Одним из наиболее важных решений стандарта IEEE 802.ah является EFM по меди, в основу которой легли две различные технологии – VDSL и SHDSL.

В июне 2004 г. стандарт Ethernet на первой миле (Ethernet in the First Mile, EFM) был окончательно ратифицирован рабочей группой IEEE 802.3ah. По замыслу авторов он должен был определить спецификации физического уровня и параметры управления для передачи кадра формата 802.3 по сетям абонентского доступа на операционных скоростях в рамках текущего стандарта IEEE 802.3 и одобренных новых стандартов.

ПРИВОД 2х4

Цель проекта – расширение сферы применения Ethernet на сети доступа. При этом все разнообразие приложений и услуг должно реализовываться по возможности просто, при минимуме используемых устройств для организации услуг связи, чтобы операторы могли сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание. В то же время разработчики стандарта постарались учесть требования национальных ведомств по связи к совместимости частного спектра и электромагнитных помех, поскольку стандартная спецификация Ethernet на физический уровень вступала с ними в противоречия. Кроме того, существующие спецификации цифровой абонентской линии следовало оптимизировать для отличных от Ethernet протоколов. Таким образом 802.3ah был призван решить обе проблемы.

С ноября 2000 г., когда впервые собралась рабочая группа 802.3ah, главной ее задачей была интеграция технологии первой мили в стандарты Ethernet IEEE 802.x с обязательным описанием процедур эксплуатации и управления (OAM), таких, как мониторинг характеристик соединения, дистанционная индикация ошибок и удаленное диагностическое тестирование. К сожалению, в итоговом варианте стандарта не нашлось места некоторым функциям: например, управлению станциями, защитному переключению, а также обеспечению и распределению пропускной способности – все они либо выходили за рамки 802.3, либо были сочтены неподходящими для Ethernet OAM.

Разработчики сосредоточились на двух средах передач и четырех различных технологиях, при этом они учитывали распространенные типы кабеля, типичные расстояния и необходимые скорости передачи. В качестве сред передачи, естественно, были выбраны медные витые пары и оптическое волокно, а технологиями физического уровня, с общей структурой OAM, стали доступ по меди с многопарными соединениями SHDSL (медь «дальнего» диапазона – Long Range, LR до 1–5 км), медь с VDSL (медь «ближнего» диапазона – Short Range, SR до 500–750 м), EPON (волокно «точка–много точек») и волокно P2P («точка–точка»).

МЕДНЫЕ ТРУБЫ

Использование оптического волокна для предоставления услуг на последней миле ограничивается его малой распространенностью, из-за чего это решение далеко не всегда экономично и, к сожалению, недоступно для большинства потребителей услуг связи. В то же время, взяв за основу существующую медную инфраструктуру, можно заметно сократить затраты на развертывание, так как не понадобится прокладывать новые кабели. Поэтому, исходя из прагматических аналитических прогнозов, в ближайшие 30 лет такие заказчики будут широко применять уже имеющиеся медные кабели.

Одним из наиболее важных решений стандарта IEEE 802.3ah является EFM по меди (EFM over Copper, EFMC) c кадром 64/65 байт (этот метод используется в других стандартах IEEE и предпочтителен при наличии битовых ошибок) и специально стандартизованным ITU/ETSI/ANSI кадром HDLC.

Первоначально перед стандартом EFM ставилась задача достижения скорости 10 Мбит/с на расстоянии до 750 м и возможности доступа на скорости в 2 Мбит/с при дальности минимум 2700 м. Для решения этой задачи, как было отмечено ранее, в основу EFMC были положены две различные технологии передачи по меди для достижения максимальной дальности и скорости – SHDSL и VDSL, причем с возможностью единого управления (OAM) на физическом уровне (как и двумя другими, оптическими, решениями).

Если в 2001 г. разработчики стандарта EFM уделяли все свое внимание лишь считавшейся в то время наиболее перспективной технологии Ethernet через VDSL, то уже в 2002 г. инженеры, занятые в этом проекте, пришли к необходимости добавления в стандарт и последующего использования в большинстве разработок технологии SHDSL. Почему же VDSL не стала единственным направлением в работе по медным парам?

Технология VDSL использует линейный код DMT, определенный в ANSI, с альтернативой в виде QAM, но, к сожалению, не получив окончательного одобрения ITU и ETSI, она так и не нашла широкого распространения. Основными ее недостатками все так же остаются слишком малый радиус действия и плохо проработанный стандарт, к тому же некоторые из теоретических предпосылок на самом деле далеко не всегда реализуемы на практике.

СКРОМНОЕ ОБАЯНИЕ SHDSL

Рисунок 1. G.SHDSL и G.SHDSL.bis.

Усовершенствованная технология SHDSL (G.SHDSL.bis, или Enhanced SHDSL, E-SHDSL) появилась на свет совсем недавно и поэтому включена в EFMC без каких-либо изменений. В E-SHDSL применяется линейное кодирование TC PAM-16 и TC PAM-32 (в режиме G.SHDSL.bis), а поддерживаемые скорости находятся в диапазоне от 200 Кбит/с до 5,7 Мбит/с по одной паре (см. Рисунок 1). При добавлении дополнительного информационного бита на символ с модуляционным кодированием TC PAM-32 достигается заметное увеличение скорости передачи (см. Рисунок 2). Правда, не стоит забывать, что чем выше символьная скорость, тем шире спектральная плотность мощности (PSD) этого сигнала, из-за чего, естественно, сокращается эффективная дальность передачи. Но, как видно из Рисунка 3, на расстоянии до 3 км разница между 16- и 32-разрядными вариантами модуляционного кодирования для технологии E-SHDSL оказывается незначительной.

Рисунок 2a. Спектральная плотность мощности для TC PAM 16.

Второе интереснейшее нововведение – функция обюединения пар (Pair Aggregation Function, PAF), благодаря которой в стандарте EFM становится возможным параллельное обюединение до 32 пар с минимальной задержкой до 2–4 мс (в противовес, например, 25–100 мс при обюединении пар методом инверсного мультиплексирования в технологии ATM), что очень важно для развертывания приложений VoIP. PAF позволяет осуществлять соединения с четырехкратной разницей в скорости между обюединяемыми парами, допускает резервирование и распределение нагрузки, а также переключение на меньшее количество пар при обрыве медной пары (канал будет работать по n-1 паре). При этом последовательность передачи пакетов сохраняется, а алгоритм фрагментации может быть любым.

Рисунок 2b. Спектральная плотность мощности для TC PAM 32.

Таким образом, на физическом уровне EFMC использует те же виды модуляционного кодирования, которые применяются и в технологии DSL, чем обеспечивается требуемая спектральная совместимость, а стандарт G.SHDSL.bis позволяет эффективно работать по одной медной паре при скорости до 5,7 Мбит/с и в то же время устанавливать соединения на расстояниях свыше 5 км.

Рисунок 3. Производительность E-SHDSL.

Авторы стандарта EFM постарались учесть складывающиеся тенденции развития существующих систем цифровой абонентской линии при оценке целесообразности создания новых усовершенствованных систем, где бы, в частности, отсутствовали промежуточные подуровни для передачи Ethernet.

В архитектуре EFMC (см. Рисунок 4) подуровни канала связи (ближе к физическому) определены в соответствии с существующими стандартами цифровой абонентской линии, выше которых находятся новые подуровни для выравнивания скоростей и обюединения потоков, а еще выше – собственно Ethernet.

Рисунок 4. Архитектура EFMC.

Подуровень SHDSL PMD (см. Рисунок 5) отвечает за генерацию и восстановление символов, символьную синхронизацию, модуляцию и демодуляцию, эхокомпенсацию, выравнивание линии и установление соединения.

Рисунок 5. Модель PMD.

Индекс времени n представляет собой время прохождения бита, индекс времени m – время символа, a t, как обычно, – аналоговое время. Вход со стороны формирователя кадров – f (n), а выходом скремблера является s (n). И формирователь кадров, и скремблер обюединены в пределах слоя PMS-TC и показаны в этой модели как отдельные блоки исключительно в целях лучшего структурирования функциональности. x (m) – выход кодера Trellis Coded Modulation (TCM), y (m) – выход прекодера канала, а z (t) – аналоговый выход формирователя спектра в линейном интерфейсе. При преобразовании K информационных бит в одномерный символ PAM длина символа K кратна продолжительности бита; таким образом, K величин n за данную величину m – это {mK+0, mK+1, ... , mK+K-1}.

В дополнительном варианте с несколькими парами, например с четырьмя проводами, активны два отдельных подуровня PMD, один для каждой проводной пары. Тогда n представляет собой время прохождения бита для каждой проводной пары, а не суммарную линейную скорость системы.

Подуровень SHDSL PMS-TC отвечает за формирование кадра SHDSL, кадровую синхронизацию и процедуры скремблирования и дескремблирования. PMS-TC связан через интерфейcы н? и н? с подуровнем TPS-TC.

Подуровень TPS-TC сообщается с интерфейсными блоками через интерфейсы нЁс и нЁr. В зависимости от специфики применения, слою TPS-TC приходится поддерживать один или более каналов пользовательских данных и связанных интерфейсов. Стоит только добавить, что интерфейсы н?, н?, нЁс и нЁr введены в целях логического деления и реально недоступны.

TPS-TC предназначен по большей части для упаковки пользовательских данных в кадр SHDSL. Действия могут включать мультиплексирование, демультиплексирование, а также выбор времени выравнивания многократных пользовательских каналов данных. Разработчики стандарта позаботились о том, чтобы приемопередатчики SHDSL поддерживали достаточно большое количество допустимых форматов кадров данных, выбор которых осуществляется во время преактивации TPS-TC. Среди них можно выделить, например, так называемый режим двух несущих Dual Bearer TPS-TC Mode, на основе которого построена технология канализированной голосовой передачи по цифровой абонентской линии (Channelized Voice over DSL, СVoDSL). Она используется в концентраторах DSL для организации высококачественной передачи голоса и данных по независимым логическим каналам в пределах одной медной пары.

Уровень обюединения EFMC (в передатчике) получает кадры Ethernet через интерфейс MII, определенный в стандарте IEEE 802.3 (п.22), после удаления межпакетного интервала (IPG) и преамбулы (см. Рисунок 6). Необязательный уровень обюединения (он не нужен в случае одного модема) разбивает пакет на фрагменты переменной длины. Затем каждый фрагмент отправляется уровню TC определенного модема, где он заключается в капсулу с кадром 64/65 бит и передается модемом (PMA/PMD) непосредственно в медный кабель.

Рисунок 6. Фрагментация и структура кадра EFM.

На стороне приемника фрагменты декапсулируются, первоначальный кадр Ethernet собирается заново, восстанавливаются IPG и преамбула. При этом дополнительная служебная информация в кадре EFM составляет приблизительно 5%, в зависимости от размера пакета и алгоритма фрагментации (для разных производителей оборудования).

ДЖИН ИЗ БУТЫЛОЧНОГО ГОРЛЫШКА

С ростом потребностей в пропускной способности со стороны бизнес-абонентов и абонентов жилого сектора и повышением требований к качеству обслуживания EFMC приходит на смену существующей цифровой абонентской линии. Перед этой технологией, как перед неотюемлемой частью стандарта EFM, ставилась цель достижения скорости в 10 Мбит/с на расстоянии 750 м (EFMC SR) и 2 Мбит/с на 2700 м (EFMC LR). Однако стандарт не ограничивается выполнением указанных норм, а существующее оборудование уже превосходит их, как предоставляя более высокую пропускную способность, так и работая на более дальних расстояниях. К тому же введение в стандарт механизма обюединения пар создает предпосылки для достижения еще более высокой пропускной способности на больших расстояниях по нескольким параллельным медным парам, предлагая хорошую альтернативу там, где волокно отсутствует, а его прокладка экономически неоправданна.

Стандартизируя симметричную эффективную доставку пакетов Ethernet по медным парам при скорости 10 Мбит/с и выше, EFMC обеспечивает плавную интеграцию в современные сети и сети следующего поколения. Без каких-либо ограничений он может быть реализован по тем же самым кабелям, что и ADSL, VDSL, ISDN или ТфОП, обеспечивая спектральную совместимость с оптимальным балансом в скорости и дальности передачи.

Кроме того, немаловажным положительным фактором его применения в сетях операторов связи является возможность использования EFMС и CVoDSL в одном концентраторе DSL, чем достигается необходимая гибкость к последующим требованиям рынка для расширения предложения интегрированных услуг (голос плюс данные).

Можно утверждать, что на данный момент EFMC представляет собой законченное эффективное решение для построения первой мили на основе высокопроизводительной передачи симметричных потоков по медным парам с предоставлением конечным пользователям расширенных услуг на базе стандартных и, самое главное, распространенных приложений Ethernet, уже давно и по праву снискавших всеобщее признание.

Сергей Сметанин – менеджер проектов «Шмид Телеком». С ним можно связаться по адресу: contact@schmid-telecom.ru.