Лекции по Основам построения современных систем и сетей абонентского доступа   

3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских линий

Одним из путей решения проблем доступа отдельного абонента к сетям связи различного назначения в последние годы стала технология цифровых абонентских линий (Digital Subscriber Line, DSL). Термин цифровая абонентская линия (ЦАЛ) впервые появился в спецификациях цифровой сети с интеграцией служб [7]. В начале 80-х годов прошлого века этим термином обозначалась АЛ для дуплексной цифровой передачи данных со скоростью 160 кбит/с между сетевым окончанием и АТС при реализации основного абонентского доступа в узкополосной ЦСИС.

В настоящее время термином DSL обозначается технология (набор протоколов физического уровня ЭМВОС) высокоскоростной ПД по физическим линиям (медным парам, многопарным кабелям связи и т. п.). Сущность современной технологии DSL уже вышла за рамки русскоязычного термина ЦАЛ. Линия, определяемая как DSL, может являться не только абонентской, но и соединительной линией между различными источниками и потребителями цифрового трафика [8]. Оборудованием, на основе которого строится DSL, могут быть устройства ЦСИС (NT и LT), модемы для физических линий, линейные цифровые адаптеры (например CSU/DSU) и др.

3.1. Общая характеристика и классификация технологийцифровых абонентских линий

Главная задача, поставленная разработчиками при создании технологии DSL, заключалась в максимальном расширении полосы пропускания медных телефонных пар, имеющихся в большом количестве в абонентских окончаниях СТфОП [6]. В отличие от модемов, предоставляющих абоненту только полосу частот КТЧ (0,3–3,4 кГц), технологии DSL обеспечивают использование всей полосы пропускания АЛ (как правило, до 420–500 кГц), а уже в узле доступа нагрузка распределяется коммутационными системами СТфОП и СПД и далее передается по соответствующим типовыми каналам и трактам.

Общая структура организации доступа на основе ЦАЛ представлена на рисунке 3.1 [22].

Рис. 3.1. Общая структура организации доступа на основе технологии ЦАЛ

В сети доступа DSL предусмотрены следующие узлы: устройство объединения речевых сигналов и потоков данных в абонентской установке пользователя – DSL модемы; устройства частотного разделения сигналов – DSL разделители (POTS Splitter); устройства концентрации нагрузки и взаимодействия с СПД – DSL мультиплексоры доступа (DSL Access Module, DSLAM).

Все перечисленные узлы могут быть реализованы в виде автономных технических средств или встраиваемых плат. DSL модем (с встроенным разделителем или без) часто называют абонентским полукомплектом ЦАЛ. Соответствующие ему приемопередатчик и порт мультиплексора доступа DSL при этом играют роль станционного полукомплекта ЦАЛ.

Абонентский и станционный полукомплекты, а также физическая цепь между ними образуют систему передачи цифровой абонентской линии [2, 6, 22].

Основная задача ЦАЛ – обеспечение эффективного использования полосы пропускания АЛ в ходе предоставления услуг, запрашиваемых абонентом. Она решается за счет применения специальных методов кодирования (модуляции) сигналов речи и данных. В устройствах современных ЦАЛ распространение получили либо схемы модуляции, в которых передача сигнала осуществляется в полосе модулирующих частот (например кодом 2B1Q), либо схемы, предусматривающие перенос сигнала в более высокий диапазон.

В последнем случае реализуется один из двух подходов:

перенос сигнала одной поднесущей (в общем случае ее синфазной и квадратурной составляющими) – последовательная передача (например КАМ);

перенос сигнала несколькими поднесущимипараллельная передача на основе дискретной многочастотной модуляции (Discrete Multitone Modulation, DMT).

Здесь следует заметить, что при наличии у абонента АТА на DSL модем может возлагаться задача аналого-цифрового преобразования речевого сигнала. В ряде реализаций DSL сигнал от АТА передается в аналоговом виде в полосе 0,3–3,4 кГц до АТС, а для передачи данных выделяется надтональная область (выше 4 кГц) полосы пропускания АЛ. В таких системах частотный разделитель включается в состав обоих полукомплектов ЦАЛ.

Основная задача DSLAM разделить принятый трафик на речевые и неречевые сигналы и передать их на соответствующие коммута-ционные системы.

Как правило, мультиплексор DSL концентрирует нагрузку от всех ЦАЛ, подключенных к данному узлу доступа, а станционные полукомплекты содержат ЦАП. В этом случае и при полностью аналоговом телефонном тракте речевые сигналы с выхода DSLAM коммутируются на аналоговые входы АТС.

Пользовательские данные мультиплексором доступа DSL направляются в соответствующую СПД. Практически все современные DSLAM оснащаются средствами коммутации протоколов Ethernet 10Base-T, что позволяет использовать на узлах доступа типовые цифровые концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы [6]. Современной тенденцией является оснащение мультиплексоров доступа DSL интерфейсами АТМ, что позволяет напрямую подключать их к современным мультисервисным телекоммуникационным сетям. Все это определяет высокую сложность и значительную стоимость DSLAM.

Таким образом, эффективное использование полосы пропускания АЛ достигается путем организации некоммутируемых трактов передачи речевых и/или неречевых данных на основе применения современных методов модуляции и линейного кодирования. Маршрутизация телефонных сообщений и данных осуществляется коммутационными системами соответствующих специализированных сетей (ССОП и СПД).

В рамках технологии DSL была разработана целая совокупность частных технологий ПД по физическим линиям. Для их дефиниции принято обозначение xDSL, где вместо индекса "x" подставляются различные латинские буквы, кратко характеризующие отличия данной технологии ЦАЛ от всех остальных. Основными классифика-ционными признаками технологий xDSL являются [22]:

скорость передачи информации;

допустимая дальность связи;

симметричность трафика.

Последняя характеристика, как и в модемной связи, отражает соотношение скоростей цифровых потоков в направлениях передачи к сети и пользователю.

К настоящему времени к ЦАЛ относят рассмотренные ниже системы передачи дискретной информации по физическим линиям.

1. HDSL (High Bit-Rate DSL) высокоскоростная ЦАЛ (ВЦАЛ). Это первая реализация xDSL, получившая широкое применение в ССОП. Технология HDSL предусматривает организацию симметричной линии цифровой ПД и речи по трем, двум или одной витым парам медных проводов.

В отличие от линий ИКМ, где пары проводов закрепляются за направлениями передачи и приема, ВЦАЛ осуществляют двухстороннюю передачу сигналов по каждой паре проводов, но с меньшей скоростью. Так, в шестипроводной ВЦАЛ по каждой паре данные передаются со скоростью 784 кбит/с. Такое решение обеспечивает передачу данных со скоростью 2,048 Мбит/с по трем парам проводов без регенерации на расстояние до 4,5 км, по двум парам проводов на расстояние 3,5 км. Для сравнения: 4-проводная ИКМ-30 имеет участок безрегенерационной передачи не более 2 км.

4-проводные ВЦАЛ широко внедряются в современные сети связи для организации первичного доступа к ЦСИС, а также в качестве соединительных линий различного назначения, например между УАТС и АТС (рис. 3.2, а), пользователями и сервером Internet, локальными сетями центрального офиса и филиала (рис. 3.2, б) и т. п.

В типовых образцах ВЦАЛ используются либо линейное 1B2Q кодирование цифрового потока, либо двухуровневая амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) с подавлением несущей (Carrierless Amplitude/Phase Modulation, CAP). В более поздних версиях ВЦАЛ применяются многоуровневая АИМ (Pulse Amplitude Modulated, PAM) и дискретная многочастотная модуляция (ДММ), обеспечивающие большую помехозащищенность ПД.

Системы с ДММ являются ВЦАЛ второго поколения (ВЦАЛ-2, HDSL II), позволяющими передавать цифровые сигналы по одной паре проводов со скоростью 2,048 Мбит/с без регенерации на расстояние порядка 3 км. Новые образцы оборудования ВЦАЛ-2 обеспечивают безрегенерационную ПД (2,048 Мбит/с) на дальность от 5 км (для провода сечением 0,5 мм) до 18 км (1,2 мм).

Таким образом, технология HDSL является перспективной быстро развивающейся технологией абонентского доступа, составляющей альтернативу линиям связи с ПЦИ (ИКМ).

Рис. 3.2. Варианты использования технологии HDSL:

а – организация доступа аналоговой УАТС к ЦАТС;

б – организация доступа удаленной ЛВС к серверу 

2. SDSL (Single Line DSL) однолинейная ЦАЛ (ОЦАЛ). Технология однолинейная ЦАЛ обеспечивает симметричную ПД со скоростью до 2,048 Мбит/с по одной паре медных проводов на расстояние до 2 км. Данная технология зародилась раньше ВЦАЛ и в определенном смысле является предшественницей технологии HDSL II.

Системы ОЦАЛ применяются в настоящее время для организации нескольких телефонных трактов (до 8) по одной 2-проводной АЛ. Основным недостатком ОЦАЛ считается ограниченная дальность связи и невозможность использования на ней регенераторов.

3. SHDSL (Symmetric High Bit-Rate DSL) симметричная высокоскоростная ЦАЛ (СВС ЦАЛ). Это один из самых последних стандартов ПД, являющийся развитием ВЦАЛ.

Система СВС ЦАЛ способна поддерживать скорость цифрового потока до 2,3 Мбит/с по витой паре и до 4,6 Мбит/с по 4-проводной линии. Возможность применения регенераторов позволяет организовать СВС ЦАЛ протяженностью до 18,5 км при длине регенерационной секции в 3 км. Технология симметричной высокоскоростной ЦАЛ и используемый в ней способ кодирования – многоуровневая АИМ с применением корректирующего решетчатого кода (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation, TC-PAM) – выбраны МСЭ в качестве основных стандартов для высокоскоростной ПД по медной паре.

4. IDSL (ISDN DSL) цифровая абонентская линия ЦСИС.

Технология IDSL обеспечивает полностью дуплексную симметричную ПД на скорости в 144 кбит/с (общая скорость цифрового потока 160 кбит/с).

Скорость передачи в АЛ составляет 80 кбит/с, так как используется линейный код 1B2Q. В отличие от абонентской линии основного доступа ЦСИС линия IDSL является некоммутируемой. Кроме того, линия IDSL не поддерживает протоколов активизации и является постоянно (always on) включенной (как и любая линия, организованная с применением технологии xDSL), в то время как в BRI ЦСИС требуется установление соединения.

IDSL может использоваться для организации основного доступа в ЦСИС по витой паре длиной до 3 км. Однако при этом абоненты теряют возможность иметь полный набор услуг ЦСИС, в том числе ряд ДВО.

5. ADSL (Asymmetric DSL) асимметричная ЦАЛ (АЦАЛ). Уже из названия следует, что технология является асимметричной, то есть скорость ПД от сети к пользователю значительно выше, чем в обратном направлении.

Данная технология рассчитана на абонентов, работающих в режиме "запрос" – "получение данных", например для организации доступа в сеть Internet (рис. 3.2, б), к ЛВС, базам данных (БД) и т. п. В этой технологии используются преимущества некоммутируемой передачи данных: АЦАЛ постоянно подключена и исключает необходимость установления соединения. Следовательно, ее применение минимизирует затраты времени на организацию процесса получения данных, что особенно важно при запросе платных услуг в СПД (например Internet).

Особенностью АЦАЛ является аналоговая передача речевых сигналов и ПД в надтональной области полосы пропускания АЛ. В связи с этим абонентский и станционный полукомплекты содержат частотные разделители (согласованные пары ФНЧ-ФВЧ с частотой среза 4 кГц). Достоинством такой организации ЦАЛ является сохранение телефонного тракта даже в случае отказа устройств ПД, так как питание АТА в этом случае может осуществляться от АТС.

Современные системы АЦАЛ способны поддерживать скорость ПД от пользователя к сети от 128 кбит/с до 1,5 Мбит/с, а в обратном направлении от 384 кбит/с до 7,1 Мбит/с (рис. 3.3). Это делает возможным предоставление пользователям различных мультимедийных услуг ("Видео по требованию" и др.). Длина АЦАЛ (медной пары с сечением провода не менее 0,5 мм) может достигать 5,5 км.

Для поддержания таких высоких показателей качества функционирования разработчиками технологии были предъявлены очень жесткие требования к параметрам технических средств ЦАЛ. Кроме того, для обеспечения столь высокой скорости ПД в АЦАЛ впервые применена ДММ c 256 несущими (DMT-256). Все это обусловило сложность, и, следовательно, значительную стоимость оборудования АЦАЛ, что ограничило распространение этой технологии среди индивидуальных пользователей ССОП.

6. UADSL (Universal ADSL) универсальная асинхронная ЦАЛ (УА ЦАЛ). Данная технология есть упрощенная модификация технологии АЦАЛ.

Рис. 3.3. Общая схема организации АЦАЛ

В английских источниках можно встретить такие обозначения данной технологии, как ADSL Lite (практичная, облегченная АЦАЛ), или Glite. Целью создания УА ЦАЛ является необходимость снизить затраты на организацию асинхронного доступа к СПД.

Для достижения поставленной цели в оборудовании УА ЦАЛ исключены дорогостоящие частотные разделители, а модуляция DMT-256 заменена на DMT-96 (т. е. снижено число несущих частот до 96). В результате УА ЦАЛ поддерживает скорость ПД от пользователя к сети до 384 кбит/с, а в обратном направлении до 1,5 Мбит/с при длине витой пары в 3,5 км. Увеличение дальности связи до 5,5 км потребует снижения скорости соответственно до 198 и 640 кбит/с.

Преимуществами данной модификации ЦАЛ являются простота ее инсталляции и невысокая стоимость. К недостаткам УА ЦАЛ можно отнести невозможность телефонных переговоров при выходе из строя устройств ПД или пропадании местного питания абонентского полукомплекта.

7. R-ADSL (Rate-Adaptive DSL) адаптивная по скорости ЦАЛ (АС ЦАЛ). Технология R-ADSL обеспечивает такую же скорость ПД, что и технология ADSL, но при этом оборудование ЦАЛ реализует автоматическую адаптацию скорости передачи к состоянию физической цепи. Основной задачей при этом становится оперативный обмен служебными сигналами между полукомплектами ЦАЛ для своевременного включения алгоритмов адаптации.

Повышение "интеллекта" оборудования (использование дорогих микропроцессоров) вылилось в дополнительное повышение стоимости систем АС ЦАЛ.

8. VDSL (Very High Bit-Rate DSL) сверхвысокоскоростная ЦАЛ (СВ ЦАЛ). Технология VDSL является наиболее производительной в семействе асинхронных технологий xDSL: оборудование СВ ЦАЛ обеспечивает скорость передачи данных от пользователя к сети от 1,5 до 2,3 Мбит/с, а в обратном направлении до 52 Мбит/с по одной витой паре. СВ ЦАЛ предназначена для пользователей с повышенными требованиями к пропускной способности и является дальнейшим развитием АЦАЛ. Максимальная дальность связи для этой технологии составляет от 300 до 1 300 метров. Это расстояние можно увеличить, если до помещения пользователя проложен оптический кабель (ОК), а медные пары служат только абонентской проводкой. Очевидно, что использование ОК является относительно дорогим вариантом доступа и больше характерно для абонентских систем крупных учреждений, ориентированных на применение АТМ технологий.

В связи с этим оборудование VDSL поддерживает режим "АТМ поверх DSL" с постоянной (CBR), переменной (VBR) или неопределенной (UBR) скоростью передачи (рис. 3.4).

В системах VDSL модем играет роль интегрального устройства доступа (Integrated Access Device, IAD), преобразуя абонентскую нагрузку в поток пакетов Frame Relay или ячеек АТМ, который в сервере доступа DSL (DSL Access Server, DSLAS) распределяется по предназначению. В отличие от DSLAM, DSLAS обеспечивает коммутацию и трафика и сигнализации АТМ. Такое техническое решение позволяет, в отличие от рассмотренных выше систем xDSL, использовать СВ ЦАЛ либо для организации одновременно до 16 типовых телефонных трактов, либо для организации широкополосного доступа к СПД, либо для передачи сигналов телевидения высокой четкости.

Рис. 3.4. Использование технологии СВ ЦАЛ в сетях доступа с АТМ

Технологии xDSL продолжают свое совершенствование с учетом современных тенденций в эволюции телекоммуникационных систем.

Одним из новых направлений развития xDSL является технология передачи данных по физическим цепям линий электропередачи (ЛЭП), получившей название "электромодемы" и обозначение "PDSL".

Пример применения систем PDSL представлен на рисунке 3.5. Абонентский полукомплект такого оборудования носит название сетевого (NTU), а станционный полукомплект – линейного (LTU) окончания (по аналогии с узкополосной ЦСИС). На устройства сетевого и линейного окончания системы абонентского доступа PDSL кроме типовых функций передачи информационного потока возлагаются задачи защиты ЦАЛ от высоких напряжений, имеющихся на клеммах щитов электропитания (ЩЭП). Упрощенная модификацияPDSL обеспечивает передачу данных по сетям электропитания 220–360 В. С помощью таких средств организуются корпоративные ЛВС, технологические СПД (например, по контактной сети железной дороги) и пр.

 

Рис. 3.5.  Вариант использования технологии PDSL

Имеющееся разнообразие систем xDSL привело к необходимости создания на узлах доступа универсальных xDSL-платформ, включающих станционные полукомплекты (линейные окончания) нескольких технологий ЦАЛ одновременно, например SDSL, HDSL, IDSL, ADSL или др. Такая архитектура системы абонентского доступа способствует обеспечению максимального расширения номенклатуры услуг, предоставляемых пользователям телекоммуникационных сетей.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.