Sistemi di Telecomunicazione -...

Sistemi di TelecomunicazioneParte 4: Tecnologie xDSL

Universita’ Politecnica delle Marche

A.A. 2013-2014

A.A. 2013-2014 Sistemi di Telecomunicazione 1/39

Tecnologie xDSL di nuova generazione

Le tecniche xDSL si suddividono in tre grandi famiglie:


Topologia di rete


Schema a blocchi generale del sistema ADSL

La banda del doppino e’ molto maggiore dei circa 4 kHz utilizzati per la trasmissionevocale. Per sfruttare appieno tale banda bisogna utilizzare una coppia di modem, siadal lato utente che da quello rete. Lo scopo generale dell’impiego dell’ADSL e’ dicollegare la rete numerica ad alta velocita’ con i terminali applicativi di utente,impiegando il doppino telefonico. Per quanto riguarda i segnali trasportati, lanormativa fa riferimento a due tipi di segnale: ATM (Asynchronous Transfer Mode) oSTM (Synchronous Transfer Mode), a seconda di come sono multiplati i canali datitrasportati.


Modulazioni DMT e CAPI Modulazione DMT: Discrete Multi Tone

I Modulazione CAP: Carrierless Amplitude/Phase Modulation

Il rice-trasmettitore ADSL applica un tipo di modulazione che consente di ridurre lasymbol-rate trasmessa in linea, ed inoltre consente di rispettare determinate maschereper lo spettro del segnale.I metodi impiegati per la modulazione sono basati sul principio del QAM e sidistinguono in due tipi fondamentali: Modulazione DMT (Discrete Multi Tone) eModulazione CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation). Il primo tipo e’ quelloquasi esclusivamente usato da tutti i costruttori; pochi costruttori sostengono il CAPper ADSL.Dal punto di vista della trattazione matematica il primo sistema da’ piu’ enfasi allarappresentazione nel dominio della frequanza, il secondo al dominio del tempo.


Carrierless Amplitude/Phase Modulation

I La modulazione Carrierless Amplitude Phase (CAP) e’ una tecnicache suddivide il segnale in due bande distinte:

I Il canale dati upstream (verso il service provider), trasportato nellabanda tra 25 e 160 kHz

I Il canale dati downstream (verso l’utente), trasportato nella bandada 200 kHz a 1.1MHz

I Questi canali sono ampiamente separati, in modo da minimizzare ilrischio di interferenza tra i canali medesimi.


Discrete Multi Tone Modulation

I La modulazione Discrete Multi Tone Modulation (DMT) e’ unatecnica che suddivide il segnale DSL in modo tale che l’intervallo difrequenze utilizzabile risulta separato in 256 canali (osotto-portanti), ciascuno di larghezza 4.3125 kHz

I La DMT puo’ usare le diverse sotto-portanti (chiamate anchefrequency bins), in downstream e in upstream

I Le prime sei portanti sono lasciate libere, per separareadeguatamente la modulazione DMT di ADSL, dal segnale fonico inbanda base (da 0 a 4 KHz), percio’ 26 KHz e’ considerato il puntodi partenza per l’ADSL. Lo spettro e’ suddiviso in 32 portanti, per ilsegnale da modem d’utente verso il modem di centrale (upstream),218 portanti nel verso opposto (downstream)

I La DMT regola costantemente i segnali tra canali differenti perassicurare che siano utilizzati in trasmissione e ricezione i miglioricanali


La tecnica di modulazione DMT - I

I DMT e’ una tecnica trasmissiva numerica del tipo multiportante.

I Le tecniche multiportante sono basate sul principio di suddividere la bandadisponibile del canale trasmissivo in un certo numero di sottobande, e diutilizzare ciascun sottocanale cosi’ ottenuto per trasmettere un’opportunaporzione di flusso informativo.

I Rispetto alle tradizionali tecniche di modulazione a singola portante, esse

presentano i seguenti vantaggi:I L’attenuazione su ciascuna sottobanda e’ praticamente costante per cui

non e’ necessario l’impiego di equalizzatori di canale in ricezioneI L’assegnazione della capacita’ di trasmissione di ogni sottocanale e’

effettuata tenendo conto delle caratteristiche di attenuazione del canale edel livello di rumore, in modo da ottimizzare la trasmissione inviandomaggiore informazione nelle sottobande che garantiscono un migliorerapporto segnale/rumore

I La tecnica di modulazione DMT adottata per i sistemi ADSL prevede disuddividere il flusso informativo in ingresso in 256 flussi paralleli, ciascuno deiquali modula, in tecnica QAM, una delle 256 sottoportanti del sistema.

I La realizzazione del modem ADSL e’ in effetti completamente numerica grazieall’ausilio delle tecniche di trasformata veloce di Fourier (FFT).


La tecnica di modulazione DMT - II


Adattamento delle portanti DMTIl vantaggio della tecnica DMT e’ quello di poter adattare lo spettro del segnale allarisposta del canale. Se ad esempio e’ presente un Bridged Tap che crea un notch allafrequenza fx , quella frequenza non verra’ utilizzata. Allo stesso modo, se in unaporzione di banda sono presenti disturbi, quella porzione non verra’ utilizzata e leinformazioni verranno concentrate sul resto della banda disponibile, dove la qualita’della trasmissione e’ migliore.


Caratteristiche del DMT usato per ADSL - I

I Il codice di linea Discrete Multi Tone e’ basato su uno schema di modulazionemultiportante in cui la banda di trasmissione e’ suddivisa in un insieme disottoportanti, o toni, ciascuna utilizzata come canale indipendente pertrasmettere una frazione dell’informazione.

I Le caratteristiche peculiari del sistema DMT usato per realizzare sistemi ADSL

sono:I trasmissione in tecnica QAM su ogni sottobanda con efficienza spettrale

massima di 14-15 bit/s/Hz;I sottoportanti (o toni) di eguale ampiezza spettrale ed equispaziate tra loro;

la larghezza di banda e’ sufficientemente piccola in modo da permettere unimpiego quasi ottimo della capacita’ del canale compatibilmente con valoriaccettabili di complessita’ e di ritardo;

I realizzazione completamente numerica della mo/demodulazione tramitealgoritmi di trasformata veloce inversa (IFFT) e diretta (FFT) di Fourier;

I livello nominale uniforme, della densita’ spettrale di potenza trasmessa,pari a -40 dBm/Hz in downstream e -38 dBm/Hz in upstream;

I distribuzione della capacita’ di trasporto del sistema non uniforme nellesottoportanti, in funzione delle specifiche condizioni di rapporto segnalerumore nella banda di ciascuna sottoportante.


Caratteristiche del DMT usato per ADSL - II


Spettro del segnale ADSL di Categoria 1La specifica definisce due modalita’ di realizzazione del sistema DMT, dette dicategoria 1 e di categoria 2. Nei modem di categoria 1 i segnali upstream edownstream sono separati in frequenza (Frequency Division Multiplexing); per ilsegnale downstream sono utilizzati solo i toni al di sopra del segnale upstream. Ilsegnale upstream e’ posizionato a partire da un valore di frequenza (26 KHz) tale dalasciare una appropriata banda di guardia in via cautelativa per non interferire con ilsegnale POTS (Plain Old Telephon Service). Piu’ precisamente, i primi 6 toni nonsono utilizzati perche’ interferirebbero con la banda fonica (6 portanti x 4,3125 KHz =25,875).


Spettro del segnale ADSL di Categoria 2Nei modem di categoria 2 i segnali upstream e downstream sono sovrapposti e sonoseparati mediante l’impiego di un cancellatore d’eco numerico; il segnale downstreampuo’ cosi’ utilizzare tutti i toni disponibili, tranne i primi sei non utilizzati in entrambele categorie, perche’ interferirebbero con la banda fonica (6 portanti x 4,3125 KHz =25,875 kHz). Arrivando ad usare anche le sotto-portanti a frequenza piu’ bassa, neldownstream si puo’ sfruttare la minore attenuazione del doppino alla frequenzeinferiori. Il sistema di categoria 2 presenta generalmente migliori prestazioni dicapacita’ in funzione della portata (o viceversa), soprattutto nel caso di impiego divelocita’ di cifra elevate.


Spettro del segnale ADSL di Categoria 1 e 2: confronto


Richiami alla modulazione QAM - I

I La modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e’ un tipo dimodulazione in cui la definizione del simbolo trasmesso e’ determinata sia davariazioni di ampiezza che da variazioni di fase della portante.

I La QAM e’ fondamentalmente una modulazione multilivello quadrifase cheesibisce la tipica costellazione in cui i livelli modulanti sono distribuiti nei puntid’incrocio di una rete ortogonale.

I La diversa distanza di punti dal centro del diagramma denota una modulazioned’ampiezza del vettore portante, la cui posizione angolare dipende anche dallamodulazione PSK impartita sulle due sottoportanti in quadratura.


Richiami alla modulazione QAM - III Nell’esempio di 16QAM, la conversione serie parallelo trasforma il Bit Stream in

4 segnali sincroni di durata quadrupla; con cio’ l’ingombro della banda vieneridotto di 4 volte rispetto ad un sistema bifase di pari capacita’.

I Esaminando separatamente i percorsi delle due vie I e Q, e’ immediato osservareche il vettore uscente dal moltiplicatore presenta 4 possibili situazioni diampiezza e 4 possibili situazioni di fase. L’operazione di somma dei due vettoricosi’ modulati, equivale ad esaminarne la componente vettoriale quando essisono riportati su un piano cartesiano comune ad entrambi.

I Le coppie di coordinate definite da tutte le possibili configurazioni dei due vettorideterminano la costellazione della modulazione, che indica gli stati discreti che laportante puo’ assumere in un arbitrario tempo di clock.

I Dal punto di vista analitico, l’equazione dell’onda modulata QAM presenta lasomma di due termini, rispettivamente in seno ed in coseno, indicatoridell’ortogonalita’ delle due sottoportanti, ciascuno modulato in ampiezza da unsegnale logico rispettivamente mI ed mQ :s(t) = AI ·mI · senw0t + AQ ·mQ · cosw0t


Principio della modulazione multiportanteI La realizzazione del modem DMT e’ effettuata mediante l’applicazione di alcuni

principi della elaborazione numerica del segnali. Il piu’ importante di questiaspetti riguarda la realizzazione completamente numerica del banco dimodulatori QAM mediante tecniche di trasformata inversa di Fourier.

I E’ possibile dimostrare che la sequenza ottenuta campionando il segnale in uscitada un banco di N modulatori QASK (Quadrature Amplitude Shift Keying) e’uguale alla sequenza di valori in uscita di una elaborazione realizzata medianteun algoritmo IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) a 2N punti.

I La modulazione QASK e’ un caso particolare di modulazione QAM in cui laforma d’onda associata ai simboli e’ un impulso rettangolare.


Costruzione della costellazione DMT - I

I Il flusso di bit alla velocita’ di R bit/s in ingresso del modulatore DMT, e’suddiviso in blocchi di b = RT bit, dove T rappresenta il periodo di simbolo delsistema DMT. Il blocco di bit b e’ suddiviso a sua volta in N sottoblocchi bi(i = 0, 1, . . . ,N − 1) tali che la sommatoria di bi , ognuno dei quali puo’ avere unnumero diverso di bit, e’ uguale a b.

I A ciascun sottoblocco bi si associa un valore Zi che rappresenta un punto dellacostellazione determinato dalla modulazione QAM (di fatto una QASK) dellai-esima sottoportante del sistema.

I Per il sistema ADSL DMT la specifica ANSI T1.413 adotta un numero diportanti pari a N=256 (dimensione FFT 512) nel verso downstream ed a N=32(dimensione FFT 64) nel verso upstream.

I La trasmissione avviene praticamente inviando sul canale successivi vettori IFFTdi 512 campioni alla cadenza di 250 µs.

I La larghezza di banda di ogni portante e’ di 4,3125 kHz; ogni vettore FFT(simbolo DMT) ha una durata T pari a 250 µs ed e’ costituito da 512 campionitrasmessi sul canale con una frequenza di campionamento minima (nel versodownstream) di 2208 kHz.


Costruzione della costellazione DMT - II


Costruzione della costellazione DMT - III


Caratteristiche di un sistema ADSL


IDFT: Inverse Discrete Fourier Trasform - I

I La funzione IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) e’ l’algoritmo numericoche viene applicato per inviare in linea un segnale che equivale ad un insieme diN portanti modulate ciascuna in QAM.

I A ciascun sottoblocco si associa un valore complesso Zi = (Xi ,Yi ), complesso inquanto si tratta di modulazione di ampiezza e fase, che determina la posizionedel vettore della sottoportante sul piano della costellazione QAM.

I Tali vettori Zi sono solo una rappresentazione teorica del segnale DMT poiche’ ilmodulatore QAM viene realizzato mediante tecniche completamente numeriche(IDFT).

I Se in ingresso si hanno N=256 (caso Downstream) simboli per ciascun blocco dibit in cui sono stati suddivisi i dati in ingresso (corrispondenti al numero disottoportanti), in uscita del blocco IDFT si avranno 2N=512 coefficienti reali Xk .

I Secondo la rappresentazione con i numeri complessi, la somma S(N) di Nportanti modulate in ampiezza e fase puo’ essere rappresentata dalla espressionedi sommatoria delle Zi con la notazione esponenziale.

I La modulazione ottenuta mediante IDFT definisce la relazione tra i 2N valorireali Xk ed i valori complessi Zi .


IDFT: Inverse Discrete Fourier Trasform - II


Analisi Tempo/Frequenza DMT


Allocazione dinamica della velocita’ di cifra - I


Allocazione dinamica della velocita’ di cifra - II

I Per assicurare le prestazioni nominali di un sistema DMT anche nelle condizionidi disequalizzazione del portante occorre analizzare, nella fase iniziale di trainingdel sistema, le condizioni della qualita’ del canale su ogni sottoportante.

I La stima del rapporto segnale rumore, S/N R (Signal to Noise Ratio), permettedi distribuire in maniera opportuna il numero di bit su ogni sottoportante. Puo’in particolare essere dimostrato che, alle prestazioni stabilite per il tasso di erroredel sistema, il numero di bit da allocare su ogni tono di indice i e’ dato dallaformula: bi = log2[1 + (S/Ni/(9, 8 + EmdB)] dove il termine Em rappresenta ilmargine prefissato per il rapporto segnale rumore rispetto alle condizioninominali di tasso di errore di 1 · 10−7.

I Il grafico riporta il profilo del rapporto SNR sul canale e la distribuzione dei bitsu ciascuna sottoportante utilizzata. Tale distribuzione e’ relativa ad un trafficoaggregato di circa 8 Mbit/s downstream (ottenuta dall’analisi di un canalecostituito da un collegamento di circa 1,7 km di cavo con coppie di diametro 0,4mm per un sistema DMT con cancellazione d’eco).

I Il ricevitore e’ interessato da un rumore gaussiano composto da componenti didiafonia causate da sistemi HDSL e DSL coesistenti nello stesso cavo.


Bit loading

I Il vantaggio della modulazione multiportante DMT e’ quello di poter adattare ladistribuzione dei bit sulle diverse bande caratteristiche del canale (bit loading).

I La procedura e’ iniziata dall’ATU-C (il collegamento downstream e’ il piu’critico). L’ATU-C trasmette un uguale numero di bit per canale per misurare lecaratteristiche del canale trasmissivo (a sinistra). L’ATU-R elabora il segnalericevuto e comunica (sul canale upstream a bassa velocita’) la distribuzioneottimale dei bit in accordo alle caratteristiche del canale downstream.

I L’ATU-C adatta il flusso dei bit sulle varie sottoportanti in accordo alladistribuzione ottimale comunicata. Data la banda stretta di ciascun canale, nonsi ha distorsione significativa ed i requisiti di egualizzazione sono molto contenuti(al limite, nulli).

I Il bit loading e’ un grosso punto di forza della modulazione DMT data l’estremavariabilita’ delle caratteristiche del local loop.


Schema a blocchi del modulatore DMTI La sequenza di bit di ingresso viene suddivisa in blocchi di durata pari al periodo

di simbolo T (= 250 µs): ogni blocco avra’ quindi RT bit, se R = bitrate diingresso. Ogni blocco di RT bit viene a sua volta suddiviso in N sottoblocchi, seN e’ il numero di sottoportanti.

I A ciascun sottoblocco si associa un valore complesso Zi = (Xi ,Yi ) cherappresenta un punto della costellazione QAM.

I Se in ingresso si hanno N=256 simboli per ciascun blocco di bit (corrispondenteal numero di sottoportanti), in uscita del blocco IDFT si avranno 2N=512coefficienti reali.

I Ciacuna delle 256 portanti e’ modulata con una banda di 4,3125 Khz.L’efficienza di modulazione massima e’ di 14-15 bit/Hz.

I I simboli del Prefisso Ciclico vengono trasmessi in testa a ciscun blocco di bit,per facilitare le operazioni di equalizzazione del canale: essi occupano circa il 6%della banda.


Schema a blocchi del demodulatore DMT


Modello di riferimento del trasmettitore - I

Nello schema a blocchi di un trasmettitore ADSL possono essere individuati duedistinti blocchi funzionali:

I il primo effettua una codifica mirata alla protezione del flusso informativo;

I il secondo effettua la modulazione del segnale da trasmettere.

Inoltre, all’ingresso del trasmettitore down-stream, posto in Centrale, viene posto unMUX, che aggrega i vari segnali da trasmettere. Nella descrizione dei blocchi si fara’riferimento alle principali funzioni del trasmettitore ADSL di tipo DMT.

I I segnali in ingresso del blocco di protezione vengono multiplati in modo daformare due flussi informativi, denominati fast data e interleaved data. Il primoe’ utilizzato per garantire minimi ritardi a costo di maggiori errori di trasmissione(un esempio puo’ essere il segnale vocale o di una videoconferenza). Viceversa ilflusso interleaved data puo’ tollerare ritardi di trasmissione maggiori ma deveoffrire una protezione contro i disturbi di trasmissione (un esempio puo’ essere iltrasferimento di dati).

I La protezione dei flussi informativi va effettuata mediante un codice aridondanza ciclica (CRC), uno scrambler ed un codice per correggere eventualierrori (FEC) per il flusso fast data, mentre per il flusso interleaved e’ previstoanche un interleaver.


Modello di riferimento del trasmettitore - III Tone ordering: e’ un blocco funzionale, che fa parte del modulatore DMT e

provvede a far in modo che venga limitato il picco dell’inviluppo delle portanti,assegnando opportunamente i bit a ciascuna sottoportante.

I Costellation Encoder & Gain Scaling: per una determinata sotto-portante, ilcodificatore provvede a selezionare un punto della costellazione QAM dellasotto-portante stessa, a cui viene associato il simbolo da trasmettere: comeopzione, la codifica della costellazione puo’ essere fatta con Trellis code (TCM).La variazione del guadagno con un fattore di scala avviene per ciascuna portantein seguito a comando proveniente dal terminale ATU-R.

I IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform): e’ l’algoritmo numerico che vieneapplicato per creare un segnale che equivale ad inviare in linea un insieme di Nportanti modulate ciascuna in QAM.


ADSL2: la tecnologia

I L’ADSL2 consente di raggiungere velocita’ di trasferimento dati di circa 12 Mbpsin downstream e 1 Mbps in upstream, l’effettivo raggiungimento di tali velocita’dipende molto dalla distanza dell’utente dalla centrale telefonica e da altri fattori(es. qualita’ della linea telefonica).

I Grazie ad una migliorata efficienza della modulazione e ad altri accorgimenti,l’ADSL2 fornisce delle prestazioni superiori con tutti i dispositivi che supportanolo standard rispetto alla standard ADSL. Per esempio, nelle linee telefoniche chepiu’ distano dalla centrale, l’ADSL2 fa registrare un aumento di velocita’ fino a50 Kbps in downstream e upstream.

I Un altro grande miglioramento e’ legato al risparmio di energia. I transceiverADSL di prima generazione operano infatti in modalita’ full-power in ognimomento, anche quando sono inutilizzati. Considerando l’alto numero di modemADSL in circolazione, sarebbe possibile risparmiare una quantita’ considerevoledi energia se i modem ADSL potessero entrare in modalita’ stand-by/sleep,come succede per i computer. Per venire incontro a questo problema, lostandard ADSL2 ha introdotto due modalita’ di gestione dell’energia che aiutanoa ridurre il consumo totale di corrente elettrica, pur mantenendo la caratteristicafunzionalita’ always on lato utente.

I Lo standard ADSL2plus (o ADSL2+) raddoppia la banda utilizzata per latrasmissione di dati in downstream, raggiungendo velocita’ teoriche fino a25Mbps.


ADSL2+

Con ADSL2+ si raddoppia la frequenza massima utilizzata per la trasmissione deidati, da 1.1 a 2.2 MHz, questo consente di poter modulare piu’ informazioni nellastessa unita’ di tempo, quindi di portare un flusso dati di 25 Mbps su cavo telefonico.In questo caso bisogna fare ancor piu’ attenzione alle distanze. Infatti una buona resadi questa tecnologia e’ assicurata per poche centinaia di metri (1,5-2 Km).


Tecnologie xDSL: prestazioni e distanze


ADSL2/+ e VDSL - I


ADSL2/+ e VDSL - II


Configurazione VDSL


Confronto tra le tecnologie xDSL


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