xdsl-technologie Brücke zwischen Schmalband- und Breitband-Netzwerken

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1 xdsl-technologie Brücke zwischen Schmalband- und Breitband-Netzwerken PATRICK HEYER Die heute existierenden Modemtechnologien auf Basis von ISDN oder dem V.90 Standard ermöglichen es nicht, in erträglicher Zeit Sounddateien in Digitalqualität, hochauflösende Farbgrafiken oder gar Echtzeitvideodateien aus dem Internet zu laden. Um die Übertragungsgeschwindigkeit zum Endverbraucher zu erhöhen, kommen verschiedene Optionen in Betracht, wobei prinzipiell drei Lösungen denkbar sind; Übertragungen durch die Energieversorgungsleitungen, über Breitbandkabel (TV) und über das traditionelle Telefonnetz aus Kupferkabeln unter Verwendung einer Technologie, die sich Asymmetrical Digital Subscriber Line, kurz ADSL, nennt. Die zunehmende Verbreitung des Internets als universelle Informationsquelle läßt den Ruf nach schnelleren Zugriffstechnologien lauter werden. Die stark wachsende Zahl von Nutzern, verbunden mit einer steigenden Komplexität des Informationsangebots erforderte bisher erhebliche Geduld, dieses neue Medium zu nutzen. Alle drei Lösungsansätze (Übertragungen durch die Energieversorgungsleitungen, über Breitbandkabel (TV) und über das traditionelle Telefonnetz aus Kupferkabeln unter Verwendung der ADSL- Technologie) sind dazu gedacht, den Engpaß zwischen der Vermittlungsstelle des Telekommunikationsunternehmens und dem Teilnehmer, der sogenannten letzten Meile (Local Loop), zu überwinden. Die Übertragung zwischen den Vermittlungsstellen und den Internetdienstleistern ist ohnehin mit Hochgeschwindigkeits-Verfahren wie ATM (Asynchronous Transfer Mode), zum Beispiel mittels Glasfaserkabel, realisiert. Eine naheliegende Möglichkeit, Daten vom und zum Verbraucher zu übertragen liegt in der Verwendung des Energieversorgungsnetzes. Allerdings stehen die Entwicklungen in Bezug auf Hochgeschwindigkeitsübertragungen mit Bitraten >1Mbit/s gerade erst am Anfang. Es existieren europäische Übertragungsstandards wie beispielsweise EN (Cenelec), die die Nutzung des Frequenzbandes von 40 khz bis 148,5 khz ermöglichen, was beispielsweise zur Fernabfrage des Energieverbrauchs via Power Line Modem benutzt wird. Diese Übertragung verläuft jedoch sehr langsam (<300 bit/s). Die elektrische Charakteristik des Stromnetzes ist starken Schwankungen unterworfen, insbesondere die Leitungsimpedanz kann bis unter die Bild 1:Frequenznutzung der Telefonie (POTS: Plain Old Telephone Service) 1-Ω-Grenze sinken, was enorme Anforderungen an die Leitungsschnittstellen stellt. Die technischen Hürden einer Hochgeschwindigkeitsübertragung sind noch keinesfalls genommen. Abgesehen davon verfügen die Energieversorgungsunternehmen noch nicht über die erforderliche Telecom-Infrastruktur, die zur Verteilung der Daten erforderlich ist. Andere Bestrebungen zielen auf die Verwendung von Modems, die die Breitbandverkabelung verwenden. Allerdings fehlen hier sowohl einheitliche Standards als auch gewachsene Infrastrukturen. Desweiteren ist die Bild 2: Frequenznutzung durch die Digital Subscriber Line - Technologie flächendeckende Versorgung nicht sichergestellt, da nicht alle Haushalte an ein Breitbandkabelsystem angeschlossen sind. Gegenüber den voran genannten Verfahren liegt der Vorteil, den ADSL bietet, in der Verwendung der vorhandenen Telekommunikationsinfrastruktur. Dabei geht es nicht nur um die Millionen von Kilometern Zweidrahtleitung, die heute bereits verlegt sind, sondern auch um die damit einhergehend installierten Vermittlungssysteme. Darüberhinaus existieren bereits weitreichende Standards wie G.dmt oder G.Lite gemäß denen schon heute ADSLtaugliche Vermittlungsstellen und Modems installiert und eingesetzt werden. Was ist xdsl? Das existierende Telefonnetz wurde für 43

2 Kürzel Technologie Downstream Upstream Leitungslänge ISDN Integrated Services 128 kbit/s 128 kbit/s 6 km Digital Network ADSL Asymmetrical DSL 6 Mbit/s 640 kbit/s 4 km 8 Mbit/s 800 kbit/s 3 km HDSL High Speed DSL 2 Mbit/s 2 Mbit/s 5 km VDSL Very High Bit-Rate DSL 13 Mbit/s 640 kbit/s 1km 52 Mbit/s 2.3 Mbit/s 300 m Tabelle 1: Übertragungsgeschwindigkeiten und maximale Leitungslängen einiger DSL Technologien Sprachkommunikation innerhalb einer 4-kHz- Bandbreite entwickelt. Diese Bandbreite limitiert die Datenübertragung auf die im Moment mit V.90 Modems verfügbaren 56 kbit/s und läßt außerhalb liegende Frequenzbereiche ungenutzt (Bild 1). DSL steht für Digital Subscriber Line und bezeichnet eine neue Technologie zur Datenübertragung über Kupferkabel. Diese wurde entwickelt um zum einen die bestehende Telefonkabelinfrastruktur und zum anderen freie Übertragungsbandbreiten nutzen zu können. Das x bestimmt die Art der DSL Technologie. ADSL (Asymmetrical DSL) beispielsweise verwendet Frequenzen bis zu 1,1MHz und überträgt so bis zu 9 Mbit/s in Teilnehmerrichtung (Downstream) und 800 kbit/s in Richtung der Vermittlungsstelle (Upstream). Der reguläre Telefoniedienst bleibt unbeeinträchtigt erhalten. Damit ist die ADSL Übertragungstechnik etwa 100mal schneller als die heutiger 56 kbit/s Sprachband-Modems. Durch VDSL können Bitraten bis zu 52 Mbit/s (Downstream) und bis zu 2,3 Mbit/s (Upstream) realisiert werden. Hierbei werden noch Frequenzen bis nahe 100 MHz zur Übertragung herangezogen. Eine solch hohe Datenrate wird jedoch mit einer erheblich geringeren maximalen Leitungslänge erkauft. In Bild 2 ist die Frequenznutzung durch die DSL-Technologie dargestellt. Symmetrische Dienste wie HDSL zielen auf Anwendungen im Geschäftsbereich, zum Beispiel auf Unternehmensgeländen, Gewerbeparks oder aber Citynetzen, in denen hohe Datenraten in beiden Richtungen von Bedeutung sind. Ein asymmetrischer Dienst wie ADSL hat die Heimnutzer zum Ziel, da Internetzugriff oder auch Video auf Abruf vor allem große Datenraten in Richtung des Konsumenten erfordern. Daher haben sich inzwischen Telekommunikationsunternehmen in den Vereinigten Staaten und Europa für den Bild 3: Mögliches ADSL-Netzwerk Einsatz von ADSL entschieden, da diese Technologie den geeigneten Kompromiß zwischen Downstreamrate, Leitungslänge und Flächendeckung bietet (Tabelle 1). Für Europa wird zusätzlich die ISDN-Funktionalität in den ADSL-Service mit integriert. Das ADSL Netzwerkmodel Das Schaubild eines möglichen Telekommunikationsnetzwerkes unter Verwendung von ADSL zeigt Bild 3. Die rechte Seite des Diagramms zeigt die Teilnehmerseite mit Endgeräten wie ISDN Telefon, Set-Top-Box für Video auf Abruf oder Personalcomputer. Das Verteilernetzwerk (PDN Premises Distribution Network) stellt ein System dar, das Daten eines ADSL Modems (ATU-R Remote ADSL Transmission Unit) an die angeschlossenen Endgeräte verteilt. Im Moment ist dieses Verteilernetzwerk noch am wenigsten definiert. Prinzipiell ist hier von der einfachen Kabelverbindung bis zum lokalen Netzwerk mittels Ethernet alles denkbar. Die Übertragungseinheit in der Vermittlungsstelle (ATU-C Central Office ADSL Transmission Unit) verbindet das Telefonnetzwerk durch den Zugangsknoten (Access node). Der Zugangsknoten zeichnet verantwortlich für Datenkonzentration, Protokollumwandlung und Vermittlung. Die linke Seite zeigt Dienstleister wie ISPs (Internet Service Provider) und Videoanbieter. Außerdem sind die sogenannten Splitter dargestellt, die sich zwischen den ADSL-Modems befinden. Nach dem momentanen Stand der Technik ist es nicht möglich Telefon und Modem gleichzeitig zu benutzen. Bei ADSL ist dies nicht der Fall, da Sprach- und ADSL-Signale auf verschiedenen Frequenzen übertragen werden. Die Splitter stellen im wesentlichen Filter dar, die das auf der Telefonleitung vorhandene Signal nach Frequenzen und somit den Sprachdienst vom ADSL- Datenstrom trennen. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Verwendung beider Dienste. Wie funktioniert ADSL? Zunächst muß betont werden, daß es sich bei ADSL übertragungstechnisch um ein analo- 44

3 Bild 4: Kabelbündel im Querschnitt stand jedes Kanals ab. Dieses Verfahren wurde Anfang der neunziger Jahre von Amati Communciations entwickelt, ist jedoch erst heute in großem Stil kommerziell nutzbar, da die zur Berechnung der Algorithmen notwendige Rechenleistung jetzt zu einem wirtschaftlichen Preis verfügbar ist. Die tatsächliche Anzahl und Lage von Trägern, die zur ADSL-Übertragung herangezogen wird, hängt zunächst vom verwendeten ADSL-Standard ab. Sogenanntes Full-Rate ADSL mit Geschwindigkeiten von 8 Mbit/s zum Teilnehmer und 800 kbit/s vom Teilnehmer wurde im ANSI Standard T1.413 Issue 2 festgelegt. Dieser ist auch unter der Bezeichnung G.dmt beziehungsweise wie seit Oktober 1998 von der ITU-T (International Telecommunications Union s Telecommunication Group) fesgelegt unter dem Namen G bekannt. Eine ADSL-Version, die ohne die bereits erwähnten Splitter auskommt, jedoch nur Downstream- Raten bis 1Mbit/s ermöglicht, wird als G.Lite pa wichtig wird die Implementierung von ADSL bei gleichzeitiger Erhaltung des ISDN- Dienstes sein. Die Frage des Standards ist hier noch zu klären. Technisch gesehen spielen die Leitungsbedingungen die entscheidende Rolle. Die Übertragungsqualität, das heißt die Anzahl verwendbarer Bit pro Kanal wird maßgeblich durch die Eigenschaften der Übertragungsstrecke, sprich der Telefonleitung beeinflußt. Mehrere stark variable Faktoren, die das Signalrauschverhältnis beeinflussen spielen hierbei eine Rolle. Die dominierende Beschränkung der Datenrate ergibt sich durch eine bestimmte Eigenschaft der Zweidrahtleitung: Bild 5: Die Einkopplung zwischen verschiedenen Leitungen nimmt mit der Signalfrequenz stark zu Bild 6: Verminderung der Anzahl nutzbarer Bits/Träger durch Leitungscharakteristik und externe Störeinflüsse ges Verfahren handelt. Wie bei einem analogen Sprachbandmodem wird ein Modulationsverfahren verwendet, daß digitale Daten in ein analoges Signal umwandelt und auf eine oder mehrere Trägerfrequenzen aufmoduliert. ADSL nutzt das sogenannte DMT (Discrete Multi Tone) Verfahren, bei dem bis zu 256 Einzelkanäle, auch Töne genannt, im Abstand von 4,3125 khz verwendet werden. Jeder dieser Töne kann theoretisch maximal 15 bit bei einer Modulationsfrequenz von 4 khz transportieren und wird quadraturamplitudenmoduliert (QAM). Die Zahl der tatsächlich verwendeten Bit hängt vom Signalrauschab- oder auch offiziell G bezeichnet. Insbesondere für Euro- Sie dämpft ein Signal proportional zu dessen Frequenz und zur Länge der Leitung. Während über eine 300 m lange Zweidrahtleitung innerhalb eines 24er Kabelbündels eine Rate von 52 Mbit/s erreicht werden kann, schrumpft diese bei 6 km Leitungslänge auf 1,5 Mbit/s zusammen. Bild 4 zeigt ein solches Kabelbündel. Andere Einflüsse wie Übersprechen und Impulsstörungen wirken in geringerem Maße ein. Übersprechen findet im wesentlichen durch benachbarte Zweidrahtleitungen statt, die mit im Leitungsbündel verlegt sind. Die Nachbarleitungen können dabei ADSL, T1 oder gewöhnliche Telefoniedienste tragen. Bis zu 50 Zweidrahtleitungen könnnen in einem Bündel enthalten sein, wobei die Einkopplung zwischen verschiedenen Leitungen mit der Signalfrequenz stark zunimmt (Bild 5). Nicht korrekt abgeschlossene Leitungsverzweigungen (Bridged Tap) erzeugen durch Reflexionen Einbrüche im nutzbaren Frequenzspektrum. Interferenzen durch Radiosender treten in engen Frequenzbereichen auf, können jedoch hohe Störspitzen bilden, die die entsprechende Trägerfrequenz völlig unbrauchbar werden lassen. Die Stärke der 45

4 Tabelle 2: xdsl-transceiver von TI Einstrahlung hängt dabei von der Entfernung zwischen Sender und Telefonleitung ab. Störimpulse werden auch von Haushaltsgeräten und Beleuchtungen erzeugt. Diese treten meist während kurzer Zeit (Hunderte von µs) auf. Betrachtet man nur die Signaldämpfung über der Frequenz sieht man, daß längst nicht für jede Trägerfrequenz die maximale Anzahl von 15 bit zur Informationsübertragung zur Verfügung steht (Bild 6). Nimmt man noch Störeinflüsse wie unabgeschlossene Leitungszweige, Radioeinstrahlung und Übersprechen hinzu wird die Anzahl nutzbarer Bit pro Ton reduziert, in machen Fällen sogar bis zur völligen Auslöschung. Da die Leitungsbeeinträchtigungen zeitlich nicht konstant sind, wird vor Übertragungen die Leitung trainiert, das heißt, man analysiert die Leitungsbedingungen und identifiziert nutzbare Trägerfrequenzen und deren maximal möglichen Informationsgehalt. Nur diese werden zur Übertragung herangezogen. Daher bezeichnet man das DMT-Verfahren auch als rate adaptive, da Daten nur Trägern hoher Qualität zugewiesen werden. Verschlechtern sich die Leitungsbedingungen und vermindert sich somit die Datenrate, wird wiederholt trainiert. Es leuchtet ein, daß all diese Kodierungs-, Modulations-, Überwachungs- und Fehlerkorrekturprozesse enorme Rechenleistungen erfordern. Digitale Signalprozessoren (DSP) machen die Entwicklung erschwinglicher ADSL-Geräte erst möglich. ADSL Systemarchitektur Texas Instruments (TI) entwickelt komplette Lösungen, die sowohl den Anforderungen von DSL-Serviceanbietern als auch von Modemherstellern gerecht werden (Tabelle 2). Hierzu zählt eine umfangreiche Produktpalette integrierter Schaltkreise für Geräte in Vermittlungsstellen und auf der Teilnehmerseite als auch die DMT Software von Amati. Zusätzlich nimmt TI aktiv an Kompatibilitätstests teil, die die Austauschbarkeit von Systemen verschiedener Hersteller garantieren. Grundlage der TI-Systemarchitektur sind im wesentlichen drei Komponenten (Bild 7). Das digitale Interface nimmt Multiplexer/ Demultiplexer, Coding/Encoding sowie andere Kontrollfunktionen war und bereitet so den digitalen Datenstrom passend zur weiteren Verarbeitung auf. Grundlage der ADSL- Lösungen von TI sind DSPs auf Basis des TMS320C6x, da diese Prozessorgeneration in der Lage ist, die sehr rechenintensiven ADSL Algorithmen wie FFT, Equalizing oder Echounterdrückung in Echtzeit zu bewältigen. Der DSP stellt das eigentliche Herz des Systems dar, innerhalb dessen die Leitungsbedingungen geprüft und dementsprechend die einzelnen Töne beziehungsweise Trägerfrequenzen Bild 7: Systemarchitektur von Texas Instruments mit den Daten in der digitalen Domäne moduliert werden. Von Vorteil ist hier auch die Tatsache der freien Programmierbarkeit. Diese ermöglicht die unkritische und kostengünstige Aufrüstung der Betriebssoftware zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Funktionalität des Systems erhöht werden soll. Ein kritisches Element in der Systemkette ist jedoch die Analog/Mischsignal-Technologie, die die digitale Welt des DSP mit der realen Welt des über Kupferdraht weitergeleiteten Analogsignals verbindet. Hochintegrierte Codecs, die den digitalen Datenstrom des DSPs in ein analoges Signal wandeln und dieses filtern sind ebenso wichtig für die standardgemäße Ausführung von ADSL wie rauscharme und leistungsstarke Leitungstreiber. 46

5 Der TLV320AD12 stellt eine vollständige Codec-Lösung für Vermittlungsstellen dar. Er integriert die digitalen Filter und 14-bit-ADsowie DA-Wandler, die nötig sind um 8 Mbit/s Downstream sowie 800 kbit/s Upstream zu realisieren. Durch die integrierten Filterprozesse reduziert sich die Komplexität des Systems, die benötige Leiterplattenfläche wird reduziert. Programmierbare Regelverstärker sorgen für Entwicklungsflexibilität und helfen bei der Systemoptimierung bezüglich der Datendurchsatzrate. Zur analogen Datenübertragung durch Kilometer verdrillter Zweidrahtleitung sind analoge Treiberbausteine mit extrem niedrigen Verzerrungswerten und hohen Ausgangsleistungen nötig, um Signalabschwächungen und Interferenzen nicht zu einem Problem werden zu lassen. Leitungstreiber wie der THS6012 oder der kombinierte Treiber/Empfänger-IC THS6002 bieten auf der Seite der Vermittlungstelle einen sehr niedrigen Klirrfaktor von 72 dbc bei 1MHz, der durch die sehr hohe Nachführgeschwindigkeit von mehr als 1000 V/µs und einen maximalen Ausgangsstrom von 500mA ermöglicht wird. Beides hält eine Signalabschwächung bei sehr langen Telefonleitungen innerhalb der erlaubten Grenzen des G.dmt- Standards, der die höchsten für ADSL festgelegten Übertragungsraten beschreibt. Für die Teilnehmerseite steht hierzu der THS6022 mit verminderter Ausgangsleistung zur Verfügung, da die Upstream-Rate eine weit geringere Energiedichte auf der Telefonleitung erfordert. Als Empfänger sowohl auf der Vermittlungs- als auch Teilnehmerseite können der THS7002 mit programmierbarer Verstärkung und der extrem verzerrungsfreie THS6062 eingesetzt werden. Zusammenfassung DSL (Digital Subscriber Line) Technologien schlagen eine vielversprechende Brücke zwischen den leitungsvermittelten Schmalband- Telefonnetzwerken, wie sie heute millionenfach im Einsatz sind und den rasch zunehmenden paketvermittelten Breitbandnetzwerken. Internetzugang, Videokonferenzen, Bürovernetzung, all diese Dienste werden durch DSL schneller. Gleichzeitig bietet diese Technologie den Vorteil einer hohen Übertragungsbandbreite über vorhandene Kupferleitungen. Dies senkt die Kosten für die Dienstleistungsanbieter einerseits und ermöglicht den schnellen Einsatz für den Endverbraucher andererseits. Weitere Informationen zu den xdsl-produkten von Texas Instruments erhalten Sie über die Kennziffer. (oe) 465 Patrick Heyer ist bei Texas Instruments im Produktmarketing für xdsl Transceiverprodukte und Operationsverstärker beschäftigt. 47

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