASK è un caso particolare di modulazione QAM in cui la forma d onda associata ai simboli è un impulso rettangolare. Figura A Schema di principio di un modulatore QASK. In figura A è riportato lo schema di un trasmettitore QASK. Il segnale modulato s(t) può essere sinteticamente espresso come s(t ) = Re z(t )e jω c t (1) dove: z(t) è un segnale complesso definito come C k = a k + jb k rappresenta il k-esimo simbolo complesso; T è la durata dei simboli; ω c è la frequenza angolare della portante; rect(t) è definita come + z(t ) = C k rect (t kt ) k = (2) rect (t ) = 1 0 In figura B è mostrato un banco di N+1 modulatori QASK che realizzano un trasmettitore multiportante. Il segnale multiportante, MQASK (Multicarrier QASK), s MQASK (t) all'uscita di questo trasmettitore è espresso matematicamente da N s MQASK (t ) = s i (t ) i = 0 0 t <T altrove Figura B Schema di principio di un banco di N+1 modulatori QASK che realizzano un trasmettitore multiportante. dove, per le (1) e (2) risulta s i (t ) = Re z i (t )e jω i t = Re + C rect (t kt ) i,k k = e C i,k = a i,k + j i,k rappresenta l'k-esimo simbolo complesso trasmesso sul i-esimo sottocanale. Assumiamo che le frequenze portanti degli N+1 sottocanali siano distanziate di f=1/t, cioè, e jω i t ω i = 2πi T i = 0,K,N (3) NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 23

Campionando s MQASK (t) negli istanti t k,l = kt + lt k intero e l = 0,1,K,2N 1 2N e osservando che per la natura rettangolare dell'impulso formatore risulta vale la relazione s MQASK kt + lt N = Re C 2N i,k e jω i kt + lt 2N i = 0 in base alla (3) questa espressione assume quindi la forma z i kt + lt = C 2N i,k s MQASK kt + lt N = Re C 2N i,k e j π N il = i = 0 = Re C 0,k + Re C e jπl N,k + N 1 i =1 Re C e j π i,k N il (4) La (4) esprime quindi la sequenza dei campioni di un segnale MQASK. Consideriamo ora i valori all'uscita della IDFT a 2N punti applicata alla sequenza X l,k : l'espressione generale di questa trasformazione è x l,k 2N 2N 1 X h,k e j 2 π 2N hl l = 0, 1,...,2N 1 h = 0 (5) e può essere più convenientemente riscritta, ai nostri fini, nella forma x l,k 2N X 0,k + X N,k e jπl + 2N 1 h =1 h N X h,k e j π N hl l = 0, 1,...,2N 1 (6) avendo isolato i termini della sommatoria corrispondenti a h=0 ed a h=n. Affinchè i valori x l,k siano reali, è necessario imporre le condizioni di simmetria complessa coniugata sui simboli X l,k : in particolare assumendo che N sia pari, come risulta quando per il calcolo della IDFT si adottino algoritmi basati sulla FFT, queste condizioni sono espresse da: X q,k = [X 2N q,k ] * q,2,...,n 1 (7) Im X 0,k = Im X N,k = 0 avendo indicato con l'asterisco l'operatore complesso coniugato. Si prenda in esame ora la sommatoria presente nella (6): applicando ad essa la prima condizione della (7) si può scrivere: 2N 1 X h,k e j π N hl = X i,k e j N il + X i,k e j h =1 h N N 1 i =1 N 1 π 2N 1 i =N +1 π N il = = X i,k e j π N il + [X 2N i,k ] * e j N il. i =1 2N 1 i =N +1 π (8) 24 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998

Con semplici passaggi è possibile riscrivere la (8) nella forma X h,k e j π N hl N 1 = 2 Re X i,k e j h =1 i =1 2N 1 h N π N il (9) Introducendo la (9) nella (6) e ricordando la seconda condizione della (7) si ottiene x (10) l,k = X 0,k + X N,k e jπl N 1 + Re X i,k e j π N il l = 0, 1,...,2N 1 2N 2N i =1 N con X 0,k e X N,k reali. Confrontando la (4) con la (10), si può affermare che la sequenza ottenuta campionando il segnale in uscita dal banco di modulatori di figura B è uguale alla sequenza di valori in uscita da una IDFT a 2N punti nel caso siano verificate le seguenti condizioni: Re C 0,k Re C N,k = X 0,k 2N = X N,k 2N (11) C i,k = X i,k N i,2,...,n 1 Un altro aspetto importante del modem DMT riguarda la realizzazione del procedimento necessario per poter compensare l'effetto distorcente del canale trasmissivo: a) blocco per blocco; b) a valle dell'operazione di DFT. Con riferimento alla figura A del riquadro di pagina 16, l'obiettivo finale è sostanzialmente quello di poter ottenere gli elementi X l,k mediante la semplice relazione: X l,k = Y l,k H l l = 0,1,...,2N 1 (12) in cui {H l } rappresenta la DFT della risposta impulsiva {h l } del canale discreto equivalente, come indicato in figura C, e Y l,k è il vettore complesso risultante dall'applicazione della DFT al k-esimo blocco di campioni ricevuti y l,k. Si osservi che la (12) esprime l'azione di un equalizzatore operante direttamente nel dominio della frequenza. Dalla (12) si ricava Y l,k = X l,k H l (13) che nel dominio del tempo equivale alla y l,k = x l,k h l (14) dove è l'operatore convoluzione circolare. Si ricordi che il risultato della convoluzione circolare tra due sequenze {x n } e {y n } di durata finita L è una sequenza {z n }, anch'essa di durata L, espressa da z n = x n y n = L 1 i = 0 x i ỹ n i R n (L ) (15) NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998 25

in cui {xn } e {y n } sono le versioni periodicizzate con periodo L delle sequenze {x n } e {y n } rispettivamente, e R n (L ) è una sequenza rettangolare di durata L definita come (L R ) n = 1 0 n L 1 0 altrove (16) Figura C- Modello discreto equivalente del canale trasmissivo. La (14) descriverebbe il modello di figura C se il canale discreto equivalente operasse una convoluzione circolare tra le sequenze di ingresso {x l,k } e la risposta impulsiva {h l,k }. Ma questo non avviene nel trasferimento di sequenze attraverso sistemi discreti lineari e tempo invarianti: il trasferimento è infatti descritto dall'operazione di convoluzione lineare tra ingresso e risposta impulsiva del sistema. Il risultato della convoluzione lineare di due sequenze {x n } e {y n } di durata L e K (con L > K) rispettivamente, è infatti una sequenza {w n } di durata L+K+1, espressa dalla L 1 w n = x n y n = x i y n i n = 0,K,L + K 2 i = 0 (17) È tuttavia facile verificare come sia possibile ottenere la convoluzione circolare di due sequenze operando la convoluzione lineare tra una delle due sequenze e una versione opportunamente modificata dell'altra, dopo avere scartato un opportuno numero di campioni dal risultato ottenuto (mediante la tecnica del prefisso ciclico). La modifica richiesta sulla seconda sequenza consiste nell'estenderne la durata ripetendo la sequenza come esemplificato nella figura D. Se si limita l'analisi al caso descritto dalla (14) si può notare che in pratica la durata (n+1) della risposta impulsiva {h l } del canale è sensibilmente inferiore alla durata del blocco: si può quindi ridurre a ν la lunghezza dell'estensione da premettere alla sequenza prima della convoluzione lineare e si può ridurre in conseguenza il numero di campioni scartati Figura D Esempio di applicazione del prefisso ciclico: a) risultato della convoluzione cicolare tra x n e y n ; b) risultato della convoluzione lineare tra x ~ n e y n. nel ricevitore. In questo modo è possibile compensare l effetto distorcente introdotto dal canale trasmissivo. 26 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA - Anno 7 n.2 - Ottobre 1998