G.shdsl - новинка цифрового доступа

Новый стандарт на симметричную цифровую абонентскую линию G.shdsl способен занять лидирующее положение на рынке мультисервисного доступа.

К середине 90-х гг. операторами связи был накоплен достаточно большой опыт эксплуатации систем HDSL, и перед разработчиками телекоммуникационного оборудования встала задача создания новой системы xDSL, более полно отвечающей текущим потребностям рынка. Реализация асимметричного доступа на основе стандартизованных разновидностей технологии ADSL прочно завоевала свое место на рынке. Но вот спрос на системы симметричного доступа операторы могли удовлетворять лишь с помощью HDSL, поскольку из всех подобных систем только HDSL была хоть в какой-то мере стандартизована (ETR152). Стандартизация всех прочих систем даже и не стояла на повестке дня. Оборудование HDSL получило настолько широкое распространение, что операторы стали ощущать недостаток «меди». Еще одна головная боль операторов — несовместимость устройств многочисленных производителей. Не беда, если за последние десять лет появилось сто новых компаний, — беда, когда они прекращают выпускать оборудование. А такое возможно не только с мелкими компаниями, но и с крупными. Например, приобретя PairGain, ADC прекратила производство семейства HTU-E1. Что в этом случае делать оператору с уже имеющимися системами?

ПРИНЦИПЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ

Сложившаяся ситуация не могла остаться без внимания производителей. В результате они договорились разработать стандартизованную систему симметричного доступа для передачи потоков Т-1/Е-1 по одной паре, дабы гарантировать взаимодействие оборудования различных поставщиков. В США данная технология получила название HDSL2, а соответствующий стандарт разрабатывался комитетом T1E1.4 ANSI с 1996 г. Спустя некоторое время началась работа над всемирным и европейским вариантом технологии. Основные требования к новой системе были сформулированы следующим образом:

• совместимость со всеми используемыми на сегодняшний день системами передачи;
• симметричная работа по одной витой паре со скоростью до 2,3 Мбит/с;
• та же длина регенерационного участка, что и для двухпарной технологии HDSL;
• использование физической линии того же качества, что и в двухпарной HDSL (по величине затухания, числу и длине параллельных отводов, величине переходных влияний, продольной асимметрии линии и др.);
• поддержка всего набора услуг, обеспечиваемых двухпарной HDSL;
• обеспечение столь же высокой отказоустойчивости, что и в случае двухпарной HDSL;
• снижение стоимости услуг по сравнению с двухпарной HDSL.

Поставленная задача оказалась весьма сложной прежде всего из-за резко выраженной неоднородности физических линий местной сети (наличия в пределах одной абонентской линии пар с жилами разного диаметра, а также сильных отражений в местах соединения кабелей с жилами разного диаметра). Кроме того, условия работы линий местной сети время от времени резко ухудшаются из-за наличия множества переходных влияний, величины которых постоянно изменяются, и учесть их довольно трудно. По сути создаваемая система передачи должна была работать на скорости, близкой к теоретическому пределу пропускной способности по Шэннону. Решение этой задачи стало возможным только с использованием новейших концепций формирования спектра и кодов с коррекцией ошибок. Именно из-за необходимости поиска новых подходов работа над стандартом заняла так много времени.

В итоге после нескольких лет работы комитет T1E1.4 ANSI предложил временный стандарт T1.418-2000 на первую версию технологии HDSL2 с поддержкой потоков Т-1 емкостью 1,544 Мбит/с по одной абонентской паре. Европейской версией технической спецификации (ETSI TS 101524) новой системы на 2,3 Мбит/с с поддержкой потока Е-1 занимался комитет TM6 ETSI. А совсем недавно, в феврале 2001 г., Международным союзом электросвязи (ITU-T) была утверждена первая версия международного стандарта G.921.2 (G.shdsl). Именно эта разновидность нового стандарта будет востребована в России.

СРАВНЕНИЕ G.SHDSL И HDSL

Создатели стандарта отмечают, что G.shdsl и HDSL2 не являются вторым поколением HDSL или заменой эксплуатирующихся систем HDSL с кодированием 2B1Q. Новый стандарт скорее можно считать дополнением к HDSL, поскольку он позволяет передавать первичный цифровой поток T-1/E-1 по одной паре. Кроме того, его реализации могут использоваться на линиях большой длины без применения промежуточных регенераторов. G.shdsl специально создавался как стандарт на системы передачи для мультисервисных сетей. Оборудование будет поддерживать протоколы E-1, PCM, IP, ATM.

Несмотря на то что HDSL2 и G.shdsl имеют много общих черт, выгодно отличающих их от других технологий, между ними имеются и существенные различия (см. Таблицу 1). Поскольку в российских сетях может использоваться только G.shdsl, далее мы будем рассматривать только этот стандарт.

Технология G.shdsl имеет несколько важных преимуществ по сравнению с HDSL с кодированием 2B1Q. Прежде всего, это лучшие характеристики (в отношении предельной длины линии и запаса по шумам) за счет применения более эффективного кода, механизма предварительного кодирования, более совершенных методов коррекции и улучшенных параметров аналогового интерфейса. Но новая технология еще и спектрально совместима с другими технологиями xDSL. Поскольку новая система использует более эффективный линейный код по сравнению с 2B1Q, то при любой скорости сигнал G.shdsl занимает более узкую полосу частот, чем соответствующий той же скорости сигнал 2B1Q. Поэтому создаваемые системой G.shdsl помехи для других систем xDSL имеют меньшую мощность по сравнению с помехами от HDSL с кодированием 2B1Q. Более того, спектральная плотность сигнала G.shdsl имеет такую форму, что он оказывается почти идеально спектрально совместим с сигналами ADSL. Результат поразителен — по сравнению с однопарным вариантом 2B1Q HDSL, G.shdsl позволяет повысить на 35—45% скорость передачи при той же дальности или увеличить дальность на 15—20% при той же скорости.

Для обеспечения работы по одной паре при передаче потока Е-1 полосу частот требуется расширить по сравнению с HDSL. Однако только расширение полосы с некоторым повышением мощности сигнала не может обеспечить требуемых характеристик, если на том же кабеле работают системы G.shdsl или другие системы xDSL (например, ADSL). Как известно, такое взаимное влияние однотипных систем на ближнем конце в соответствии с принятой терминологией называют Self NEXT. Повышение мощности сигнала при передаче приводит к увеличению мощности сигнала на приеме. Однако пропорционально возрастет не только величина Self NEXT, но и величина переходного влияния на ближнем конце на системы другого типа (например, HDSL или ADSL). Напомним, что это взаимовлияние на ближнем конце между работающими по одному кабелю системами разного типа обычно называют NEXT.

Как известно, в системах xDSL используются два способа передачи — с эхокомпенсацией и с частотным разделением сигналов противоположных направлений передачи (Frequency Division Multiplexing, FDM). При первом способе величина перекрываемого затухания ограничена Self NEXT. В противоположность методу эхокомпенсации метод FDM не подвержен ограничениям, связанным с переходным влиянием Self NEXT. Однако такой сигнал чувствителен к воздействию со стороны других систем (например, HDSL или ADSL) и, в свою очередь, может подавлять эти системы из-за более широкой занимаемой полосы частот. Поэтому передача с частотным разделением в некоторых случаях даже менее желательна, чем эхокомпенсация.

В связи с этим для систем G.shdsl был принят новый способ передачи OPTIS (Overlapped PAM Transmission with Interlocked Spectra). В основе этого способа лежит 16-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (Pulse Amplitude Modulation, PAM), причем спектральная плотность сигналов для каждого из направлений передачи имеет при одинаковой скорости различную ширину и форму частотного спектра. Можно сказать, что в G.shdsl по существу используется комбинированный метод передачи, представляющий собой сочетание методов эхокомпенсации и частотного разделения сигналов.

Для обеспечения гарантированной работоспособности приложений реального времени стандарт G.shdsl ограничивает максимальную задержку данных в канале передачи (не более 500 мс). Наиболее популярными приложениями этого вида для G.shdsl являются передача голоса VoDSL во всех ее разновидностях (PCM — обычный цифровой канал телефонии, VoIP — голос по IP, и VoATM — голос по ATM), а также видеоконференц-связь.

КАК РАБОТАЕТ G.SHDSL

Система G.shdsl транспортирует сигналы E-1 между узлом доступа (он обычно расположен на местной АТС) и помещением пользователя. При необходимости на этом участке может быть установлен промежуточный регенератор. Если нужно увеличить скорость передачи, в G.shdsl предусмотрена возможность пересылки данных по двум парам одновременно.

Рисунок 1. Спектральная плотность сигналов G.shdsl.

На узле доступа модемы (LTU) располагаются в конструктиве мультиплексора доступа DSLAM, т. е. в отличие от пространственно разнесенных модемов пользователей (NTU) они находятся в непосредственной близости друг от друга. Поэтому в отличие от систем HDSL, где вследствие использования метода эхокомпенсации переходное влияние на ближнем конце NEXT является определяющим типом помех, в случае G.shdsl оно будет на практике проявляться только на узле доступа. При этом сигнал в нисходящем направлении передачи (от сети к пользователю) будет представлять основную помеху для сигнала восходящего направления на приеме от пользователя. Таким образом, при прочих равных условиях мощность переходных помех, действующих на модемы в DSLAM, больше мощности помех, которые влияют на работу модема пользователя. Именно поэтому сигналы нисходящего и восходящего потоков системы G.shdsl (см. Рисунок 1) имеют различную ширину и форму частотного спектра. Тем самым разработчики стандарта учли наихудший (из возможных на практике) случай применения модемов G.shdsl.

В диапазоне частот А (примерно до 200 кГц), где переходное влияние минимально, спектральные плотности (Power Signal Density, PSD) нисходящего (DownStream, D/S) и восходящего (UpStream, U/S) сигналов одинаковы. В диапазоне частот В (полоса частот 200—250 кГц) спектральная плотность нисходящего сигнала меньше спектральной плотности этого сигнала в диапазоне А в целях уменьшения переходного влияния NEXT на восходящий сигнал в этой области частот. Благодаря этому, переходные влияния NEXT в диапазонах частот А и В оказываются одинаковыми. В свою очередь, спектральная плотность сигнала восходящего потока в диапазоне частот В уменьшена по сравнению с аналогичным параметром этого сигнала в диапазоне А. Это позволило дополнительно улучшить отношение сигнал/шум в области частот В. Следует отметить, что уменьшение спектральной плотности восходящего сигнала в диапазоне В практически не ухудшает отношения сигнал/шум нисходящего сигнала на входе пользовательского модема по двум причинам: во-первых, полоса частот нисходящего сигнала расширена по сравнению с полосой частот восходящего сигнала, в результате чего первый оказывается менее чувствительным к переходному влиянию со стороны второго. Во-вторых, модемы пользователей пространственно разнесены, что также уменьшает уровень переходной помехи. В диапазоне частот С спектральная плотность нисходящего сигнала максимальна, поскольку восходящий сигнал в этой области практически равен нулю. Поэтому отношение сигнал/шум для нисходящего сигнала на входе модема пользователя оказывается высоким.

Рассматриваемая форма спектра сигнала G.shdsl оказывается оптимальной в том случае, когда все работающие по данному кабелю системы xDSL, также являются системами типа G.shdsl, т. е., когда определяющей помехой является переходная помеха Self NEXT. Однако она будет оптимальна и в том случае, когда в этом пучке кабеля вместе с системами G.shdsl работают системы ADSL, поскольку основной спектр восходящего сигнала G.shdsl расположен ниже частоты 250 кГц, между тем как основная мощность составляющих нисходящего потока ADSL приходится на более высокие частоты. Предварительные расчеты также показывают, что помехи от системы G.shdsl в нисходящем тракте системы ADSL (от сети к пользователю) меньше помех от работающей по двум парам системы HDSL и существенно меньше помех от работающей по одной паре на полной скорости (2,3 Мбит/с) системы HDSL с кодированием 2B1Q. Спектральная совместимость систем ADSL и G.shdsl позволяет оператору связи максимально задействовать инфраструктуру его местной телефонной сети, а также размещать станционные платы модемов обоих типов на одном мультиплексоре доступа DSLAM.

Заметим, что именно такая своеобразная форма спектров сигналов в области частот 200—250 кГц, когда спектральная плотность восходящего сигнала «поднята», а спектральная плотность нисходящего сигнала «утоплена» по сравнению с соседними частотами, и послужила причиной появления в названии этой достаточно экзотической системы определения interlocking.

Отмеченные свойства G.shdsl чрезвычайно важны для обеспечения устойчивой работы в условиях широкого внедрения технологий xDSL в будущем. Выполненные на основе используемых ранее шумовых моделей (в том числе и описанных в стандартах) результаты анализа устойчивости работы могут оказаться недостоверными. Таким образом, развертывая сегодня системы передачи, оператор связи не будет иметь гарантии, что те сохранят устойчивую работоспособность в будущем, когда по соседним парам будут работать другие системы.

ОЦЕНКА ШУМОВ

Шумовые модели, более точно отражающие современное состояние внедрения цифровых технологий передачи на абонентской сети, предложены международной инициативной организацией FSAN (Full Service Access Networks). С 1995 г. она занимается разработкой требований и поиском консенсуса между интересами операторов и различных производителей телекоммуникационного оборудования для построения мультисервисных сетей узкополосного и широкополосного абонентского доступа. Организацией FSAN были разработаны четыре оценочные модели шумов в зависимости от количества и состава эксплуатируемых в одном кабеле систем передачи (см. Таблицу 2). Расчеты по новым моделям достаточно сложны, но именно они могут дать представление о реальной работоспособности технологий xDSL на этапе массового развертывания цифрового абонентского доступа. С учетом сказанного, к результатам оценки устойчивости работы стоит подходить с большой осторожностью, если для них использованы хоть и предусмотренные стандартами, но морально устаревшие шумовые модели.

Для того чтобы увидеть степень различия результатов, полученных по старым и новым моделям оценки, мы приводим данные, опубликованные компанией Schmid Telecom в своей презентации, посвященной началу выпуска семейства Watson 5 на базе технологии G.shdsl (см. Таблицу 3). Поскольку в производимом этой компанией оборудовании реализованы почти все основные разновидности технологий xDSL, то вывод весьма нагляден. Везде, где значения запаса по шумам имеют отрицательную величину, рассматриваемое оборудование не будет работать в заданных шумовой моделью ситуации. Выигрыш, который G.shdsl дает по сравнению с другими технологиями, очевиден. Мы хотели бы привлечь внимание читателей к существенным расхождениям результатов, полученных по новым моделям FSAN и старой, общепринятой методике оценки по ETSI. Конечно, результаты оценки оборудования других производителей могут отличаться от представленных Schmid Telecom, но, учитывая высокое качество модемов Watson, отличия будут скорее всего несущественными.

СОВМЕСТИМОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ

Еще один сильный момент G.shdsl — обеспечение взаимной совместимости оборудования различных производителей. Для этого в G.shdsl был включен стандарт G.hs.bis (G.844.1), где описывается процедура инициализации соединения. Предусмотрено два варианта процедуры. В первом случае оборудование LTU (установленное на АТС) диктует NTU (оборудованию клиента) параметры соединения, во втором — оба устройства «договариваются» о скорости передачи с учетом состояния линии. Учитывая неизвестные начальные условия, во время инициализации для гарантированного установления соединения обмен данными осуществляется с низкой скоростью, а передача — с использованием одного из классических методов модуляции (DPSK).

Кроме задания скорости, G.hs описывает и порядок выбора протокола в процессе установления соединения. Чтобы обеспечить совместимость со всеми используемыми на сегодня сервисами, формирователь кадров модема G.shdsl должен реализовать возможность работы с такими протоколами, как E-1, ATM, IP, PCM, ISDN. За счет оптимального выбора протокола во время инициализации в G.shdsl удается дополнительно снизить задержки в канале передачи. Например, для IP-трафика вводится соответствующий протокол, что позволяет отказаться от передачи избыточной информации по сравнению с IP-пакетами, инкапсулированными в ячейки ATM. А для передачи цифровых телефонных каналов в формате ИКМ непосредственно выделяется часть полосы канала DSL.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ РЫНОК

Важность симметричных возможностей G.shdsl для голосовых приложений трудно переоценить. Корпоративный сектор является лакомой частью рынка для операторов связи. И именно он нуждается в симметричном доступе — голосовые каналы, удаленный доступ к сети предприятия, серверы Web и масса других приложений требуют передачи одинаковых по объему потоков в обе стороны. Поэтому технология ADSL, прежде всего ориентированная на подключения абонентов жилого сектора, из-за низкой скорости восходящего потока не может удовлетворить все потребности широкополосного доступа. Большинство экспертов сходятся во мнении, что G.shdsl займет лидирующее положение на рынке систем интегрального доступа по оказанию услуг телефонии и передачи данных корпоративным пользователям.

Итак, новая технология находится в начале своего пути. На момент выхода статьи соответствующее оборудование наверняка уже появится в России. В последнее время технологии в области телекоммуникаций меняются так быстро, что операторам бывает трудно уследить за всеми новшествами. Хочется надеяться, что судьба G.shdsl будет удачной, и ей уготована долгая жизнь.