Sistemi xdsl. Giacinto Gelli

Sistemi xdsl Giacinto Gelli Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni, Università degli Studi di Napoli Federico II, via Claudio 21, I-80125, Napoli, Italy E-mail: gelli@unina.it c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999

Il local loop Telephone End office Toll office Intermediate switching office(s) Toll office End office Telephone Local loop Toll connecting trunk Very high bandwidth intertoll trunks Toll connecting trunk In una rete pubblica (PSTN, Public Switched Telephone Network), il local loop è l ultimo tratto del collegamento fino all utente. Nella rete telefonica il local loop è stato concepito per la trasmissione analogica vocale (POTS, Plain Old Telephone Services). Per questo motivo si è utilizzato un supporto trasmissivo (doppino) relativamente poco costoso e di banda non elevata. Inoltre il collegamento nel local loop è stato ottimizzato per la trasmissione analogica nella banda W di 4 khz (inserzione di filtri passabasso per limitare la banda del collegamento). L infrastruttura di rete per la CATV (Cable TV) è basata sul cavo coassiale e presenta una banda molto maggiore (dell ordine di 6 MHz), tuttavia è (1) tendenzialmente unidirezionale (2) non molto capillarmente diffusa (3) senza possibilità di commutazione. Local loop c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 1

Accesso BTTH (Broadband to the home) Con l avvento della trasmissione dati è sorta l esigenza di adeguare il local loop per supportare servizi a larga banda, quali: tele-educazione; tele-lavoro; video interattivo e on-demand; audio; web-browsing; commercio elettronico. Tipo di servizio Banda BER Ritardo massimo Real-time audio (HI-FI) 0.20 Mb/s 10 3 300 ms Real-time video 4 Mb/s 10 6 100 ms Web browsing 0.25 Mb/s 10 5 100 ms Telelavoro 1 Mb/s 10 4 1 min c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 2

Tecniche di accesso digitale nel local loop Le tecniche DSL (Digital Subscriber Loop) rappresentano in sintesi le soluzioni tecnologiche proposte per garantire l accesso BTTH: Accesso in fibra puro (FTTH) Soluzioni ibride fibra/rame (FTTC/HFC) Wireless local loop (WLL) Accesso in rame (modem in banda vocale, ISDN, xdsl) c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 3

Fiber to the home (FTTH) L accesso FTTH prevede l installazione di fibra ottica fino all utente. Le spese di installazione della fibra fino all utente sono proibitive. Inoltre l utente deve equipaggiarsi con costose apparecchiature ottiche (ONU, Optical Networking Unit) per potersi collegare alla rete. L ipotesi FTTH appare oggi largamente impraticabile per una diffusione a larga scala nel local loop, per motivi di ordine economico. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 4

Fiber to the curb (FTTC) e Hybrid Fiber Coax (HFC) Switching office High-bandwidth fiber trunk Junction box House Switch High-bandwidth fiber trunk Junction box Copper cable TV wire Fiber Copper twisted pair Fiber House Soluzioni miste fibra/rame nelle quali la fibra arriva fino in prossimità dell utente. L ultimo tratto avviene in rame utilizzando o l infrastruttura telefonica (doppino) oppure quella CATV (cavo coassiale, HFC). Consente di utilizzare supporti già ampiamente installati. Evita il problema di dover equipaggiare l utente con costose apparecchiature ottiche. Nella soluzione HFC il cavo coassiale è tuttavia un canale condiviso da più utenti (banda a disposizione di ciascun utente ridotta, necessità di un protocollo MAC). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 5

Wireless local loop (WLL) Una soluzione praticabile al giorno d oggi è quella di realizzare il local loop con un collegamento via radio wireless. Standard utilizzati: macrocellulare (GSM, IS-54, IS-95, UMTS), cordless (DECT). Vantaggi: ridotti tempi di installazione; bassi costi di installazione e manutenzione; supporto eventuale della mobilità degli utenti. Svantaggi: modeste velocità supportate: fino a 9.6 kb/s nel GSM, fino a 500 kb/s (DECT), fino a 2 Mb/s in UMTS (2002). capacità limitata; bassa qualità del servizio; elevati costi di connessione. Per questi motivi non si prevede che l accesso WLL possa rappresentare un alternativa praticabile all accesso fisso nel futuro, almeno nei paesi sviluppati. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 6

Tecniche di accesso su rame Le tecniche in fibra (FTTH, FTTC, HFC) non sembrano praticabili nel breve-periodo per gli elevati costi di installazione. Le tecniche WLL non sembrano praticabili nel medio periodo come alternativa all accesso fisso per la bassa qualità del servizio e la banda limitata, ma per complementare l accesso fisso (supporto della mobilità). L elevata diffusione e capillarità dei supporti in rame spinge all individuazione di tecniche DSL su rame che costituiranno realisticamente l alternativa praticabile nel breve-medio periodo. Tali tecniche consentiranno l introduzione di servizi a larga banda a costi contenuti, il che instaurerà un circolo virtuoso di domanda/offerta che favorirà la transizione verso le nuove tecnologie ottiche. Nel lungo periodo le tecnologie puramente ottiche (FTTH) prenderanno il sopravvento. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 7

Modem in banda vocale Modem Doppino Rete telefonica (POTS) Doppino Modem 56 kb/s Realizzano la trasmissione dati utilizzando la banda vocale di 4kHz. La trasmissione avviene in maniera trasparente per la rete ed è di tipo end-to-end (i due terminali devono supportare lo stesso protocollo). A causa della banda modesta le velocità di trasmissione raggiungibili sono contenute (< 56 kb/s). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 8

Modem DSL Modem DSL Doppino Modem DSL Rete telefonica (POTS) Modem DSL Doppino Modem DSL La banda del doppino è molto maggiore dei circa 4 khz utilizzati per la trasmissione vocale. Per sfruttare appieno tale banda bisogna rimuovere i filtri passabasso dal lato centrale ed utilizzare una coppia di modem, sia dal lato utente che da quello rete. La trasmissione non è più trasparente per la rete ed è tipo punto-punto. Inoltre in generale si richiede un buon condizionamento della linea per una corretta operazione (rimozione di loading coils e/o bridged taps). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 9

ISDN: Integrated Services Data Network Customer's office Carrier's office Customer's office Carrier's office ISDN Telephone ISDN Terminal ISDN Terminal Customer's equipment ISDN Alarm T Digital bit pipe NT1 U ISDN Exchange Carrier's equipment To carrier's internal network TE1 ISDN Terminal TE1 ISDN Telephone R TA S S S NT2 ISDN PBX T NT1 Digital bit pipe U ISDN Exchange Carrier's equipment To carrier's internal network Non ISDN Terminal LAN Gateway Customer's equipment Digital bit pipe: flusso di dati numerici tra l utente e la rete; supporta più canali indipendenti a divisione di tempo (TDM). NT1 (Network Terminating Device) rappresenta il dispositivo per garantire l accesso di utente a ISDN. Può supportare fino ad 8 dispositivi ISDN (telefoni, terminali, allarmi, etc.). NT2 garantisce il collegamento di un maggior numero di terminali rispetto a NT1. È un vero centralino (PBX, Private Branch exchange) ISDN. R, S, T, U reference point o interfacce standardizzate dal CCITT. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 10

Canali ISDN La digital bit pipe può supportare diversi tipi di canali TDM. I canali standardizzati sono: A: canale telefonico analogico a 4kHz; B: canale numerico PCM per voce o dati a 64 kb/s; C: canale numerico a 8 o 16 kb/s; D: canale numerico a 16 kb/s per segnalazione out-of-band; E: canale numerico a 64 kb/s per segnalazione ISDN interna; H: canali numerici a 384 (H0=6B), 1472 (H10=23B), 1536 (H11=24B) o 1920 (H12=30B)kb/s. Poichè ISDN è basata sostanzialmente sui canali a 64 kb/s Narrowband ISDN o N-ISDN c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 11

Accesso ISDN D (64 kbps) Basic rate D (16 kbps) B1 to B2 Primary rate B1 to B23 or B30 Accesso base (BRI): (2B+D) consiste in due canali B ed un canale D a 16kb/s (totale 144 kb/s). Uso residenziale. Accesso primario (PRI): (24B+D) o (30B+D) consiste in 24 canali B (USA, compatibile con T1) o 30 canali B (Europa, compatibile con E1) ed un canale D a 64 kb/s per la segnalazione (totale 1536 e 1984 kb/s, rispettivamente). Uso affari. Nell accesso BRI è possibile utilizzare un canale B per la fonia e in simultaneo l altro per i dati, oppure combinare i due canali B (bonding) per avere una trasmissione dati a 128 kb/s (4 volte quella dei modem in banda vocale). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 12

ISDN: codici di linea e banda impegnata spettro POTS ISDN 4 80-90 f (khz) BRI: 160 kb/s (2B +D+16kb/s overhead) su circuito a due fili in modalità full duplex con cancellazione d eco (interfaccia U). Codici di linea impiegati: 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary): 80 kbaud, banda impegnata da 0 fino a 80 khz (USA); 4B3T (4 Binary 3 Ternary): 120 kbaud, banda impegnata da 0 fino a 90 khz (Europa); L utilizzo della banda fino alla continua non consente l utilizzo simultaneo di POTS uno dei canali B può essere utilizzato a tale scopo. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 13

ISDN: vantaggi e svantaggi Vantaggi: Velocità (rispetto ai più veloci modem in banda vocale); Possibilità di collegare più dispositivi alla stessa linea fisica; Segnalazione separata dal traffico tempi di setup del collegamento molto bassi. Svantaggi: Incompatibile con la telefonia analogica tradizionale Richiede installazione di apparecchiature al lato utente e al lato rete I lunghi tempi di standardizzazione hanno reso obsolete le scelte tecnologiche Le velocità supportate non sono adeguate a garantire BTTH. Applicazioni più interessanti: accesso a Internet a 128-144 kb/s a prezzi contenuti Evoluzione verso Broadband ISDN (B-ISDN) e ATM c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 14

xdsl BRI ISDN (2B+D) non è una soluzione proponibile per BTTH a causa della limitata velocità. Per questo motivo sono stati proposti numerosi altri sistemi per ottenere l accesso BTTH su doppino in rame. I sistemi xdsl rappresentano in effetti una classe di tecniche proposte a tale scopo, in cui la x identifica la particolare tecnica: HDSL SDSL ADSL VDSL La prima tecnica proposta (HDSL) nasce per consentire la trasmissione tra centrali telefoniche di multiplex T1 (USA) su doppino in rame. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 15

Trasmissione TDM/PCM su rame Canale base (DS0): 64 kb/s. T1 (DS1) (USA): 1.544 Mb/s (24 canali a 64 kb/s + bit di framing e di overhead). E1 (Europa): 2.048 Mb/s (30 canali a 64 kb/s + bit di framing e di overhead). La trasmissione di T1 ed E1 con codice AMI o HDB3 richiede una banda di 1.544 MHz e 2.048 MHz (vedi tabella). Tale banda non consente la trasmissione su doppino in rame se non su distanze estremamente contenute (max 1 km). Codice di linea Numero simboli Banda AMI 3 (pseudo) bit-rate HDB3 3 (pseudo) bit-rate 2B1Q 4 0.5* bit-rate 4B3T 3 0.75*bit-rate c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 16

HDSL HDSL: High data rate Digital Subscriber Line Ideato negli anni 80 da Joseph Lechleider dei Bell Communications Research (Bellcore). Motivazione: trasmissione T1 ed E1 su doppino in rame per distanze di 3-4 km senza ricondizionamenti della linea. La prima versione di HDSL impiega il codice di linea 2B1Q per garantire la velocità di 784 kb/s (duplex), con banda di 392 khz su collegamenti in doppino fino a circa 3.5 km. L impiego di un codice di linea CAP consente di ridurre ulteriormente la banda fino a 175 khz. Per il trasporto di un multiplex T1 a 1.544 Mb/s sono necessari due doppini (784 kb/s per ciascuno). Per il trasporto di un multiplex E1 a 2.048 Mb/s sono necessari tre doppini (784 kb/s per ciascuno) oppure due doppini (1168 kb/s ciascuno). La trasmissione avviene in full duplex con l impiego di cancellatori d eco ed egualizzatori DFE (Decision Feedback Equalizer). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 17

HDSL: applicazioni Tipiche applicazioni: collegamento tra centrali (sostituito dalla fibra) collegamento PBX alla rete telefonica collegamento di stazioni base nella telefonia cellulare sistemi DLC reti private Limite maggiore: l impiego di più doppini per raggiungere velocità dell ordine del Mb/s non ne consente l uso per l accesso BTTH. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 18

SDSL SDSL: Single line Digital Subscriber Line È un evoluzione di HDSL che consente la trasmissione di T1 o E1 su una singola linea. In molti casi non impegna la banda vocale per cui può coesistere con il sistema telefonico tradizionale. Si presta a fornire l accesso BTTH perchè utilizza un solo doppino. Fornisce un collegamento simmetrico (stessa velocità nei due sensi) con velocità di 1.5-2 Mb/s su distanze dell ordine di 3 km. Applicazioni: utenti con esigenze di un forte flusso simmetrico (server, LAN remote). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 19

ADSL ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line In molte applicazioni il flusso dati dalla rete verso l utente (downstream) è molto maggiore del flusso dati dall utente verso la rete (upstream). Questo è tipico di applicazione quali video-on-demand (VOD), home shopping, accesso Internet, accesso remoto ad una LAN, accesso a risorse multimediali. Il sistema ADSL sfrutta tale asimmetria del traffico garantendo velocità fino a circa 6 Mb/s downstream e fino a 640 kb/s upstream su un singolo doppino. In questo modo ADSL riesce a ottenere velocità downstream superiori (a parità di distanza) rispetto a sistemi simmetrici (es. SDSL). ADSL non impegna la banda vocale per cui può coesistere con il sistema telefonico tradizionale. ADSL supporta le velocità tipiche di ISDN e può anche essere reso compatibile a livello fisico. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 20

ADSL: banda impegnata spettro spettro ADSL ADSL POTS Upstream Downstream POTS Upstream Downstream 4 20 200 1000 f (khz) 4 20 200 1000 f (khz) FDM Con cancellazione d'eco ADSL impiega una banda al di sopra della banda di 4 khz riservata alla fonia (compatibilità con POTS). I sistemi di modulazione (codici di linea) adottati sono necessariamente in banda traslata e non in banda base (QAM, CAP, DMT). La massima frequenza impegnata è dell ordine di 1 MHz. Nella soluzione con cancellazione d echo il canale upstream è allocato all interno della banda downstream che è maggiore maggiore complessità circuitale. Nella soluzione FDM i canali upstream e downstream sono separati in frequenza (preferibile). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 21

ADSL: architettura del collegamento c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 22

ADSL: descrizione apparecchiature Service Module (SM): adattatore di terminale (set-top box, interfaccia PC, router LAN) Terminal equipment (TE): apparecchiature di utente (PC, TV, VTR, HI-FI etc.) Splitter: filtri passivi per la separazione di ADSL da POTS ATU-C: ADSL Transceiver Unit - Central Office: modem di rete (può essere integrato nel nodo di accesso ATU-R: ADSL Transceiver Unit - Remote Site: modem di utente Access node: nodo di accesso: punto di concentrazione per il traffico a banda larga e stretta. Dislocato in una centrale telefonica oppure fisicamente separato da essa Premises distribution network (PDN): sistema di rete per collegare ATU-R agli SM (differenti topologie) V C,V A,U C 2 etc. interfacce c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 23

Splitter ADSL occupa la banda immediatamente superiore a quella vocale (4 khz) Mediante uno splitter (filtro passivo) è possibile garantire la trasmissione sullo stesso doppino di servizi POTS e ADSL allo stesso tempo. Necessitano di una banda di guardia tra 4 e 20 khz per garantire una buona separazione. La scelta di filtri passivi garantisce la disponibilità di POTS anche in casi di emergenza (assenza di alimentazione). Gli splitter possono essere integrati negli ATU-C e ATU-R. Soluzioni splitterless G.Lite (ITU-T Recommendation G.992.2). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 24

ATU-C Svolge le funzioni di multiplexing, demultiplexing, trasmissione, ricezione e controllo di sistema. Fornisce l interfaccia verso il loop, la rete, e i sistemi di commutazione. Si interfaccia con il nodo di accesso attraverso V A. Può essere integrato nel nodo di accesso. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 25

ATU-R Si interfaccia con la rete di distribuzione di utente attraverso l interfaccia T-SM o direttamente con i service module se la rete di distribuzione di utente è un collegamento passivo punto-punto. Può avere più di una interfaccia T-SM (ad esempio una connessione T1/E1 ed una connessione Ethernet). Può essere integrato in un service module. Presenta una interfaccia verso un terminazione di rete ISDN NT1 per garantire l accesso base 2B+D full duplex a 160 kb/s. Presenta una interfaccia a velocità di 384 kbit/s (canale H0 ISDN) adatta per applicazioni di video-conferenza. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 26

ADSL: standardizzazione e classi di trasporto ADSL è stato recentemente standardizzato in USA dall ANSI (sottogruppo T1E1.4, standard T1E1.413, 1995) In Europa l ETSI ha adattato lo standard proposto dall ANSI alle velocità di trasmissione tipiche della telefonia europea (E1) Le classi di trasporto definite dall ETSI sono riportate nella tabella seguente: Classe di trasporto Simplex Duplex rate [kb/s] Distanza downstream indicativa rate [Mb/s] [km] 2M1 6.144 0, 160, 384, 544 o 576 kb/s 3.5 2M2 4.096 0, 160, o 384 kb/s 4.2 2M3 2.048 0, 160 kb/s 4.8 c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 27

ADSL: fattori di limitazione delle prestazioni Risposta non ideale del cavo: nella banda di circa 1 MHz occupata da ADSL il doppino presenta un comportamento distorcente con la frequenza: H(f, d) = e dk f Bridged taps: possono dare luogo a minimi molto pronunciati nella risposta in frequenza del canale. Diafonia (NEXT e FEXT): si adottano i modelli visti precedentemente. Interferenza AM: alle frequenze tipiche di ADSL posso avere significativa interferenza dai segnali radio AM Rumore impulsivo: dovuto ad apparecchiature esterne, presenta valori tra i µv e le decine di mv, e durate che possono arrivare a qualche ms. Rumore termico c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 28

Effetto della diafonia ATU-C FEXT Doppino NEXT ATU-R ATU-C Cavo Doppino ATU-R Upstream Downstream Il disturbo dominante è la NEXT che è maggiore al lato centrale per l elevata concentrazione dei doppini. Il flusso upstream deve tipicamente essere a più bassa velocità perchè viene ricevuto alla centrale con NEXT maggiore. Viceversa nella direzione downstream la NEXT al terminale di utente è limitata (basso grado di concentrazione all utente) e quindi è possibili ottenere velocità più elevate. Inoltre poichè il flusso upstream è soggetto ad una maggiore diafonia, allora è trasmesso a più bassa frequenza dove l attenuazione del cavo è minore. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 29

ADSL: modulazioni adoperate (codici di linea) Per ADSL sono stati proposti ed implementati diversi schemi di modulazione: QAM (Quadrature Amplitude Modulation) CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation) DMT (Discrete Multitone Modulation) Tra questi schemi, ANSI ed ETSI hanno entrambe scelto (e standardizzato) DMT per le seguenti ragioni: migliori prestazioni in trasmissione/ricezione (prossime al limite di Shannon); migliore adattamento alle caratteristiche variabili del canale; maggiore flessibilità in termini di bit-rate e impiego di banda; maggior resistenza al rumore impulsivo; maggiore capacità di integrazione con ATM. Il lato negativo di DMT è la maggiore complessità, che tuttavia può essere ampiamente supportata dai moderni chip DSP (Digital Signal Processors). c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 30

Discrete Multitone Modulation (DMT) La modulazione DMT è una modulazione multi-portante o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Il flusso informativo viene diviso in M sottoflussi e ciascuno di essi modula una portante a diversa frequenza, ad esempio con tecnica QAM (efficiente in banda). Il vantaggio è quello di poter adattare la distribuzione dei bit sulle diverse bande caratteristiche del canale (bit loading). R B /M Mod. QAM f 1 x 1 (t) spettro R B S/P R B /M R B /M Mod. QAM f 2... Mod. QAM f M x 2 (t) x M (t) x(t)... f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 fm f c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 31

Bit loading (1) bits/can. H(f) bits/can. f f f Doppino bits/can. H(f) AM bits/can. f f f Doppino con bridged tap e interferenza AM c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 32

Bit loading (2) La procedura è iniziata dall ATU-C (il collegamento downstream è il più critico). L ATU-C trasmette un uguale numero di bit per canale per misurare le caratteristiche del canale trasmissivo (a sinistra). L ATU-R elabora il segnale ricevuto e comunica (sul canale upstream a bassa velocità) la distribuzione ottimale dei bit in accordo alle caratteristiche del canale downstream. L ATU-C adatta il flusso dei bit sulle varie sottoportanti in accordo alla distribuzione ottimale comunicata. Data la banda stretta di ciascun canale, non si ha distorsione significativa ed i requisiti di egualizzazione sono molto contenuti (al limite, nulli). Il bit loading è un grosso punto di forza della modulazione DMT data l estrema variabilità delle caratteristiche del local loop. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 33

Differenze tra DMT e OFDM OFDM è una modulazione multiportante che si basa sullo stesso principio di DMT Utilizzata per Digital Audio & Video Broadcasting (DAVB) in Europa Non c è canale di ritorno (è un applicazione broadcasting) e quindi non posso effettuare l allocazione dei bit (bit loading) Se c è canale di ritorno DMT con bit loading offre prestazioni superiori a OFDM c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 34

Identificazione del canale Se il numero delle portanti è elevato, è possibile ritenere ciascun sottocanale ideale (non distorcente). Il modello per la trasmissione nel dominio della frequenza diventa: Y (f i )=H(f i )X(f i )+N(f i ) i =1, 2,...,M In tal caso trasmettendo una sequenza nota è possibile identificare H(f i ) con tecniche di mutua correlazione e quindi determinare il rumore per sottrazione. La procedura di identificazione consente allora di ottenere una stima del SNR su ogni sottocanale. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 35

DMT in pratica (1) X 1,k x 1,k X 2,k x 2,k b bit buffer.. &. IFFT. encoder P/S.. R B (b = R B T).. D/A LPF x(t) X M,k x N,k M simboli QAM N = 2M campioni nel dominio del tempo sampling rate = N/T La modulazione multiportante viene realizzata in pratica con tecniche FFT/IFFT che garantiscono una bassa complessità computazionale e l implementazione su DSP. Il flusso di ingresso a velocità R B (b/s) è memorizzato in blocchi di b = R B T bits in un buffer. T periodo di simbolo, 1/T symbol rate o baud rate. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 36

DMT in pratica (2) I b bit sono segmentati (in base all algoritmo di bit loading) in M sottoblocchi di b i bit ciascuno, ognuno dei quali è destinato ad essere trasmesso sull i-esimo sottocanale: b = M i=1 b i I b i sono trasformati dal codificatore in un subsimbolo complesso X i appartenente ad esempio ad una costellazione QAM a 2 b i simboli. X i,k rappresenta l i-esimo subsimbolo nel k-esimo simbolo da trasmettere. E i energia media di X i P i = E i /T potenza media di X i c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 37

DMT in pratica (3) L IFFT è una trasformazione ortogonale che trasforma gli M N =2M campioni reali nel dominio del tempo: subsimboli complessi in x n = 1 N 1 N i=0 X i e j 2π N in X i = X i i =1, 2,...,M 1 Re(X M ) i =0 Im(X M ) i = M X N i i = M +1,...,N 1 In pratica X i è una sequenza costruita da X i in modo da avere simmetria hermitiana, cosicchè x n sia reale. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 38

DMT in pratica (4) Il convertitore D/A ha frequenza di campionamento f S spettrali superiori a f S /2 subiscono aliasing. Le frequenza dei fasori caratteristici dell IFFT in analogico sono: f i = i/t i =0, 1, 2,...,N 1 = N/T per cui le componenti Di queste portanti, in pratica solo quelle con f i < 0.5N/T i < 0.5N = M corrispondono a frequenze senza aliasing, le altre in pratica corrispondono alla porzione negativa dello spettro. Quindi le portanti effettive saranno: f i = i/t i =0, 1,...,M 1 in accordo al fatto che i sottocanali sono M e non N =2M c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 39

Prefisso ciclico Il segnale x(t) viene trasmesso sul canale, e in uscita si ottiene y(t) =x(t) h(t) (convoluzione lineare). Per effetto della dispersione del canale si perde in genere l ortogonalità del segnale trasmesso. In altri termini, ciascun blocco di b bit viene allungato o disperso dal canale e si ha interferenza interblocco (IBI). Per evitare questo problema è sufficiente ricondurre la convoluzione lineare ad una convoluzione circolare. Se ν è la durata equivalente del canale a tempo discreto campionato al sampling-rate, è sufficiente considerare un blocco di lunghezza maggiore di N, con un prefisso costituito dagli ultimi ν campioni del blocco (prefisso ciclico). Tale prefisso viene inserito in trasmissione e rimosso in ricezione, e serve a garantire la perfetta ortogonalità dei sottocanali. L inserimento del prefisso ciclico comporta uno spreco di risorse, diminuendo il bit-rate di un fattore N/(N + ν), trascurabile se N ν. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 40

Caratteristiche di un sistema ADSL Downstream Upstream Numero sottoportanti (M) 256 32 Lunghezza IFFT (N =2M) 512 64 Lunghezza prefisso ciclico 32 4 Symbol rate 4 kbaud Lunghezza simbolo 250 µs Campioni per simbolo 544 68 Sampling rate 2208 khz 276 khz Overhead di sincronismo 1 simbolo ogni 68 Separazione tra sottoportanti 4.3125 khz Massima larghezza di banda 20-1104 khz 20-138 khz Massimo traffico 6.8 Mb/s 800 kb/s c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 41

Analisi delle prestazioni (1) Su ciascun sottocanale si utilizza una modulazione QAM, la cui probabilità di errore èben approssimata da ( ) dout,i P e,i 4 Q 2σ i d OUT,i distanza minima tra i punti della costellazione all uscita dell i-esimo canale; σ i deviazione standard del rumore sull i-esimo canale; La distanza d OUT,i è legata a d IN,i attraverso la risposta dell i-esimo sottocanale: d 2 OUT,i = d2 IN,i H i 2 L energia media E i può essere approssimata per una costellazione QAM con: E i 2b i 1 d IN,i 6 c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 42

Analisi delle prestazioni (2) Si fissa la probabilità di errore uguale per ogni sottocanale: ( ) P e,i =2 10 7 dout,i (tipico) = 14.5 db (dai grafici della Q( )) 2σ i Si aggiunge un fattore di margine γ M e sottrae un fattore γ C di guadagno di codifica (coding gain) (valori tipici γ M = 6 db, γ C = 3 db): ) ( dout,i db 2σ i db =14.5 db + γ M γ C Sostituendo nelle equazioni precedenti si trova: ( dout,i 2σ i ) 2 = H i 2 E i 2σ 2 i Γ SNR gap (si assume indipendente da i) 3 2 b i 1 = SNR i 3 2 b i 1 =3Γ c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 43

Analisi delle prestazioni (3) Si ha allora: (3Γ) db =14.5 db + γ M γ C Γ db =9.8 db + γ M γ C Sfruttando la definizione di Γ, si ha: Γ=SNR i 1 2 b i 1 ( b i = log 2 1+ SNR ) i Γ Il numero totale di bit trasmessi per simbolo è: b = M i=1 b i = M i=1 ( log 2 1+ SNR ) i Γ c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 44

Confronto con Shannon Bit rate trasmesso: R B = b T = 1 T M i=1 ( log 2 1+ SNR ) i Γ Poichè 1/T è la spaziatura tra due toni consecutivi per M ed una fissata banda W si ha [ R B log 2 1+ SNR(f) ] df Γ La capacità di Shannon per un canale AWGN non ideale, di banda W,è: C = log 2 [1 + SNR(f)] df Questo giustifica il termine SNR gap adottato per Γ. W W c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 45

Calcolo del margine Numero di bit per simbolo: M M b = b i = i=1 i=1 ( log 2 1+ SNR ) ( i b = M log 2 1+ SNR ) Γ Γ SNR [ M SNR i ] 1/M (media geometrica dei SNR) i=1 Si ricava Γ Γ= SNR 2 b/m 1 Infine si ricava il margine γ M = 10 log 10 Γ+γ C 9.8 db c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 46

Un semplice algoritmo di bit loading 1. In base alla potenza disponibile, allocare preliminarmente l energia ai sottosimboli in maniera uniforme E i =(PT)/M. 2. Calcolare il rapporto segnale-rumore SNR i per ciascun sottocanale. 3. Calcolare il numero di bit che possono essere trasmessi su ciascun sottocanale con un dato margine ed un dato guadagno di codifica (ovvero, un dato Γ) come ( b i = log 2 1+ SNR ) i Γ 4. Per i sottocanali con b i < 0.5, porre E i =0e ridistribuire la loro energia uniformemente sugli altri sottocanali. 5. Ripetere i passi 2, 3, 4 un certo numero di volte. 6. Calcolare b = M i=1 b i e il massimo bit-rate R B = b/t. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 47

Algoritmi effettivi di bit loading L algoritmo visto è puramente esemplificativo, in quanto il numero di bit da allocare per ogni sottocanale è vincolato ad essere intero (granularità finita); Inoltre di solito l obiettivo è conseguire un determinato bit-rate complessivo con una prefissata energia a disposizione. Algoritmo di bit-loading di Chow. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 48

VDSL VDSL: Very high-speed Digital Subscriber Line Prevede due modi di operazione (FTTC): asimmetrico (classe I): applicazioni residenziali, velocità downstream 26 Mb/s e upstream 3 Mb/s, lunghezza collegamento 1 km max; simmetrico (classe II): applicazioni affari, velocità 26 Mb/s downstream/upstream, lunghezza collegamento 1.5 km max. Supporta pienamente ATM. In fase di standardizzazione da ANSI T1E1.4 (www.ansi.org) ed ETSI TM6 (www.etsi.org). Poichè la trasmissione avviene su linee molto più corte di ADSL, il progetto dei modem è molto semplificato. Anche VDSL non impegna la banda vocale per cui può coesistere con il sistema telefonico tradizionale. c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 49

VDSL: banda impegnata spettro POTS ISDN-BRI Banda di frequenza disponibile per VDSL 4 80-90 300 30000 f (khz) VDSL deve poter essere trasmesso sullo stesso cavo con altri servizi a banda stretta (POTS, ISDN) (tecnica di splitting) Inoltre VDSL deve essere compatibile con altri DSL eventualmente impiegati su doppini adiacenti appartenenti ad uno stesso cavo di distribuzione (altri VDSL, HDSL, ADSL, ISDN BRI, ISDN PRI, etc.) c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 50

Confronto tra le diverse tecniche xdsl Nome Significato Velocità Modalità Applicazione V.xx Voice Band Modem 1.2-56.6 kb/s Duplex Trasmissione dati DSL Digital Subscriber Line 160 kb/s Duplex ISDN, trasmissione voce e dati HDSL High data rate 1.544 Mb/s (2 UTP) Duplex T1/E1, PBX, WAN, LAN Digital Subscriber Line 2.048 Mb/s (2-3 UTP) SDSL Single line 1.544-2.048 Mb/s Duplex come HDSL, più Digital Subscriber Line accesso di utente ADSL Asymmetric 1.5-6 Mb/s Downstream accesso Internet, video Digital Subscriber Line 16-640 kb/s Upstream on demand, simplex video, accesso LAN, multimedia VDSL Very high data rate 26 Mb/s Downstream come ADSL, più HDTV Digital Subscriber Line 3-26 Mb/s Upstream c Giacinto Gelli Corso SEMA 1999 51