Sistemi di Telecomunicazione Parte 4: Tecnologie xdsl Universita Politecnica delle Marche A.A. 2013-2014 A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 1/39
Tecnologie xdsl di nuova generazione Le tecniche xdsl si suddividono in tre grandi famiglie: A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 2/39
Topologia di rete A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 3/39
Schema a blocchi generale del sistema ADSL La banda del doppino e molto maggiore dei circa 4 khz utilizzati per la trasmissione vocale. Per sfruttare appieno tale banda bisogna utilizzare una coppia di modem, sia dal lato utente che da quello rete. Lo scopo generale dell impiego dell ADSL e di collegare la rete numerica ad alta velocita con i terminali applicativi di utente, impiegando il doppino telefonico. Per quanto riguarda i segnali trasportati, la normativa fa riferimento a due tipi di segnale: ATM (Asynchronous Transfer Mode) o STM (Synchronous Transfer Mode), a seconda di come sono multiplati i canali dati trasportati. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 4/39
Modulazioni DMT e CAP Modulazione DMT: Discrete Multi Tone Modulazione CAP: Carrierless Amplitude/Phase Modulation Il rice-trasmettitore ADSL applica un tipo di modulazione che consente di ridurre la symbol-rate trasmessa in linea, ed inoltre consente di rispettare determinate maschere per lo spettro del segnale. I metodi impiegati per la modulazione sono basati sul principio del QAM e si distinguono in due tipi fondamentali: Modulazione DMT (Discrete Multi Tone) e Modulazione CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation). Il primo tipo e quello quasi esclusivamente usato da tutti i costruttori; pochi costruttori sostengono il CAP per ADSL. Dal punto di vista della trattazione matematica il primo sistema da piu enfasi alla rappresentazione nel dominio della frequanza, il secondo al dominio del tempo. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 5/39
Carrierless Amplitude/Phase Modulation La modulazione Carrierless Amplitude Phase (CAP) e una tecnica che suddivide il segnale in due bande distinte: Il canale dati upstream (verso il service provider), trasportato nella banda tra 25 e 160 khz Il canale dati downstream (verso l utente), trasportato nella banda da 200 khz a 1.1MHz Questi canali sono ampiamente separati, in modo da minimizzare il rischio di interferenza tra i canali medesimi. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 6/39
Discrete Multi Tone Modulation La modulazione Discrete Multi Tone Modulation (DMT) e una tecnica che suddivide il segnale DSL in modo tale che l intervallo di frequenze utilizzabile risulta separato in 256 canali (o sotto-portanti), ciascuno di larghezza 4.3125 khz La DMT puo usare le diverse sotto-portanti (chiamate anche frequency bins), in downstream e in upstream Le prime sei portanti sono lasciate libere, per separare adeguatamente la modulazione DMT di ADSL, dal segnale fonico in banda base (da 0 a 4 KHz), percio 26 KHz e considerato il punto di partenza per l ADSL. Lo spettro e suddiviso in 32 portanti, per il segnale da modem d utente verso il modem di centrale (upstream), 218 portanti nel verso opposto (downstream) La DMT regola costantemente i segnali tra canali differenti per assicurare che siano utilizzati in trasmissione e ricezione i migliori canali A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 7/39
La tecnica di modulazione DMT - I DMT e una tecnica trasmissiva numerica del tipo multiportante. Le tecniche multiportante sono basate sul principio di suddividere la banda disponibile del canale trasmissivo in un certo numero di sottobande, e di utilizzare ciascun sottocanale cosi 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 e praticamente costante per cui non e necessario l impiego di equalizzatori di canale in ricezione L assegnazione della capacita di trasmissione di ogni sottocanale e 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 e in effetti completamente numerica grazie all ausilio delle tecniche di trasformata veloce di Fourier (FFT). A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 8/39
La tecnica di modulazione DMT - II A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 9/39
Adattamento delle portanti DMT Il vantaggio della tecnica DMT e quello di poter adattare lo spettro del segnale alla risposta del canale. Se ad esempio e presente un Bridged Tap che crea un notch alla frequenza f x, quella frequenza non verra utilizzata. Allo stesso modo, se in una porzione di banda sono presenti disturbi, quella porzione non verra utilizzata e le informazioni verranno concentrate sul resto della banda disponibile, dove la qualita della trasmissione e migliore. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 10/39
Caratteristiche del DMT usato per ADSL - I Il codice di linea Discrete Multi Tone e basato su uno schema di modulazione multiportante in cui la banda di trasmissione e 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 e sufficientemente piccola in modo da permettere un impiego quasi ottimo della capacita del canale compatibilmente con valori accettabili di complessita e di ritardo; realizzazione completamente numerica della mo/demodulazione tramite algoritmi di trasformata veloce inversa (IFFT) e diretta (FFT) di Fourier; livello nominale uniforme, della densita spettrale di potenza trasmessa, pari a -40 dbm/hz in downstream e -38 dbm/hz in upstream; distribuzione della capacita di trasporto del sistema non uniforme nelle sottoportanti, in funzione delle specifiche condizioni di rapporto segnale rumore nella banda di ciascuna sottoportante. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 11/39
Caratteristiche del DMT usato per ADSL - II A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 12/39
Spettro del segnale ADSL di Categoria 1 La specifica definisce due modalita 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. Il segnale upstream e posizionato a partire da un valore di frequenza (26 KHz) tale da lasciare una appropriata banda di guardia in via cautelativa per non interferire con il segnale POTS (Plain Old Telephon Service). Piu precisamente, i primi 6 toni non sono utilizzati perche interferirebbero con la banda fonica (6 portanti x 4,3125 KHz = 25,875). A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 13/39
Spettro del segnale ADSL di Categoria 2 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 puo cosi utilizzare tutti i toni disponibili, tranne i primi sei non utilizzati in entrambe le categorie, perche interferirebbero con la banda fonica (6 portanti x 4,3125 KHz = 25,875 khz). Arrivando ad usare anche le sotto-portanti a frequenza piu bassa, nel downstream si puo sfruttare la minore attenuazione del doppino alla frequenze inferiori. Il sistema di categoria 2 presenta generalmente migliori prestazioni di capacita in funzione della portata (o viceversa), soprattutto nel caso di impiego di velocita di cifra elevate. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 14/39
Spettro del segnale ADSL di Categoria 1 e 2: confronto A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 15/39
Richiami alla modulazione QAM - I La modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e un tipo di modulazione in cui la definizione del simbolo trasmesso e determinata sia da variazioni di ampiezza che da variazioni di fase della portante. La QAM e fondamentalmente una modulazione multilivello quadrifase che esibisce la tipica costellazione in cui i livelli modulanti sono distribuiti nei punti d incrocio di una rete ortogonale. La diversa distanza di punti dal centro del diagramma denota una modulazione d ampiezza del vettore portante, la cui posizione angolare dipende anche dalla modulazione PSK impartita sulle due sottoportanti in quadratura. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 16/39
Richiami alla modulazione QAM - II Nell esempio di 16QAM, la conversione serie parallelo trasforma il Bit Stream in 4 segnali sincroni di durata quadrupla; con cio l ingombro della banda viene ridotto di 4 volte rispetto ad un sistema bifase di pari capacita. Esaminando separatamente i percorsi delle due vie I e Q, e immediato osservare che il vettore uscente dal moltiplicatore presenta 4 possibili situazioni di ampiezza e 4 possibili situazioni di fase. L operazione di somma dei due vettori cosi modulati, equivale ad esaminarne la componente vettoriale quando essi sono riportati su un piano cartesiano comune ad entrambi. Le coppie di coordinate definite da tutte le possibili configurazioni dei due vettori determinano la costellazione della modulazione, che indica gli stati discreti che la portante puo assumere in un arbitrario tempo di clock. Dal punto di vista analitico, l equazione dell onda modulata QAM presenta la somma di due termini, rispettivamente in seno ed in coseno, indicatori dell ortogonalita delle due sottoportanti, ciascuno modulato in ampiezza da un segnale logico rispettivamente m I ed m Q : s(t) = A I m I senw 0 t + A Q m Q cosw 0 t A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 17/39
Principio della modulazione multiportante La realizzazione del modem DMT e effettuata mediante l applicazione di alcuni principi della elaborazione numerica del segnali. Il piu importante di questi aspetti riguarda la realizzazione completamente numerica del banco di modulatori QAM mediante tecniche di trasformata inversa di Fourier. E possibile dimostrare che la sequenza ottenuta campionando il segnale in uscita da un banco di N modulatori QASK (Quadrature Amplitude Shift Keying) e uguale alla sequenza di valori in uscita di una elaborazione realizzata mediante un algoritmo IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) a 2N punti. La modulazione QASK e un caso particolare di modulazione QAM in cui la forma d onda associata ai simboli e un impulso rettangolare. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 18/39
Costruzione della costellazione DMT - I Il flusso di bit alla velocita di R bit/s in ingresso del modulatore DMT, e suddiviso in blocchi di b = RT bit, dove T rappresenta il periodo di simbolo del sistema DMT. Il blocco di bit b e suddiviso a sua volta in N sottoblocchi b i (i = 0, 1,..., N 1) tali che la sommatoria di b i, ognuno dei quali puo avere un numero diverso di bit, e uguale a b. A ciascun sottoblocco b i si associa un valore Z i che rappresenta un punto della costellazione determinato dalla modulazione QAM (di fatto una QASK) della 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 e di 4,3125 khz; ogni vettore FFT (simbolo DMT) ha una durata T pari a 250 µs ed e costituito da 512 campioni trasmessi sul canale con una frequenza di campionamento minima (nel verso downstream) di 2208 khz. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 19/39
Costruzione della costellazione DMT - II A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 20/39
Costruzione della costellazione DMT - III A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 21/39
Caratteristiche di un sistema ADSL A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 22/39
IDFT: Inverse Discrete Fourier Trasform - I La funzione IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) e l algoritmo numerico che viene applicato per inviare in linea un segnale che equivale ad un insieme di N portanti modulate ciascuna in QAM. A ciascun sottoblocco si associa un valore complesso Z i = (X i, Y i ), complesso in quanto si tratta di modulazione di ampiezza e fase, che determina la posizione del vettore della sottoportante sul piano della costellazione QAM. Tali vettori Z i sono solo una rappresentazione teorica del segnale DMT poiche il modulatore QAM viene realizzato mediante tecniche completamente numeriche (IDFT). Se in ingresso si hanno N=256 (caso Downstream) simboli per ciascun blocco di bit in cui sono stati suddivisi i dati in ingresso (corrispondenti al numero di sottoportanti), in uscita del blocco IDFT si avranno 2N=512 coefficienti reali X k. Secondo la rappresentazione con i numeri complessi, la somma S(N) di N portanti modulate in ampiezza e fase puo essere rappresentata dalla espressione di sommatoria delle Z i con la notazione esponenziale. La modulazione ottenuta mediante IDFT definisce la relazione tra i 2N valori reali X k ed i valori complessi Z i. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 23/39
IDFT: Inverse Discrete Fourier Trasform - II A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 24/39
Analisi Tempo/Frequenza DMT A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 25/39
Allocazione dinamica della velocita di cifra - I A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 26/39
Allocazione dinamica della velocita di cifra - II Per assicurare le prestazioni nominali di un sistema DMT anche nelle condizioni di disequalizzazione del portante occorre analizzare, nella fase iniziale di training del sistema, le condizioni della qualita del canale su ogni sottoportante. La stima del rapporto segnale rumore, S/N R (Signal to Noise Ratio), permette di distribuire in maniera opportuna il numero di bit su ogni sottoportante. Puo 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 e dato dalla formula: b i = log 2 [1 + (S/N i /(9, 8 + Em db )] dove il termine E m rappresenta il margine prefissato per il rapporto segnale rumore rispetto alle condizioni nominali di tasso di errore di 1 10 7. Il grafico riporta il profilo del rapporto SNR sul canale e la distribuzione dei bit su ciascuna sottoportante utilizzata. Tale distribuzione e relativa ad 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 e interessato da un rumore gaussiano composto da componenti di diafonia causate da sistemi HDSL e DSL coesistenti nello stesso cavo. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 27/39
Bit loading Il vantaggio della modulazione multiportante DMT e quello di poter adattare la distribuzione dei bit sulle diverse bande caratteristiche del canale (bit loading). La procedura e iniziata dall ATU-C (il collegamento downstream e il piu 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 velocita ) 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 e un grosso punto di forza della modulazione DMT data l estrema variabilita delle caratteristiche del local loop. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 28/39
Schema a blocchi del modulatore DMT La sequenza di bit di ingresso viene suddivisa in blocchi di durata pari al periodo di simbolo T (= 250 µs): ogni blocco avra quindi RT bit, se R = bitrate di ingresso. Ogni blocco di RT bit viene a sua volta suddiviso in N sottoblocchi, se N e il numero di sottoportanti. A ciascun sottoblocco si associa un valore complesso Z i = (X i, Y i ) che rappresenta un punto della costellazione QAM. Se in ingresso si hanno N=256 simboli per ciascun blocco di bit (corrispondente al numero di sottoportanti), in uscita del blocco IDFT si avranno 2N=512 coefficienti reali. Ciacuna delle 256 portanti e modulata con una banda di 4,3125 Khz. L efficienza di modulazione massima e di 14-15 bit/hz. I simboli del Prefisso Ciclico vengono trasmessi in testa a ciscun blocco di bit, per facilitare le operazioni di equalizzazione del canale: essi occupano circa il 6% della banda. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 29/39
Schema a blocchi del demodulatore DMT A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 30/39
Modello di riferimento del trasmettitore - I Nello schema a blocchi di un trasmettitore ADSL possono essere individuati due distinti blocchi funzionali: il primo effettua una codifica mirata alla protezione del flusso informativo; il secondo effettua la modulazione del segnale da trasmettere. Inoltre, all ingresso del trasmettitore down-stream, posto in Centrale, viene posto un MUX, che aggrega i vari segnali da trasmettere. Nella descrizione dei blocchi si fara riferimento alle principali funzioni del trasmettitore ADSL di tipo DMT. I segnali in ingresso del blocco di protezione vengono multiplati in modo da formare due flussi informativi, denominati fast data e interleaved data. Il primo e utilizzato per garantire minimi ritardi a costo di maggiori errori di trasmissione (un esempio puo essere il segnale vocale o di una videoconferenza). Viceversa il flusso interleaved data puo tollerare ritardi di trasmissione maggiori ma deve offrire una protezione contro i disturbi di trasmissione (un esempio puo essere il trasferimento di dati). La protezione dei flussi informativi va effettuata mediante un codice a ridondanza ciclica (CRC), uno scrambler ed un codice per correggere eventuali errori (FEC) per il flusso fast data, mentre per il flusso interleaved e previsto anche un interleaver. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 31/39
Modello di riferimento del trasmettitore - II Tone ordering: e un blocco funzionale, che fa parte del modulatore DMT e provvede a far in modo che venga limitato il picco dell inviluppo delle portanti, assegnando opportunamente i bit a ciascuna sottoportante. Costellation Encoder & Gain Scaling: per una determinata sotto-portante, il codificatore provvede a selezionare un punto della costellazione QAM della sotto-portante stessa, a cui viene associato il simbolo da trasmettere: come opzione, la codifica della costellazione puo essere fatta con Trellis code (TCM). La variazione del guadagno con un fattore di scala avviene per ciascuna portante in seguito a comando proveniente dal terminale ATU-R. IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform): e l algoritmo numerico che viene applicato per creare un segnale che equivale ad inviare in linea un insieme di N portanti modulate ciascuna in QAM. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 32/39
ADSL2: la tecnologia L ADSL2 consente di raggiungere velocita di trasferimento dati di circa 12 Mbps in downstream e 1 Mbps in upstream, l effettivo raggiungimento di tali velocita dipende molto dalla distanza dell utente dalla centrale telefonica e da altri fattori (es. qualita della linea telefonica). Grazie ad una migliorata efficienza della modulazione e ad altri accorgimenti, l ADSL2 fornisce delle prestazioni superiori con tutti i dispositivi che supportano lo standard rispetto alla standard ADSL. Per esempio, nelle linee telefoniche che piu distano dalla centrale, l ADSL2 fa registrare un aumento di velocita fino a 50 Kbps in downstream e upstream. Un altro grande miglioramento e legato al risparmio di energia. I transceiver ADSL di prima generazione operano infatti in modalita full-power in ogni momento, anche quando sono inutilizzati. Considerando l alto numero di modem ADSL in circolazione, sarebbe possibile risparmiare una quantita considerevole di energia se i modem ADSL potessero entrare in modalita stand-by/sleep, come succede per i computer. Per venire incontro a questo problema, lo standard ADSL2 ha introdotto due modalita di gestione dell energia che aiutano a ridurre il consumo totale di corrente elettrica, pur mantenendo la caratteristica funzionalita always on lato utente. Lo standard ADSL2plus (o ADSL2+) raddoppia la banda utilizzata per la trasmissione di dati in downstream, raggiungendo velocita teoriche fino a 25Mbps. A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 33/39
ADSL2+ Con ADSL2+ si raddoppia la frequenza massima utilizzata per la trasmissione dei dati, da 1.1 a 2.2 MHz, questo consente di poter modulare piu informazioni nella stessa unita di tempo, quindi di portare un flusso dati di 25 Mbps su cavo telefonico. In questo caso bisogna fare ancor piu attenzione alle distanze. Infatti una buona resa di questa tecnologia e assicurata per poche centinaia di metri (1,5-2 Km). A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 34/39
Tecnologie xdsl: prestazioni e distanze A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 35/39
ADSL2/+ e VDSL - I A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 36/39
ADSL2/+ e VDSL - II A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 37/39
Configurazione VDSL A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 38/39
Confronto tra le tecnologie xdsl A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 39/39