DSL Zugangsnetze Grundlagen, Simulation und Modellierung

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1 DSL Zugangsnetze Grundlagen, Simulation und Modellierung Institut für Kommunikationstechnik Dipl.-Ing. Kilian Henneböhle Vorlesung KTE Stand 01/2012 Prof. Dr.-Ing. Ingo Kunold Prof. Dr.-Ing. Ulf Niemeyer

2 Inhalt Zugangsnetz im Bereich der letzten Meile Motivation Vergleich d. Technologien Status Quo in Deutschland Letzte Meile (Last Mile) Inhouse-Bereich Medium CuDa Kanalmodell DTAG#1 Störeinflüsse durch Crosstalk ADSL Standardisierung von DSL Entwicklung Protokollstack Grundlagen Modulatiosnverfahren Kanalcodierung Datenraten Simulation & Modellierung Motivation Methodik Simulation des Physical Layer in Matlab Methodik Sender (DSL-Modem) Empfänger (Linecard) PSD Shaping Ergebnisse Simulation des Zugangsnetzes in OMNeT++ Grundlagen TCP/IP Modellregion Lastgeneratoren Auswertung der Simulation Ausblick Folie Nr. 2

3 Zugangsnetz im Bereich der letzten Meile (Last Mile) Folie Nr. 3

4 Motivation Breitbandstrategie der Bundesregierung: 75 Prozent aller Haushalte sollen bis 2014 Breitbandanschlüsse mit Datenraten von mehr als 50 Mb/s nutzen können! Folie Nr. 4

5 DSL im Vergleich zu konkurrierenden Technologien Vergleich zu Internet über Koaxialkabel Ein Koaxialkabel hat bauartbedingt sehr hohe Kanalkapazität. Eine Aufrüstung auf Euro-DOCSIS 3.0 für die Anbieter sehr teuer, daher sind hohe Upload-Geschwindigkeiten noch nicht überall verfügbar. In Zukunft könnten Kabelnetzbetreiber in die Regulierung kommen. Vergleich zu Funktechnologien UMTS (3G)/LTE (3,9G)/WiMax Hohe Bandbreiten innerhalb einer Funkzelle, Teilnehmer müssen sich die Bandbreite teilen. LTE-Advanced als 4G-Technologie der ITU-T wird viel Bandbreite zur Verfügung stellen. Abdeckung der weissen Flecken des Breitbandatlas durch digitale Dividende. Vergleich zu FTTH Die Verlegung von Glasfasern nur in Neubauten rentabel. VDSL2 ist wichtiger Bestandteil von FTTB-/FTTCab-Architekturen und damit eine Schlüsseltechnologie im Übergang zu einer reinen FTTH-Architektur. DSL basiert auf der günstigen Kupferdoppelader. In Zukunft höhere Bandbreiten durch DSM Level 3. FTTB/FTTCab ist eine Möglichkeit, hohe Bandbreiten durch VDSL2 bereitzustellen. Folie Nr. 5

6 Zugangsnetz Letzte Meile EVz KVz HVt CuDa LWL Einzelverzweiger Kabelverzweiger Hauptverteiler Kupferdoppelader Lichtwellenleiter Abbildung: Aufbau des Zugangsnetzes [1] Folie Nr. 6

7 Zugangsnetz - Status quo in Deutschland Das DSL Zugangsnetz in Deutschland basiert auf mehr als 8000 Hauptverteilern (Central Office). DSL hat eine (zeitliche) Verfügbarkeit von 97% (im Jahr) und bietet eine flächendeckende Verfügbarkeit von 99% in Ballungszentren mit einer Gesamtanzahl von über 23 Millionen Teilnehmern [Nov. 2011, Bitkom]. Asymmetrische DSL Technologien über die Teilnehmeranschlussleitung (TAL): ADSL Annex B ADSL2+ Annex B ADSL2+ Annex J (Unbundled DSL) VDSL2 Annex B Profile 8b/17a Folie Nr. 7

8 Zugangsnetz Inhouse-Bereich Hintergrundbild: Ausbaustatus von VDSL2 (Quelle: DTAG Mai 2011) Folie Nr. 8

9 Zugangsnetz - Medium CuDa Kupferdoppelader (CuDa), ursprünglich für analogen Telefonanschluss und ISDN-Dienste (Telefonie und Datenübertragung) Genormte Kabel (A-2YF(L)2Y), jeweils zwei Adernpaare (Doppelader) bilden einen Sternvierer => Jeweils fünf Sternvierer bilden ein Grundbündel => Grundbündel werden zu Hauptkabeln mit bis zu 2000 Doppeladern verseilt. Kabeldurchmesser: 0.35/0.40/0.50/0.60 mm Die Kabel sind normalerweise auf den letzten Metern (Hausanschluss) nur unzureichend abgeschirmt, teilweise sind Stichleitungen vorhanden (Bridge Taps => Leitungen ohne Abschlusswiderstand). Skin Effekt bei hohen Frequenzen Folie Nr. 9

10 Zugangsnetz - Medium CuDa Berechnung der Übertragungsfunktion aus den sekundären Kabelparametern Eingangswiderstand Ζ 0 (f) und Ausbreitungskoeffizienten γ(f). Die sekundären Kabelparamter werden aus den primären längenabhängigen Kabelparametern Widerstandsbelag R (Ω/m), Induktivitätsbelag L (Henry/m), Kapazitätsbelag C (Farad/m) und Ableitungsbelag G (Siemens/m) berechnet (Siehe auch Telegraphengleichungen). Folie Nr. 10

11 Zugangsnetz - Kanalmodell DTAG#1 γ Z 0 clip Z Y f P S [1/km] K a 1 a 2 b 1 b 2 z 1 z 2 x 1 x Ausbreitungskoeffizient [ Ω] Wellenwiderstand [Ω/km] [S/km] [MHz], K, K, K, K, K, K, K Die clip-funktion setzt alle negativen Realteile auf "0". Serienwiderstand Querleitwert Frequenz, K Einheitenlose Konstanten 2 x 3 Das Modell DTAG#1 verwendet 11 Konstanten pro Frequenzbereich ( MHz, MHz, MHz) γ ( f ) = ( K + K f ) 1 20 ln(10) + j ( K f + K f ) a1 a2 b1 b2 Z f = K + K f j K K + f Kz 3 Kx3 ( ) ( / ) exp{( ) / (( ) )} 0 z1 z2 x1 x2 Z ( f ) = γ Z s 0 Y ( f ) = clip{ re( γ / Z )} + j im( γ / Z ) p 0 0 Abbildung: DTAG#1 [5] Folie Nr. 11

12 Zugangsnetz Störeinflüsse durch Crosstalk Nahübersprechen (Near End Crosstalk => NEXT) Fernübersprechen (Far End Crosstalk => FEXT) Fremdübersprechen (Alien Crosstalk => AXT) Abbildung: Übersprechen [3] Folie Nr. 12

13 ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Folie Nr. 13

14 ADSL - Standardisierung von DSL ANSI => Amerikanische Standard ANSI T1.413 Issue 2 ITU-T => Internationaler Standard ITU-T G (ADSL), G (ADSL2+), G (VDSL2) ETSI => Europäische Norm ETSI TS , modifziert die ITU-T Norm DTAG => DTAG 1TR112, Beschreibung der U-Schnittstelle, Technische Richtlinie der deutschen Telekom AG Folie Nr. 14

15 ADSL Entwicklung Folie Nr. 15

16 ADSL - Protokollstack Abbildung: Protokollstack (Quelle: DSL Advances, Prentice Hall) Folie Nr. 16

17 ADSL - Grundlagen In der Hauptvermittlungsstelle wird das Signal eingespeist. Im Splitter wird das Signal durch eine Frequenzweiche ausgekoppelt. In Deutschland wird nur DSL nach Annex B angeboten (Frequenzbereich von ISDN bis 120kHz wird freigelassen), auch bei Verwendung von analogen Anschlüssen (In anderen Ländern Annex A). Prinzip: ADSL wird parallel zur Telefonie auf den ungenutzten höheren Frequenzbereichen auf der Kupferdoppelader übertragen. Folie Nr. 17

18 ADSL - Modulationsverfahren Das Modulationsverfahren ist Discrete Multitone Transmission (DMT), eine Variante der Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Prinzip: Der Datenstrom wird auf viele kleinere Datenströme aufgeteilt. Diese Datenströme werden mit einer Quadratur Amplitude Modulation (QAM) moduliert und übertragen. Der Frequenzbereich wird in eine Anzahl von Trägern mit einem festen Frequenzabstand von 4,3125 khz und einer Bandbreite von 4 khz aufgeteilt. Pro Träger können zwischen 2 bit (QPSK) und 15 bit (32768QAM) übertragen werden. Folie Nr. 18

19 Tafelbild (Folie wird nicht angezeigt!) Folie Nr. 19

20 ADSL Kanalcodierung Prüfsumme: Cyclic Redundancy Check (CRC) Verkettete Codierung zur Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC): 1. Reed-Solomon-Codierung (Blockcode) und Interleaving gegen Impulsstörungen 2. Interleaving verursacht eine Verzögerung (Latency Path) 3. Trellis-Codierung (Faltungscode) gegen NEXT- und FEXT- Störeinflüsse Folie Nr. 20

21 ADSL - Datenraten DSL Anschluss Downstream Upstream DSL kb/s 768 kb/s 1024 kb/s 64 kb/s 128 kb/s 128 kb/s DSL kb/s 2048 kb/s 64 kb/s 192 kb/s(optional Erhöhung auf 384 kb/s, wenn 192 kb/s überlassen wurden) DSL kb/s 6016 kb/s 192 kb/s 576 kb/s(optional Erhöhung auf 512 kb/s, wenn 384 kb/s überlassen wurden) DSL kb/s kb/s 576 kb/s 1024 kb/s DSL 16 Plus kb/s kb/s 800 kb/s 1000 kb/s VDSL kb/s kb/s 1638 kb/s 5120 kb/s VDSL kb/s kb/s 2720 kb/s kb/s Tabelle: Vertraglich zugesicherte Datenraten der DTAG [DTAG-AGB], Stand April 2011 Folie Nr. 21

22 Simulation und Modellierung Folie Nr. 22

23 Simulation & Modellierung - Motivation Was soll untersucht werden? Eine Simulation ermöglicht es, die Effekte von physikalischen Begebenheiten zu untersuchen, ohne reale Messungen durchzuführen: Kostenfaktor Skalierbarkeit Messergebnisse reproduzierbar Die mögliche Kapazität eines Netzes kann sinnvoll abgeschätzt werden. Anhand von repräsentativen Studien über das Nutzungsverhalten im Internet (Ipoque) können Verkehrslastgeneratoren konfiguriert werden. Folie Nr. 23

24 Simulation & Modellierung - Motivation Wie verläuft die Simulation im Detail? Der DSL-Standard beschreibt insbesondere die Funktionsweise auf der Ebene der Bitübertragungsschicht (Kabeleigenschaften, elektrische Signale, Rauschen, etc.) => Untersuchung anhand von Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung. Die Funktionsweise in einem hochskalierten Netzwerk auf den höheren Schichten (TCP/UDP, Lasterzeugung, Netzwerktopologie) erfordert eine differenzierte Untersuchung anhand der logischen Prozesse. Es ist sinnvoll, die Simulation aufzuteilen und entsprechend mit Werkzeugen zu untersuchen, die sich in ihrem Einsatzbereich als sinnvoll erwiesen haben! Folie Nr. 24

25 Simulation & Modellierung Methodik Simulation des Physical Layer in Matlab Physical Layer der Übertragungstechnologie nach den Spezifikationen. Erweiterung der Matlab-Simulation um eine Datenbankschnittstelle. Simulation des hochskalierten Netzwerks in OMNeT++. Auswertung der Simulation mit GNU R, etc.. Folie Nr. 25

26 Simulation des Physical Layer in Matlab Folie Nr. 26

27 Simulation des Physical Layer in Matlab Methodik 1. Anhand eines Kanalmodells und elektrischer Parameter wird eine Übertragungsfunktion aufgestellt. 2. Unterschiedliche Quellen erzeugen Rauschen, die Leistung der Störsignale wird berechnet. 3. Der Sender (DSL-Modem) basiert auf einer fest definierten Vorlage der spektralen Leistungsdichte. 4. Der Empfänger (DSLAM/Linecard) ermittelt das ankommende Signal anhand des Generic DMT Detection Modells. 5. Die absoluten Datenraten werden unter Berücksichtigung von Trellis- und Reed Solomon Codierung ermittelt. Folie Nr. 27

28 Simulation des Physical Layer in Matlab Sender (DSL-Modem) Das Sendersignal wird als Vorlage in Form einer spektralen Leistungsdichte für jede DSL-Technologie vorgegeben. Die Vorlage stellt die gemessenen Werte eines durchschnittlichen Modems dar. Folie Nr. 28

29 Simulation des Physical Layer in Matlab Empfänger (Linecard) b d d d d k bd b bs sd SNR Γ Daten pro Träger Data line rate, nur Payload Line rate, Payload plus Overhead Synch line rate, Overhead Symbol data rate Signal to Noise Ratio SNR gap ( ) Bitloading Funktion load b k b k SNR log (1 ) = 2 + Γ d = d b = d load( b ), k Tones bd sd sd k i= 0 d = d + d b bd bs k [bit/tone/symbol] [bit/s] [bit/s] [bit/s] [bit/s] [db] [db] Das SNR ergibt sich aus der Leistung des ankommenden Signals und der Leistung des Crosstalks! Folie Nr. 29

30 Simulation des Physical Layer in Matlab PSD Shaping Power Spectral Density (PSD => Spektrale Leistungsdichte) Downstream Power Backoff (DPBO) Für den parallelen Betrieb von VDSL2-Anschlüssen mit unterschiedlichen Leistungslängen wird die Sendeleistung des Downstreams reduziert. Upstream Power Backoff (UPBO) Für den Betrieb parallelen Leitungen aus einem HVt und einem Outdoor DSLAM wird die Sendeleistung des Upstreams reduziert. PSD Shaping durch Masken (PSD masks => obere Grenzen der Leistungsdichte) und Vorlagen (PSD templates => durchschnittliche Werte der Leistungsdichte eines DSL-Modems). Folie Nr. 30

31 Simulation des Physical Layer in Matlab Ergebnisse Folie Nr. 31

32 Simulation des Zugangsnetzes in OMNeT++ Folie Nr. 32

33 Simulation des Zugangsnetzes - Grundlagen INET Framework bringt als Erweiterung Module der Netzwerktechnik mit: Router, Ethernet, TCP/IP, etc.. Die Funktionen werden in C++ programmiert, das Netzwerklayout wird in NED (Network Description Language) beschrieben, die Simulation wird mittels Skripten gesteuert (.ini). Open Source, die kommerzielle Version OMNEST wird unter anderem verwendet von: IBM, Intel, CISCO, EADS, Siemens, etc. Folie Nr. 33

34 Simulation des Zugangsnetzes - TCP/IP Der TCP-Stack ist innerhalb der INET-Erweiterung für OMNeT++ komplett implementiert TCP Mechanismen: TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit Beim Vergleich der TCP-Verbindung und der UDP-Übertragung: Paketverluste dürfen bei TCP nicht vorkommen! Folie Nr. 34

35 Simulation des Zugangsnetzes Modellregion Modellregion Netzwerk Die Datenquelle ist der Lastgenerator. Der Lastgenerator ist mit der Gegenstelle verbunden. Lastgenerator Netzwerk wird anhand der Parameter einer Modellregion abgebildet. Jeder Haushalt stellt eine Datenquelle dar. Folie Nr. 35

36 Simulation des Zugangsnetzes - Lastgenerator Wichtigste Komponente in der Simulation Reduzierte Komplexität Module trafgen ist austauschbar Schnittstelle mit verschiedenen Queuing-Optionen Folie Nr. 36

37 Simulation des Zugangsnetzes - Auswertung MATLAB: Auswertung der Bitübertragungsschicht => Datenraten OMNeT++: Auswertung der höheren Protokolle => RTT, Paketverluste, Kanalauslastung Validierung der Simulation anhand der Testreihen (ETSI für ADSL, Broadbandforum TR-67 für ADSL2+ und TR-114 für VDSL2) Folie Nr. 37

38 Ausblick Folie Nr. 38

39 Projektarbeiten Themengebiet: MATLAB und OMNeT++ in der Simulation Implementierung von VPN in der Simulation Implementierung von neuen Protokollen und Lastgeneratoren Untersuchung der Performance von Simulationen Auswertung von Simulation (Statistische Betrachtung) Optimierung der DSL-Simulation Wird zur Verfügung gestellt: Workstations, Server, Kaffeemaschine! Folie Nr. 39

40 Literatur [1] Andreas Mertz, Martin Pollakowski: xdsl & Access Networks - Grundlagen, Technik und Einsatzaspekte von HDSL, ADSL und VDSL. Prentice Hall, München 2003, ISBN [2] DTAG 1TR112 v10.0 (02/2011): Technical Specification of the U- Interfaces of xdsl DSLAM systems in the network of Deutsche Telekom [3] ITU-T G (06/99): TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMSAND NETWORKS; Digital transmission systems Digital sections and digital linesystem Access networks;asymmetrical digital subscriber line (ADSL) transceivers [4] ETSI TS V1.4.1 ( ): Access Terminals Transmission and Multiplexing(ATTM); Access transmission systems on metallic access cables;asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) - European specific requirements[itu-t Recommendation G modified] [5] ETSI STC TM6 Permanent Document TM6(97)02: Cable reference models for simulating metallic access networks Folie Nr. 40

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie Nr. 41