Podręcznik

Rozwój Internetu postawił zupełnie nowe zadania sieciom dostępowym – przesyłanie sygnałów szerokopasmowych. Aby do tego wykorzystywać istniejące sieci z parami miedzianymi trzeba było opracować systemy, które by to umożliwiały. Są to systemy oznaczane skrótem xDSL (x Digital Subscriber Line). Opracowano wiele różnych typów systemów, z których kilka znalazło praktyczne zastosowanie. Są to następujące systemy: 

• HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line), 
• SHDSL (Single pair High bit rate Digital Subscriber Line),
• SDSL (Symmetric single pair high bit rate Digital Subscriber Line),
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line),
• VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Line).

Każdy z wymienionych systemów występuje w kilku wariantach (typach). Zapewne najlepiej znane Czytelnikowi są systemy ADSL i VDSL. Mimo, że rola tych systemów jako rozwiązania dla warstwy dostępowej sukcesywnie maleje to wciąż liczba użytkowników tych systemów na świecie przekracza 100 milinów. 

Istota systemów ADSL i VDSL
Systemy  ADSL i VDSL działają według podobnych zasad. Jak wspomniano systemy ADSL i VDSL wykorzystują dostępne tory miedziane (jedna albo więcej par) używane wcześniej przez sieci telefoniczne. Parametry torów takie jak ich długość i tłumienie jednostkowe, a także zakłócenia mające różne źródła decydują o możliwym do wykorzystania paśmie, a przez to do możliwej do osiągniecia szybkości transmisji. Pasmo częstotliwościowe jest dzielone na pasma używane do transmisji w dół (downstream) i w górę (upstream). Pasma te najczęściej nie pokrywają się, chociaż w przypadku systemów ADSL pasmo w dół może częściowo pokrywać się z pasmem w górę. Na rysunku 3.4-6 pokazano podział pasma w zakresie częstotliwości używanym przez systemy ADSL, ADSL2+ i VDSL2.
 

Rys.3.4. Pasmo używane przez systemy ADSL

Rys. 3.5. Pasmo używane przez systemy ADSL2+

Rys. 3.6. Pasmo używane przez systemy VDSL2

Często, a w systemach ADSL zawsze pierwsze sześć podpasm elementarnych jest nieużywanych. Ewentualnie pierwsze podpasmo może być przeznaczone dla telefonii stacjonarnej. Całe pasmo, niezależnie od kierunku transmisji jest dzielone na podpasma elementarne (rys.3.7) o szerokości f₀ = 4,3125 kHz (ewentualnie 8,625 kHz w przypadku systemów VDSL2, tak zwanego profilu 30). Każdemu i-temu podpasmu elementarnemu odpowiada częstotliwość nośna f_i = if₀.

 Rys. 3.7. Podział na podpasma elementarne, X – podpasma elementarne nieużywane w systemach ADSL

W każdym podpaśmie stosuje się modulację QAM-N. Wartościowość modulacji (N) zastosowanej w danym podpaśmie jest zależna od stosunku mocy sygnału do mocy szumu w tym podpaśmie i nie może przekraczać wartościowości maksymalnej dla danego typu systemu. Maksymalna wartościowość  modulacji wynosi od 256 dla systemów ADSL do 32768 dla systemów ADSL2+ i VDSL2. Czasami w systemach xDSL używa się określenia wielowartościowa modulacja wielotonowa DMT (Discrete Multi-Tone). Mimo, że podpasmo elementarne f₀ ma szerokość 4,3125 kHz (albo 8,625 kHz) to efektywne pasmo f₀ jest nieco węższe i wynosi odpowiednio 4 kHz (8 kHz). Dlaczego tak jest wyjaśnimy nieco dalej.

Transmitowane dane - bity, których liczba $\mathrm{\Gamma}= log2 N$, w danym podpaśmie elementarnym zmieniają się z taktem 250 µs (4 kHz). Bity transmitowane łącznie  we wszystkich podpasmach danego kierunku transmisji tworzą ramki o czasie trwania 250 µs. Liczba bitów wchodzących w skład ramki jest stała i  zawsze równa wielokrotności 8 i nie zmienia się tak długo jak długo trwa połączenie. Jako przykład obliczmy maksymalną możliwą do uzyskania szybkość transmisji w systemach ADSL z podziałem FDM pasma. W tym przypadku N=256, a $\mathrm{\Gamma}=8$ bitów. Podpasmo w górę ma szerokość 107,8125 kHz i obejmuje 25 podpasm elementarnych (107,8125/4,3125), a pasmo w dół 225 podpasm elementarnych (970,3125/4,3125). Stąd maksymalne szybkości transmisji w tym rodzaju systemów ADSL wynoszą odpowiednio: 800 kb/s (25x8x4000 b/s) w górę i 7200 kb/s (225x8x4000 b/s) w dół.  Użycie szerszego pasma i większej wartościowości modulacji QAM, jak ma to miejsce w przypadku systemów ADSL2+ i VDSL2 znacznie zwiększa możliwe do osiągniecia szybkości transmisji. Oczywiście tak może być tylko wtedy, gdy parametry używanej linii abonenckiej na to pozwalają.  Możliwą do uzyskania szybkość transmisji p dla danej linii abonenckiej można wyrazić następującą zależnością:

 gdzie I – liczba używanych podpasm elementarnych, Γi – liczba bitów na częstotliwość nośną w tym podpaśmie.
Z kolei liczba bitów na nośną $\mathrm{\Gamma}_i$w podpaśmie wynosi:

\mathrm{\Gamma}_i={\mathrm{log}}_\mathrm{2}(1+\frac{S_i}{{No}_i+M})
gdzie: S_i – moc sygnału użytecznego, : N_oi – moc sygnałów zakłócających w i –tym  podpaśmie, M – przyjęty margines szumu.
Zwiększanie szybkości transmisji jest możliwe tylko poprzez zwiększanie liczby używanych podpasm, zwiększanie mocy sygnału użytecznego, lub minimalizację zakłóceń. Zwiększanie mocy sygnału jest ograniczone, gdyż może powodować zakłócanie (przeniki) sygnałów przesyłanych w innych liniach tego samego kabla.  Z kolei rozszerzanie używanego pasma jest możliwe tylko wtedy, gdy linia jest odpowiednio krótka, gdyż przy wzroście długości linii rośnie tłumienie sygnału i wzrasta moc sygnałów zakłócających.  W systemach ADSL i VDSL2 stosuje się specjalne zabiegi by minimalizować negatywny wpływ zakłóceń na możliwą do osiągnięcia szybkość transmisji.
Zakłócenia sygnałów przesyłanych w danym podpaśmie mogą mieć różne źródła. Można je podzielić na dwie grupy: zakłócenia zewnętrzne i zakłócenia wewnętrzne. Sieci elektroenergetyczne, nadajniki radiowe itp. w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej  mogą zakłócać sygnały przesyłane w kablu telekomunikacyjnym, w tym sygnały xDSL. Są to zakłócenia zewnętrzne. Walka z tego rodzaju zakłóceniami sprowadza się do odpowiedniego prowadzenia kabli, uziemiania i symetryzacji linii abonenckiej.  Często nie mamy na nie większego wpływu. Zakłócenia wewnętrzne mają źródło w sygnałach xDSL przesyłanych w innych liniach abonenckich tego samego kabla (przeniki FEXT i NEXT) lub mogą pochodzić z sąsiednich podpasm sygnałów danej linii (interferencje międzysymbolowe). Do grupy zakłóceń wewnętrznych zalicza się też szumy termiczne, na które nie mamy żadnego wpływu.    
W systemach ADSL i VDSL zastosowano specjalne zabiegi by zminimalizować wpływ zakłóceń wewnętrznych. Interferencje międzysymbolowe mają źródło w zjawisku dyspersji. Nadawane kolejne ramki składają się z sygnałów sinusoidalnych o różnych amplitudach, fazach i częstotliwościach nośnych. Szybkość propagowania sygnałów sinusoidalnych zależy od ich częstotliwości. Składowe o najmniejszych częstotliwościach w stosunku do składowych o największych częstotliwościach po przebyciu odcinka o długości 1 km są opóźnione o około 1 ms. Aby zapobiec nakładaniu składowych z ramki (symbolu) poprzedzającej i następującej po danej ramce nie wprowadza się przerwy (brak nadawania) między ramkami, ale wprowadza się tak zwany prefiks, dzięki czemu zapewniona jest ortogonalność składowych sinusoidalnych danej ramki. Nie wnikając w szczegółowy dowód matematyczny (Czytelnik może go znaleźć w literaturze [x]) ograniczmy się tylko do stwierdzenia, że skopiowanie „końcówki” ramki na jej początek. Takie dodanie „kawałka” ramki skutkowałoby  zwiększeniem jej czasu trwania ponad 250 µs. Aby tak nie było przed dodaniem prefiksu ramkę „ściska” się robiąc w ten sposób dodatkowe miejsce na prefiks. ”Ściśnięcie” ramki skutkuje zwiększeniem częstotliwości sygnałów składowych. Dlatego pasmo elementarne wynosi 4,3125 kHz, a pasmo efektywne tylko 4 kHz. Mechanizm prefiksu jest sosowany we wszystkich systemach ADSL i VDSL.
Z kolei mechanizm oparty na sufiksie jest używany tylko w systemach ADSL2+ i VDSL2. Ma on zapobiegać negatywnemu wpływowi przeników zbliżnych z sąsiednich linii tego samego kabla. Polega on dla odmiany na kopiowaniu „kawałka” początku ramki (przed wstawieniem prefiksu) na jej koniec. Dzięki temu  można zapewnić ortogonalność sygnału przenikającego i sygnału transmitowanego w danej linii, pod warunkiem, że wszystkie urządzenia pracujące na liniach kabla mają zsynchronizowanie zegary taktujące oraz rozpoczynają nadawanie ramek w tym samym momencie. Stosowanie równoczesne prefiksu i sufiksu musi skutkować wzrostem pasma elementarnego do takiej samej wartości jak w przypadku używania jedynie sufiksu, to jest do 4,3125 kHz. 
W systemach VDSL2 jest też możliwość minimalizowana negatywnych skutków przeników zdalnych (FEXT) pochodzących z wielu linii tego samego kabla. Mechanizm temu służący jest nazywany wektoringiem (vectoring). Nie wnikając w dokładną analizę tego mechanizmu, bo wykracza ona poza ramy niniejszego podręcznika ideę mechanizmu można przedstawić w uproszczony sposób. Przeniki zdalne wpływające na transmisję w danej linii pochodzą z pozostałych linii tego samego kabla. W fazie uruchamiania połączenia poziom tych przeników jest szacowany, a w fazie użytkowania od przesyłanego sygnału w danej linii odejmuje się szacowany poziom przeników zdalnych pochodzących z pozostałych linii. 
Możliwą do osiągnięcia szybkość transmisji w systemach ADSL2+ i VDSL2 można dodatkowo zwiększyć używając nie jednej a kilku par miedzianych.