Faktablad

ADSL, G.gmt (ITU G.992)

(Asymetric Digital Subscriber Line.)

 

Johan Futsæther

10.03.04 Oppdatert: 16 Mars04, 13.11.04

Kunnskapsnett-logo 

 

ADSL .

 

(Asymetric Digital Subscriber Line.)

 

Problem.

 

Alle som har en vanlig telefon , analog (PSTN, noen ganger også benevnt POTS) eller ISDN, har en forbindelse mellom telefonen og til en sentral utenfor huset. Denne linjen består av ett kobberpar som fører de elektriske signalene mellom telefonen og sentralen. Linjen kan vi også bruke til datakommunikasjon ved å koble til ett moden av analog eller ISDN-type. Den maksimale hastigheten vi kan få av en slik kommunikasjon, er 64 kbps når vi bruker ISDN eller 128 kbps ved å benytte begge B-kanalene (bonding). Dette er på ingen måte nok for overføringer av video, ”video on demand” eller andre båndbreddekrevende overføringer. Det lar seg heller ikke gjøre uten videre å øke båndbredden på grunn av de elektriske egenskapene som en linje av kopper har. Det er heller ingen idé å legge ett nytt landsomfattende linjesystem helt ut til brukerne. Det ville bli enormt kostbart. Ønsker vi bredbåndsforbindelse, må vi derfor bruke våre gamle telefonikobberlinjer og finne en teknologi som kan utnytte de eksisterende linjer.

 

Utgangspunktet er altså at en ønsker høyhastighetforbindelse ved å bruke eksisterende linjer og nett. Tanken var å konkurrere med kabelnett for å kunne overføre video/film til brukeren. Ved en slik overføring er det ikke nødvendig med så høy hastighet ut fra brukeren. Dermed ville det bli ulik hastighet inn og ut til brukeren. Vi kan si at hastigheten er ”asymmetrisk”. I ettertid ser vi også at en asymmetrisk løsning  også passet godt til internettbruk hvor det vanligvis kommer mye mer ”inn” enn hva som går ”ut”. Men hvilken teknologi kan tilby dette?

 

Løsning:

 

ADSL er en slik teknologi!

 

Hvilke nettverkskomponenter finnes det i ett ADSL-anlegg?

 

Nedenfor ser du en skisse av hvilke nettverkskomponenter som inngår i ett ADSL-anlegg. Som ”bruker” kan du få en ”Gjør det selv”-pakke for oppkoblingen. Se disse linkene for to forskjellige ADSL-modem:. 1. Lucentmodem.  2. ZyXEL-modem

 

Blokkskjema av ett ADSL-system:

 

 

  

Figur 1

 

Forklaring til skissen: 

ATU-R = ADSL  Transmission (Tranceiver) Unit – Remote. Dette er det vi i dagligtale kaller ADSL-modem hos brukeren.

ATU-C = ADSL Transmission (Tranceiver) Unit – Central. Dette er det vi i dagligtale kaller ADSL-modem i  sentralen.

Splitter = Dette er ett filter som sørger for å splitte telefonsignalene/tale (PSTN) fra ADSL-signalene. Dette må vi ha siden ADSL og telefonen bruker samme kobberpar mellom brukeren og sentralen. Splitteren sørger for at ADSL og PSTN blir ”splittet” til hver sin gren. Det spiller ingen rolle om PSTN her er en ISDN-telefon eller en analog telefon. Splitteren består av frekvensavhengige komponenter som spoler og kondensatorer, og kan se ut som figuren under.

Eksempel på filter:

 

Circuit Implementation

Figur 2

 

Eksempel på frekvenskarakteristikk for filteret:

Bode plot of filter response

 

Figur 3    

 

DSLAM = Digital Subscriber Line Access Multiplexer. Denne enheten, som står i sentralen, samler alle brukerne i ett signal ut. Foreksempel til ett ATM-signal som går videre til din ISP. Det er din ISP som leier plass på DSLAM’en.

ISP = Internet Service Provider. Din internettleverandør. For eksempel Telenor eller Nextgentel.

ADSL teknisk.

ADSL er en modemteknologi som konverterer eksisterende totråds kobbertelefonlinjer til bredbåndsteknologi. Med andre ord gir ADSL oss høyhastighetsforbindelse over eksisterende kobberpar og eksisterende telefonnett.

"A" står for Asymetric, og med dette menes at hastigheten ut (upload) fra abonnenten er ulik hastigheten inn (download) til abonnenten. Uttrykket "Digital Subscriber Line" henviser til en telefonabonnents linjer (Subscriber Line) hvor signalet overføres digitalt (Digital). Telefonabonnenten kan fortsatt bruke sin analog eller ISDN-telefon samtidig med ADSL. En ADSL-forbindelse kan ikke brukes til taleoverføringer.

ADSL kan leveres i  ”hvilken som helst” hastighet mellom 64 kbps til 8.192 Mbps download og 64 kbps til 640 kbps upload. Kundene kan i prinsippet velge hastigheten, og betaler deretter. Hastigheten bestemmes også av hvilke tekniske løsninger sentralen har på sin side, kvaliteten på linja og hvor langt det er mellom brukeren og nærmeste sentral utstyrt med en DSLAM. I litteraturen oppgies det at 4 – 5 km er den maksimale avstand for ADSL. Dette gjør at ADSL ikke kan leveres til alle abonnenter.

ADSL er i full dupleks. Dette vil si at data flyter samtidig i begge retninger. For å få dette til, finnes det tre prinsipper:

1.      Frekvensmultipleks. (FDM Frequency Division Multiplexing). Transmisjonsretningene (upload og download) benytter hvert sitt dedikerte frekvensbånd.

2.      Tidsmultipleks. Transmisjonsretningen brukes til en vei om gangen, men retningen skifter så ofte at vi opplever det som full dupleks.

3.      Ekkokanselering. (Echo Cancellation).  Samme frekvensbånd benyttes for begge transmisjonsretninger (upload og download). ”Ekko” fra den lokale senderen ankommer den lokale mottakeren og vil normalt være mye sterkere enn signalet fra den fjerne senderen. Siden mottakeren kjenner det utsendte signalet, kan mesteparten av ekkoene fjernes ved hjelp av signalprosessering. Teknikken er kjent fra V.32 og V.34-modem.

I ADSL-sammenheng brukes det vanligvis Frekvensmultipleks (FDM) som har blitt standard for ADSL. Tidligere ble det brukt Ekkokansellering.

Frekvensspekteret for ADSL.

Som tidligere beskrevet, så kan vi få full dupleks på ADSL-signalet ved følgende dupleksmetoder:

1.        Frekvensmultipleks (FDM)

2.        Tidsmultipleks.

3.        Ekkokansellering. (EC)

Som standard brukes Frekvensmultipleks (FDM), men i noen tilfelle også Ekkokanselering (EC). Tidsmultipleks er i praksis ikke i bruk for ADSL. Vi skal derfor starte med å se på frekvensspekteret for frekvensmultipleks (FDM) og Ekkokanselering (EC).

 

Frekvensspekteret for frekvensmultipleks (FDM): 

  

        

Figur 4

 

2. Frekvensspekteret for Ekkokanselering.

 

           

 

Figur 5

 

Vi ser av frekvensspektrene for Frekvensmultipleks (FDM) og Ekkokanselering (EC) at frekvensmultipleks (FDM) har helt adskillte frekvensbånd. Dette sikrer at PSTN, ADSL OPP og ADSL NED ikke forstyrrer hverandre.

 

Ved ekkokanselering (EC) benytter upload og download delvis samme frekvensbånd. Det benyttes en teknikk som kalles ekkokanselering for å forhindre at signalene intefererer. Siden ekkokanselering benytter seg av et større frekvensbånd for download, skulle ekkokanselering kunne tilby høyere overføringshastigheter. Dette er teoretisk riktig, men på grunn av andre forhold er det i praksis ikke slik.

 

Det er viktig å være klar over at frekvensene som antydes på figur 4 og 5 ikke er absolutte, men varierer i faglitteraturen. Årsaken til dette kan være et definisjonsspørsmål og/eller at det er nasjonale krav som kommer inn i bildet.

 

Modulasjonen i ADSL.

 

ADSL båndet, slik det er skissert i figur 4 og 5, viser bare prinsippet for hvordan det tilgjengelige båndet for ADSL kan være utnyttet/delt opp. Ikke hvordan båndet er modulert. Det finnes to inkompatible måter for modulasjon av båndet::

 

1.        DMT = Discrete Multi Tone med QAM-modulasjon. Offisiell ANSI-standard for ADSL.

2.        CAP = Carrierless Amplitude and Phase modulation. Dedikert.

 

Begge metodene er QAM-teknikker. QAM står for Quadrature Amplitude Modulation.

 

1. DMT (Discrete Multi Tone).

 

DMT-linjekodingsteknikk, er en del av ANSI T1.413-standarden. Se også T1.413i1 (Issue1) og T1.413i2 (Issue2) som beskriver europeiske krav. (ETSI)

 

Ved DMT (Discrete Multi Tone) er hele båndet mellom ca. 26 Khz og 1,1 Mhz oppdelt i 256  smale bånd med avstand 4,3125 Khz. mellom bærebølgene. I litteraturen oppgies båndene til å være 4 Khz brede, så jeg tar utgangspunkt i dette. Disse båndene kalles også ”subkanaler”.

 

              

   

Figur 6

 

Ved hjelp av QAM-modulasjon (AKA 2B1Q) kan det overføres fra 0 til 15 bit pr. Hz. pr. subkanal. Støyen i hver subkanal blir kontinuerlig målt, slik at det er støyen sammen med kvaliteten på linjen, som bestemmer hvor mange bit som overføres. I tillegg kommer tapet og frekvensresponsen som vi har i en kobberlinje. Vi får med andre ord ulike antall bit overført for hver subkanal. En slik tilpasning med hvor mange bit som blir overført, kalles ”Rateadaptiv” eller RADSL.

                    

 

      

Figur 7

 

Figur 7a viser at det overføres maksimalt antall bit på alle subkanaler på en tapsfri ideell linje. Figur 7c viser antall bit som overføres med kabeldempningen og støyen som vi har i figur 7b. Som vi ser av figur 7c, så overføres det 0 bit i området hvor støypulsen ligger. I øvre frekvensområdet får vi redusert bithastigheten i takt med frekvensresponsen på linja. Dette vil si at ved høyere frekvenser, så vil vi i praksis ”aldri” kunne få maksimal bithastighet..

 

Som vi ser, så er ikke DMT så følsom for forstyrrelser, fordi forstyrrelser opptrer vanligvis bare på ett mindre antall av de 256 subkanalene.

 

En subkanal som overfører 8 bit pr. Hz , vil ha en bithastighet på  (8 * 4 khz) = 32 kbps

 

Variasjoner i bitfrekvensen for ett ADSL-signal, skjer med en oppløsning på 32 Khz.

              

Teoretisk maksimal overføringskapasitet for upload og download blir: (tar ikke hensyn til demping og støy):

 

Upload = 20 * (8 * 4 khz) = 640 kbps   (hvor 20 er antall subkanaler for upload og overføring av 8 bit pr Hz)

 

Download= 256 * (8 * 4 khz) = 8,1 Mbps  (hvor 256 er antall subkanaler for download og 8 bit pr. hz.)

 

Bærebølgen for FDM er undertrykt. Sammen med signalet sendes det en ”pilottone”, som gjør det mulig å gjenskape bærebølgen på mottakersiden. Pilottonen ligger i subkanal 16 (69 Khz) for upload og  subkanal 64 (276 Khz) for download. Subkanal 256 er ”Nyquist-frekvensen” og blir ikke brukt for data.

 

I motsetning til CAP som er tilpasset ”Video On Demand” for å møte konkurransen fra kabel TV, er DMT tilpasset overføring av data. Derfor passer DMT meget godt til internettbruk.

 

2. CAP (Carrierless Amplitude and Phase modulation)

 

Ved  CAP (Carrierless Amplitude and Phase modulation) sendes bitmønsteret ved hjelp av bare 1 bærebølge som er undertrykt. CAP behandler hele frekvensområdet som EN kanal. Sammen med signalet, blir det sendt en ”pilottone” som gjør det mulig å gjenskape bærebølgen hos mottakeren.

 

 CAP har ingen mulighet til endre hastighet avhengig av støy og kvalitet på linjen. CAP er heller ikke så tolerang ovenfor tappinger på linja. CAP har bare errorcorreksjon for download… ikke for upload.

 

CAP er en modulasjonsform som ble videreutviklet for å dekke ”Video On Demand”-behovet i pioneertiden for ADSL, uten at dette lykkes i særlig grad.

 

·          CAP krever mer effekt enn DMT.

·          CAP gjør det umulig å bestille ønsket hastighet.

·          CAP er en leverandøravhengig (propietær) teknologi.

·          CAP har begrenset errorcorreksjon

·          CAP følger ikke T1.413-standarden

 

Selv om CAP er en ”foreldet” teknologi, har den likevell noen fordeler fremfor DMT. Blant annet med en teoretisk høyere downloadbitrate på 1,5 Mbps. (DMT standard = 1,1 Mbps)

 

CAP blir ikke brukt i nytt utstyr i dag (2004).

 

ADSL-formatet.

 

ADSL formater er bygget opp rundt ”frames” (rammer på norsk) som igjen er satt sammen til ”superframes”. En ”superframes” består av 68 ”frames”, pluss en ”frame” for synkronisering. Til sammen 69 frames. En ”superframes” må gjentaes hvert 17 ms.

       

    

Figur 8

 

Siden det må sendes en superframe hvert 17 ms, så betyr dette at det må sendes en ADSL-frame hvert 250 us.  Til sammen blir dette 4000 ADSL-frames i sekundet.

 

Krav til båndbredde.

 

Krav til båndbredde

Applikasjon

Download

Upload

Video On Demand

2 Mbps  (VHS-kvalitet)

6 Mbps (Høy kvalitet)

16 kbps

Interaktiv TV

6 Mbps (Høy kvalitet)

16 kbps

Fjernundervisning

4 Mbps (Video+lyd+data)

64 – 384 kbps (Lyd og bildet)

Videokonferanse

1,5 Mbps (Lav kvalitet video+lyd+grafikk

384 kbps

Interaktive spill

64 Kbps til 1,5 Mbps

> 64 kbps (Joystick/mus)

Internett

64 Kbps til 1,5 Mbps

> 10% av download

 

Opplastning og nedlastning samtidig.

 

Normalt skal du kunne ha full hastighet begge veier samtidig. I praksis vi du kunne oppleve at dette ikke er tilfelle. Men det har ingenting med ”svakheter” i ADSL å gjøre,. Viss du foreksempel er i ferd med å laste ned en stor fil, og du bruker TCP, så krever dette toveiskommunikasjon. Serveren som du laster ned fra, er avhengig av å få tilbakemeldinger (ACK-pakker) fra din maskin under nedlasttingen. Hvis du samtidig med nedlastingen holder på med en stor opplasting, vil det kunne gå lang tid før det kan sendes en ACK-pakke fra din maskin. Dette oppleves for serverapplikasjonen du laster ned fra, som om at linjene er dårlig eller at maskinen din ikke klarer å håndtere de data som lastes ned. Dermed settes farten ned etter hvert. Det er derfor applikasjonsprogrammet og TCP/IP som forårsaker hastighetsendringen. Ikke ADSL som kun er en ”tjeneste” for transporten.

 

Kilder:

 

·          ADSL Forum System Reference Model

·          How DSL works, Howstuffworks.

·          Requirements for remote splitter (PSTN/ISDN basic rate access), Telenor networks.

·          Requirements for ISDN compatible ADSL modem, ATU-R, Telenor networks.

·          How DSL works, World-of-adsl.com

·          Gull i gammelt kobber. Helge Pedersen, Ivar Mo, Bjørn Solberg. Alcatel Norge

·          ADSL Technology and AFE Application Notes

·          The DSL Sourcebook, Paradyne.

·          Dansk artikkel, Mangler forfatter.

·          Vertyg for mætning av tjænstkvalitet på bredbåndsnæt, Horman Shahraki

·          ADSL-modem, Vocal Technologies.

·          Ofte spurte spørsmål om DSL, BG-nett

·          ADSL Tutorial, dslforum.org

 

 

Testinstrumenter for ADSL.

 

Ca. 12000,- fra www.krone.no

 

 

 

Testutstyr fort ADSL og ISDN:

 

http://www.nortelco.no/instrument/telecom_test/pdf/aurora_tango_adsl_isdn.pdf