Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Lehrstuhl für Informatik IV Prof. Dr. rer. nat. Otto Spaniol ADSL

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1 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Lehrstuhl für Informatik IV Prof. Dr. rer. nat. Otto Spaniol ADSL Seminar: Internetprotokolle für Multimediakommunikation WS 2002/03 Volker Nießen Matrikelnummer: Betreuung: Frank Imhoff Lehrstuhl für Informatik IV, RWTH Aachen

2 Gliederung 1. Grundlagen der Übertragungstechnik Architektur Konfiguration Datenformat Übertragungssicherheit Modulation Verwendete Protokolle Anwendungen Ähnliche Übertragungssysteme Literaturverzeichnis Proseminar: ADSL

3 1. Grundlagen der Übertragungstechnik Die Übertragung von Daten findet über die Kupferdoppelader des Telefonnetzes statt. Anstatt wie bisher die Daten in analoger Form weiterzugeben, was große Nachteile wegen der mit der Leitungslänge zunehmenden Anzahl von Übertragungsstörungen hat, werden die Daten bei der digitalen Teilnehmerleitung (Digital Subscriber Line (DSL)) in digitaler Form übertragen. Eine Verlegung von Glasfasern in jeden Haushalt, was eine nahezu unbegrenzte Übertragungskapazität bieten würde, scheitert an Kostengründen. Deshalb nimmt man also die vorhandenen Kupferleitungen des Telefonnetzes, dessen Übertragungsbreite nur zu einem Bruchteil genutzt wird, um mit Hilfe neuester Signalverarbeitung die Übertragungskapazität weiter zu erhöhen. Diese symmetrischen Kupferkabel findet man heute noch als Ortskabel zwischen Kunden und Vermittlungsstelle. Sie bestehen aus zwei miteinander verdrillten isolierten Adern, die einen Leitungsdurchmesser von 0,35 oder 0,4 mm haben. Zwei Leiterpaare werden in Europa als Sternvierer verseilt, d.h. gemeinsam verdrillt. Als Ortskabel werden Bündelkabel verwendet, bei denen 5 Sternvierer zu einem Grundbündel verseilt werden. 5 Grundbündel bilden ein Hauptbündel. Ein Bündelkabel besteht aus insgesamt bis zu 40 Hauptbündeln. Bei Asymmetric Digital Subcriber Line (ADSL) wird die Kupferdoppelader nun nicht symmetrisch genutzt, sondern die Datenmenge, die von der Vermittlungsstelle zum Kunden transportiert wird, ist um ein Vielfaches höher als umgekehrt, wie in Abb. 1.1 dargestellt. So liegt die Datenmenge vom Kunden zur Vermittlungsstelle zwischen 16 bis 700 kbit/s, während umgekehrt 2 bis 8 Mbit/s übertragen werden. Allerdings nimmt die Reichweite mit zunehmender Bitrate von der Vermittlungsstelle zum Kunden ab. So ist bei einer Bitübertragungsrate von 2 Mbit/s eine Reichweite von 4 km zu erreichen, während bei einer Bitrate von 6 Mbit/s nur eine Reichweite von 2 km möglich ist. Bei den Kupferkabeln muss mit Hilfe einer Frequenzweiche, dem sogenannten Plain Old Telephone Service (POTS)-Splitter, das Telefonsignal vom Breitbandsignal getrennt werden. Kunde Vermittlungsstelle 64 kbit/s 64 kbit/s eine Doppelader 2 Mbit/s 2 Mbit/s ADSL- System ADSL- System Abb.1.1: Referenzmodell für ADSL ( mit Beispiel für Bitraten-Asymmetrie): Ein ADSL-Signal wird ohne Veränderung oder Verstärkung in die Anschlussleitung eingespeist. Also wird die mögliche Bitrate nur von der Dämpfung des Kabels und den Störsignalen begrenzt. Proseminar: ADSL 3

4 Z/2 Z/2 U 1 U 2 Z a Sender Kabel der Länge l Empfänger Abb. 1.2: Übertragungsmodell eines Nutzsignals Die Übertragungsfunktion H des Übertragungsmodells eines Nutzsignals (siehe Abb.1.2) lautet H = U 1 / U 2. Ein weiteres Maß für die Nutzbarkeit der Übertragung ist das Dämpfungsmaß a z = α * l = 20 log 10 U 1 / U 2, wobei α der Dämpfungskoeffizient in Dezibel pro Kilometer (db/km) und l die Länge in Kilometern ist. Dies bedeutet, dass mit steigendem Dämpfungsmaß die am Empfänger ankommende Spannung immer kleiner wird. Beträgt das Dämpfungsmaß az z. B. 6 db, so ist die Spannung U 2 nur noch halb so groß wie die bei U 1 eingespeiste, bei 40 db ist U 2 = 1/100 U 1. Der Dämpfungskoeffizient steigt auch mit der Frequenz an. Neben diesen Qualitätseinschränkungen kommt es auch noch zu Störsignalen. Diese entstehen durch die nahe beieinander liegenden Adern in Bündelkabeln. Man nennt dies Nebensprechen mit dem zugehörigen Nebensprech-Dämpfungsmaß a, das als a = 20 * log 10 (Sendesignal des Störers / Störsignal beim gestörten System) in db definiert ist. Dabei unterscheidet man zwischen Nahnebensprechen und Fernnebensprechen. Beim Nahnebensprechen ( Near End Crosstalk = NEXT) befinden sich Störer und gestörter Empfänger am gleichen Ende das Kabels, beim Fernnebensprechen (Far End Crosstalk = FEXT) an unterschiedlichen Enden. Die jeweiligen Dämpfungsmaße a n und a f werden definiert als a n = 20 * log 10 U 1 / U 2n beziehungsweise a f = 20 * log 10 U 1 / U 2f. Nahnebensprechen ist unabhängig von der Länge des Kabels, Fernnebensprechen nimmt dagegen mit zunehmender Kabellänge ab. Beide Störungen nehmen mit steigender Frequenz zu. Aus diesen Faktoren kann man dann das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR = Signal to Noise Ratio) des Empfängers bestimmen, das die theoretisch mögliche Bitrate beschreibt und als SNR = 20 * log 10 (Nutzsignal/Störsignal) definiert ist. SNR ist frequenzabhängig, weil das Nutzsignal vom Sendesignal und dessen Dämpfung und das Störsignal vom Signal des Störers und der Nebensprechdämpfung abhängen. Das Signal-Rausch-Verhältnis spielt nachher noch bei Modulation eine wichtige Rolle. [MePo 00] Neben diesen technischen Grundlagen stellt sich nun die Frage, wie denn ein ADSL-System konzipiert ist. 2. Architektur Obwohl ADSL oberflächlich wie ein schnelles Modem wirkt, so bedient es sich doch einer komplett anderen Technologie. Auch diese Technologie muss sich gewissen Standards unterwerfen. 4 Proseminar: ADSL

5 Diese werden weltweit von der International Telecommunications Union (ITU-T) in Genf festgelegt. Die Standardisierungen für Europa legt das European Telecommunications Standards Institute (ETSI) fest. Die grundlegende Empfehlungen zu ADSL wurden vom ITU-T unter dem Titel G gemacht. Allerdings sind noch unterschiedliche Geräte auf dem Markt, so dass keine Interoperabilität gegeben ist. Das grundlegende Architekurmodell ist jedoch allen Systemen gleich (siehe Abb. 2.1). DSLAM D ATU-C S L ATU-C A M ATU-C Splitter Kabel ATU-R LAN oder PC PSTN Telefon(e) Vermittlungsstelle Kunde Legende: DSLAM : DSL Acess Multiplexer ATU-C : ADSL Transceiver Unit, Central Office End ATU-R : ADSL Transceiver Unit, Remote End PSTN : Public Switched Telephone Network Abb.2.1 : ADSL-Architektur Das Grundprinzip der DSL-Übertragung ist es, dass mit Hilfe des Splitters das Breitbandsignal des ADSL und das Schmalbandsignal des Telefons in einer Leitung übertragen werden können. Dies funktioniert, indem das ADSL-Signal vom Kunden zur Vermittlungsstelle (Upstream) und das ADSL-Signal von der Vermittlungsstelle zum Kunden (Downstream) durch Frequenzgetrenntlage differenziert werden (siehe Abb. 2.2 und Abb. 2.3). Besonders der Downstream-Kanal gelangt dabei in hohe Frequenzbereiche, was bei langen Leitungen zu Problemen mit der Dämpfung führen kann. Dieses Verfahren ist jedoch einfach und wird daher häufig verwendet. Schwieriger ist da schon die Echokompensationsmethode, bei dem Downstream und Upstream im gleichen Frequenzbereich liegen. Weil aber der Upstream sehr niederratig ist, funktioniert die sehr aufwendige Echokompensation.[Go 98], [AD 02] Dies funktioniert bei POTS ganz problemlos, weil von den ADSL-Signalen nur der Frequenzbereich oberhalb von 20 khz genutzt wird, wie in Abb.2.3 erkennbar. Ein ISDN-Basisanschluss überschneidet sich jedoch nach American National Standards Institute (ANSI)-Standard mit einem ADSL-System. Proseminar: ADSL 5

6 In Deutschland haben ISDN-Basisanschlüsse 120 khz Bandbreite beim Leitungssignal 4B3T, in anderen Ländern wird das Leitungssignal 2B1Q mit 80 khz Bandbeite verwendet. Demnach wird der Frequenzbereich für die ADSL-Signale entsprechend einer ITU-T Empfehlung nach oben transformiert. Dies hat zur Folge, dass einer ETSI-Spezifikation nach der Aufwärtskanal zwischen 138 khz und 276 khz angeordnet werden soll, was auch in die ITU-T Empfehlung (G.992.1) aufgenommen wurde. Dies führt aber auch dazu, dass Bandbreite und damit auch die Reichweite von ADSL bei einem ISDN-Basisanschluss abnehmen. [Bi 00], [MePo 00] ISDN-Splitter Hochpass ATU-R 130 khz f Kabel Tiefpass ISDN 130kHz f Abb.2.2: Schematischer Aufbau eines Splitters Amplitude POTS ADSL-Upstream ADSL-Downstream kHz Abb. 2.3: Beispiel für Frequenzgetrenntlage (hier POTS) Frequenz Die eigentliche Modem-Funktion übernimmt beim Kunden die ADSL Transceiver Unit, Remote End (ATU-R). Die ATU-R empfängt das Signal vom Splitter. Dieses Signal wird umgewandelt, so dass es in den meisten Fällen sowohl direkt an eine Ethernet-PC-Karte als auch an ein Asynchronous Transfer Mode (ATM)25-Interface angeschlossen werden kann. In der Vermittlungsstelle werden meist mehrere ADSL Transceiver Units,Central Office End (ATU-C) in einer Baugruppe integriert. Diese werden dann wiederum in einem DSL Acess Multiplexer (DSLAM) 6 Proseminar: ADSL

7 zusammengefasst. Der DSLAM verbindet den einzelnen Kunden dann mit den verschiedenen Weitverkehrsnetzen. Zwischen ATU-R und ATU-C unterscheidet man zwischen vier verschiedenen Verteilungsmodi, die in Abb. 2.4 dargestellt sind. Bit Synchronous Mode Leitungs- CBR und TDM bis zu vier vermittlung ATU-C ATU-R bit-synchrone Schnittstellen Packet Adapter Mode Paket- Leitungs- CBR und TDM Pakete vermittlung ATU-C ATU-R Bearbeiter schickendes Netzwerk End-to-end Packet Mode CBR und mehrfach parallele Pakete Paketver- Paket- Pakete mittlung ATU-C ATU-R Bearbeiter schickendes Netzwerk ATM Mode ATM- CBR und parallele ATM Zellen Paket- in ATM Vermittlung ATU-C ATU-R Bearbeiter schickendes Netzwerk Legende: CBR: Constant Bit Rate service TDM: Time-Division Multiplexing ATM: Asynchronous Transfer Mode Abb. 2. 4: Verteilungsmodi Der Bit-synchronous Mode zeichnet sich dadurch aus, dass jedes Bit in einem Buffer gespeichert wird und dann von einem Ende (ATU-R) zum anderen Ende (ATU-C) transportiert wird. Dadurch bildet sich ein Bitstrom. Aus den in Leitungsvermittlung angebotenen Diensten wird der angeforderte ausgewählt und dessen Daten auf die gleiche Art und Weise an den ATU-R zurückgeschickt. Dabei wird auf Constant Bit Rate service (CBR) Wert gelegt. CBR bedeutet, dass es sich hier um eine Echtzeitanwendung handelt, bei dem eine festgelegte Bandbreite nur mit geringen Laufzeitverzögerungen zur Verfügung stehen muss. Durch Time-Division Multiplexing (TDM) wird die gesamte Bandbreite durch Zuweisung jeweils eines eigenen Zeitschlitzes in mehrere Kanäle aufgeteilt. Proseminar: ADSL 7

8 Dagegen erwartet der Packet Adapter Mode auf Seiten des Kunden (also beim ATU-R) nicht mehr einen Bitstrom, sondern Pakete, die durch einen Paket-Bearbeiter für den ADSL-Rahmen passend gemacht werden, denn sie werden wie im Bit-synchronous Mode als Bitstrom verschickt. Dies ist besonders dann günstig, wenn man nicht nur einen PC, sondern mehrere oder sogar ein Local Area Network (LAN) an den ATU-R anschließt. Die Datenübertragung auf Seiten des ATU-C läuft genauso ab. Der End-to-end Packet Mode unterscheidet sich zu dem vorhergenannten im wesentlichen durch die Art der Datenübertragung. Diese läuft nämlich nicht mehr in TDM ab, sondern es werden parallel Pakete hin- und hergeschickt, die in beide Richtungen die gleiche Größe haben müssen. In einer festen vorgegebenen Rate müssen Daten, in Pakete verpackt, verschickt werden. Dies ermöglicht aber auch das Verschicken von Internet Protocol (IP) - Paketen, die direkt aus dem Internet vermittelt werden. Der am häufigsten verwendete Asynchronous Transfer Mode (ATM Mode) verwendet anstelle von Paketen die Aufteilung in ATM-Zellen. Auf ATM wird im Kapitel 7 noch näher eingegangen. [Go 98] 3. Konfiguration Bei der Konfiguration unterscheidet man zunächst zwischen STM- (Synchronous Transfer Mode) oder ATM-Betrieb. Im STM-Betrieb kann man auf bis zu vier Kanälen die Daten gleichzeitig zum Kunden übertragen. Bei ATM reicht ein Kanal zum Kunden, da man sich des Zellmultiplexers bedient. Dabei unterscheidet man zwischen Simplex- und Duplexkanälen. Simplexkanäle haben nur einen in eine Richtung gerichteten Kanal, während ein Duplexkanal auf schmalen Bändern in beide Richtungen Daten transportieren kann (siehe Abb. 3.1). Die Bitrate muss ein Vielfaches von 32 kbit/s sein, ist ansonsten abgesehen von den Standardisierungen frei wählbar. Die höchste im Standard geforderte Bitrate beträgt 192 * 32 kbit/s = 6144 kbit/s. Höhere Bitraten sind aber zugelassen. So beträgt die maximal geforderte Datenrate pro Kanal für AS x 32 = 6144 kbit/s, AS x 32 = 4608 kbit/s, AS 2 96 x 32 = 3072 kbit/s, AS 3 48 x 32 = 1536 kbit/s und für LS 0, LS 1 und LS 2 jeweils 20 x 32 = 640 kbit/s. Man unterscheidet im STM-Betrieb zwischen amerikanischen und europäischen Bitratenanforderungen. In Amerika gibt es die Transportklassen in ganzzahligen Vielfachen von 1,536 Mbit/s, also 1,536 Mbit/s, 3,072 Mbit/s, 4,608 Mbit/s und 6,144 Mbit/s. In Europa gibt es nur drei Transportklassen mit 2,048 Mbit/s, 4,096 Mbit/s und 6,144 Mbit/s. Will man nun eine hohe Bitrate beim Simplexmodell, z.b. 6,144 Mbit/s, übertragen, so kann man dies entweder durch AS0 realisieren oder man belastet 3 Kanäle mit jeweils 2,048 Mbit/s (siehe Tab. 3.1). Dabei muss man aber die Größe der Transportklassen berücksichtigen. Die Simplexkanäle sind immer von der Vermittlungsstelle zum Kunden gerichtet, d. h. eine hohe Datenrate vom Kunden zur Vermittlungsstelle ist nicht möglich. Will man dagegen ATM-Zellen übertragen, so reicht der Kanal AS 0 für den Downstreamtransport aus, für den Upstream reicht schon LS 0 mit 640 kbit/s.[ad 02], [MePo 00] 8 Proseminar: ADSL

9 AS0 maximal vier Simplexkanäle ASx (ASymmetric) AS1 AS2 AS3 ATU-R LS0 maximal drei Duplexkanäle LS1 LSx(LowSpeed) LS2 ATU-C Kunde Zentrale Abb. 3.1: Schematische Darstellung von Simplex- und Duplexkanälen Konfiguration Simplexkanal Duplexkanäle Klasse Option Hochratenkanal Steuerkanal optionale Kanäle 2M-1 a b c 1 * 6,144 Mbit/s 1 * 4,096 Mbit/s + 1 * 2,048 Mbit/s 3 * 2,048 Mbit/s 64 kbit/s 64 kbit/s 64 kbit/s 576 kbit/s oder 384 kbit/s oder 160 kbit/s oder ( kbit/s) oder 0 kbit/s 2M-2 a b 1 * 4,096 Mbit/s 2 * 2,048 Mbit/s 64 kbit/s 64 kbit/s 384 kbit/s oder 160 kbit/s oder 0 kbit/s 2M-3 1 * 2,048 Mbit/s 16 kbit/s 160 kbit/s oder 0 kbit /s Tab. 3.1: ADSL-Konfigurationen für Europa Die Funktionen eines ADSL-Systems lassen sich in drei große Blöcke aufteilen(siehe Abb. 3.2) Dabei werden diese in Sender- und Empfängerrichtung jeweils umgekehrt durchlaufen. Proseminar: ADSL 9

10 Zunächst werden, wie aus Abb. 3.2 zu ersehen, die Daten in einen definierten Rahmenaufbau eingepasst. Dazu ist eine Zwischenpufferung der Daten und eventuell ein Taktausgleich zwischen ADSL-System und den Quellen der Eingangssignale notwendig. Anschließend werden die Daten durch Zeitduplex in die beiden Modi aufgeteilt: den sicheren Interleaved-Modus, der Nutzdaten verschachtelt und so sehr sicher überträgt, und den Fast-Modus. Man kann selber seine gewünschte Datensicherheit einstellen, um sich das Arbeiten so schnell wie möglich und so sicher wie nötig zu machen. Der Interleaved-Modus erhöht die Transportverzögerung im Vergleich zum Fast-Modus um bis zu 250 ms. Im zweiten Teil werden dann die zur Übertragungssicherheit notwendigen Fehlercodierungen vorgenommen. Abschließend werden die Daten dann mit einem Mehrträgerverfahren (Discrete Multitone Modulation = DMT) zur Übertragung umgewandelt. [MePo 00] AS-Kanäle, LS-Kanäle Multiplexer, Synchronisation, Rahmenaufbau Fast- Fehlerschutzcodierung, DMT- DMT-Sender, Daten Sender D/A-Wandler Sende- Inter- Zuordnung zu leaved Trägerfrequenz Eingangs- Sendefilter signal daten Daten Legende: DMT : Discrete Multitone Modulation Abb. 3.2: Schematischer Aufbau eines ADSL-Senders mit Aufteilung in Funktionsblöcke 4. Datenformat Man unterscheidet bei der ADSL-Übertragung zwischen drei verschiedenen Rahmenformaten und damit verbundenen Datenformaten. Der Überrahmen setzt sich aus 69 Rahmen zusammen. Der 69. Rahmen hat Synchronisationsfunktion, während die anderen Nutz- und Steuerinformationen beinhalten. Insgesamt dauert der gesamte Überrahmen 17 msec. Jeder einzelne Nutzdatenrahmen hat die Dauer von ca. 246 µsec, was 4 khz entspricht, wenn man berücksichtigt, dass jeder 69. Rahmen nicht für Nutzdaten genutzt werden kann. Bei den Nutzdatenrahmen unterscheidet man dann nochmal zwischen dem Rahmenaufbau für Downstream (siehe Abb. 4.1) und für Upstream. Es können maximal die 7 logischen Kanäle AS 0 - AS 3 und LS 0 LS 2 Downstream und die drei Kanäle LS 0 - LS 2 Upstream genutzt werden. Dabei werden zunächst die Daten im Fast-Modus und dann die im Interleaved-Modus angeordnet. Hinzu kommen noch Steuerinformationen im Fast Byte und Fehlerkorrekturinfor-mationen im sogenannten FEC (Forward Error Correction) für die Fast-Daten. Für die Inter-leaved-Daten übernehmen diese Funktion das Sync Byte, die Fehlerinformationen werden jedoch auf mehrere Rahmen verteilt. Die einzelnen Kanäle mit den zugehörigen Informationen werden nur dann 10 Proseminar: ADSL

11 übertragen, wenn sie auch tatsächlich nötig sind. Die Information über die Anzahl der Kanäle enthält dann auch das Fast bzw. Sync Byte. Reichen Fast bzw. Sync Byte nicht, um alle Steuerinformationen zu erfassen, wozu Indikatorbits und Netzwerkmanagementinformationen gehören, werden diese nach den Feldern für LS2 eingefügt. Daraus ergeben sich also für den ADSL-Rahmen in Downstream und Upstream ähnliche Rahmen, wobei bei Upstream die AS-Kanäle wegfallen, was dann auch weniger Steuerdaten erfordert. [Bi 00],[MePo 00] Rahmen(ca.246µsec) Fast AS0 AS1 AS2 AS3 LS0 LS1 LS2 Steuer FEC Sync AS0 AS1 AS2 AS3 LS0 LS1 LS2 Steuer Fast-Daten Interleaved-Daten Abb. 4.1: Schematischer Aufbau eines ADSL-Rahmens bei Downstream Hat man die Daten nun in den Rahmenaufbau eingepasst, werden Fehlerschutzkodierungen vorgenommen (siehe Abb. 3.2) 5. Übertragungssicherheit Die Übertragung mit DMT ist fehleranfällig. Dies liegt zum einen an den sehr dichten Konstellationen auf den einzelnen Trägern, die bei hohen Datenraten erforderlich sind. Dadurch sind Signalkonstellationen sehr nah beieinander, wodurch sich der Quadraturamplitudenmodulator (QAM)-Dekoder falsch entscheiden kann. Der andere Grund für Fehler ist Clipping. Dieser Fehler wird bei der Modulation genauer erläutert. Es gibt verschiedene Schutzmaßnahmen gegen solche Fehler, die in Abb. 5.1 dargestellt sind. Diese sind bei Fast- und Interleaved-Übertragung gleich, nur wird bei Interleaved- Übertragung noch eine zusätzliche Sicherung, der Interleaver, verwendet. Die Daten werden im Eingangsmultiplexer aufgespalten und werden erst wieder nach getrenntem Durchlauf durch die Schutzsysteme zusammengeführt. Zunächst wird bei beiden Übertragungsarten (siehe Abb.5.1) über den gesamten Überrahmen mit Hilfe des Cyclic Redundancy Check (CRC) eine Prüfsumme erzeugt, die Bitfehler erkennbar macht. Die Prüfsumme wird mittels einem der Polynomdivision ähnlichen Verfahren erzeugt, wobei die Daten als ein Polynom angesehen werden, welches durch ein vorgegebenes Generatorpolynom G(x) dividiert wird. Für G(x) gilt häufig G(x) = x 8 + x 4 + x² +1. Die CRC-Prüfsumme ergibt sich als Rest dieser Division. Die Berechnung geschieht meist mit Hilfe rückgekoppelter Schieberegister. Dies macht man nun vor und nach der Übertragung, wobei die vorher erzeugte Prüfsumme zu Beginn des nächsten Überrahmens übertragen wird. Sind beide Zahlen Proseminar: ADSL 11

12 ungleich, so gab es bei der Übertragung Bitfehler. Wieviele Bitfehler man erkennen kann, hängt von dem Verhältnis der Länge der Prüfsumme zur Länge der überwachten Nutzdatenblocks ab. Fast- Daten DMT-Sender- Eingangsdaten Interleaved Daten CRC Fast CRC Scrambler Scrambler RS FEC RS Interleaved Interleaver Zuordnung auf Trägerfrequenzen Legende: CRC : Cyclic Redundancy Check RS : Reed-Solomon-Codierer FEC : Forward Error Correction Abb. 5.1: Elemente des Fehlerschutzes Der anschließend eingebaute Scrambler (siehe Abb. 5.1), der auch hier getrennt für beide Pfade eingesetzt wird, arbeitet ebenfalls mit einem vorgegebenen Generatorpolynom G(x). Es gilt G(x) = x 23 + x Dieses hat aber diesmal die Aufgabe, lange Folgen von Einsen und Nullen so umzuwandeln, dass häufige Signalwechsel auftreten. Dies geschieht auch wieder mit Hilfe von Schieberegistern. Am Ende der Übertragung werden die Daten dann mit einem Descrambler wieder zurückmoduliert. Die Vorwärtsfehlerkorrektur ( FEC = Forward Error Correction ) wird als letztes auf beide Datenströme angewandt, wie in Abb. 5.1 dargestellt. Sie ist die wichtigste Schutzmaßnahme, weil sie nicht nur Fehler erkennen, sondern diese bis zu einem gewissen Grad auch korrigieren kann. Dafür wird bei ADSL die Reed-Solomon-Codierung (RS) durchgeführt. Auch hier wird eine Prüfziffer berechnet und dann an die Daten angehängt. Man kann die Anzahl der Prüfbytes (R) aber der Größe des übertragenen Datenblocks, also der Anzahl der DMT-Symbole, anpassen und so auch im Fast- und Interleaved-Modus mit unterschiedlichen Parametern arbeiten. Man kann nun hier für jeden Nutzdatenrahmen bis zu 16 Bytes Prüfdaten erzeugen. Im Interleaved-Modus kann die Prüfbytezahl nur ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der überwachten DMT-Symbole sein. Das kann dazu führen, dass diese Redundanz, also die zusätzlich übertragene Datenmenge, ziemlich groß werden kann. Die Redundanz muss dann von der Nutzdatenmenge abgezogen werden und kann bis zu 512 kbit/s betragen, während CRC nur 470 bit/s benötigt. Also muss man bei der Übertragung einen Kompromiss zwischen Sicherheit und Schnelligkeit finden. Während CRC und Scrambler bitweise funktionieren, werden bei RS alle Operationen byteweise ausgeführt. Mathematisch gesehen bedeutet dies, dass alle Koeffizienten 2 8 = 256 statt 2 Werte annehmen können. Man arbeitet im sogenannten Galois-Feld(GF)(2 8 ) statt im GF(2). Dabei wird die Reed-Solomon-Prüfziffer als Divisionsrest des Nutzdatenpolynoms durch ein Generatorpolynom G(x) berechnet. Diesmal hängt G(x) aber von der Anzahl der Prüfbytes ab. Es gilt G(x) = Π ( x + α i ) mit i = 0..(R-1). α ist das sogenannte primitive Element. Veranschaulicht wirkt die Division wie eine Polynominterpolation, wobei fehlerhafte Stützstellen erkannt und 12 Proseminar: ADSL

13 korrigiert werden können. Mit Reed-Solomon Codierung kann man halb so viele fehlerhafte Bytes korrigieren wie Prüfbytes übertragen werden. [Ha 01], [MePo 00] Beim Interleaved-Modus werden die Daten dann noch zusätzlich von einem Interleaver bearbeitet (siehe Abb. 5.1). Dieser verzögert die RS-codierten Daten mit einer Verschiebung V I von V I = ( D 1 ) * n. Dabei ist D die sogenannte Interleaver-Tiefe, die je nach gewünschter Wirksamkeit und dadurch sich ergebender Verzögerung als Zweierpotenz von 1 bis 64 gewählt werden kann, und n der Index des Bytes des Reed-Solomon-Codeworts. Der Sinn dieser Verzögerungen liegt darin, dass bei einer auftretenden Impulsstörung nun nicht Daten eines Wortes mehrfach, sondern mehrere Worte einfach gestört werden. Die einzelnen Fehler lassen sich mit dem Reed-Solomon-Decodierer wieder korrigieren. Interleaving sortiert also bei gleichem Platzbedarf die Daten byteweise um. Allerdings hat Interleaving Delays (Übertragungsverzögerungen) zur Folge, die von der verwendeten Zweierpotenz abhängen. Am Schluss werden dann die Datenströme auf die Trägerfrequenzen aufgeteilt. Dabei werden die Interleaved-Daten den dichten Konstellationen zugeordnet, weil sie besser als die anderen vor Fehlern durch Clipping geschützt sind. Diese Aufteilung kann man nicht durch Auswahl von Parametern beeinflussen. [MePo 00] Sind nun die Daten vor Fehlern geschützt, werden sie abschließend, wie in Abb. 3.2 ersichtlich, vom DMT-Sender moduliert. 6. Modulation Die Modulation erfolgt bei ADSL im wesentlichen durch DMT, weil dieses die besten Ergebnisse bei Praxistests aufweisen konnte. DMT ist ein sogenanntes Multiträgerverfahren, bei dem der Frequenzbereich in 255 Frequenzbänder aufgeteilt wird, die jeweils in der Mitte die Trägerfrequenz beinhalten. Man nennt die Trägerfrequenz auch Carrier. DMT baut für jedes Frequenzband eine eigene Datenverbindung auf, die nebeneinander parallel arbeiten. Nun werden je nach Qualität der Übertragung pro Frequenzband unterschiedliche Datenraten ausgewählt. Es kann sogar dazu kommen, dass einzelne Frequenzbänder überhaupt keine Daten transportieren müssen. Diese Verteilung lässt sich auch vom Benutzer selber bestimmen. Will er eine hohe Datensicherheit, so wählt er eine geringe Bitfehlerrate, was dann dazu führt, das auch insgesamt nur wenige Bits überhaupt übertragen werden. Will er viele Daten übertragen, dann wählt er die Bitfehlerrate weitaus höher, wodurch dann mehr, aber auch fehlerhaftere Daten übertragen werden. Wie eben schon in Abb. 2.3 dargestellt, arbeitet ADSL bei POTS in dem breiten Frequenzbereich von 20 khz bis 1,1 MHz. Dort kann es zu Störungen kommen. Daher ist das Verhältnis von Nutzsigal zu Störsignal von entscheidender Bedeutung (SNR). Die SNR bestimmt letztlich die Anzahl der pro Frequenzpaket übertragenen Daten. Dies geschieht durch die Bitallokation bereits beim Start. Dann wird die SNR in Abhängigkeit von der Frequenz erfasst. Die Bits pro Kanal werden so auf die Träger verteilt, dass der Abstand von Bits pro Kanal und SNR-Kurve möglichst groß ist. Bei der eigentlichen Realisierung (siehe Abb. 6.1) bedient man sich der Algorithmen der FFT (Fast Fourier Transformation) und der IFFT ( inverse FFT), die mit Signalprozessoren in Echt- Proseminar: ADSL 13

14 zeit Zeitsignale in den Frequenzbereich umwandeln und Spektren nachher wieder in den Zeitbereich rückumwandeln. Eine Menge von Datenbits wird in einem Puffer gesammelt. Diese werden dann unter Berücksichtigung der gewählten Bitallokation einem QAM-Symbol zugeordnet, das vorher für jedes Frequenzband erzeugt wurde. Ein QAM-Symbol ist nichts anderes als die zweidimensionale, komplexe Darstellung eines diskreten Wertes, der sich bei Abtastung sowohl der Phase als auch der Amplitude des Signals ergibt. Die 256-QAM hat 256 Zustände und kann demnach 8 Bit pro QAM-Symbol übertragen. Also ergeben sich Spektallinien des Signals mit komplexen Zahlenwerten. Dieses Spektrum wird mit IFFT vom Frequenzbereich in den Zeitbereich verschoben. Aus diesen Zeitsignalen werden dann analoge Signale, die durch einen Tiefpassfilter ausgesendet werden. Leider kommt es dabei durch hohe Spitzen im Signal, die aus spannungstechnischen Gründen abgeschnitten werden müssen, zum sogenannten Clipping, was wie eine Impulsstörung wirkt. Nach ADSL-Standard dürfen maximal 0,00001 % der Signalwerte abgeschnitten werden. Datenpuffer und QAM- Encoder IFFT Digital-analog- Tiefpass (inverse P/ D Fourier- S TP Sende- Transformation) A signal Wandlung Eingangs- für jeden Parallel- Datenstrom Träger ein N Signalwerte seriell- QAM-Symbol im Zeitbereich Wandlung Abb. 6.1: Schematischer Aufbau eines DMT-Senders Tiefpass Analog-Digital (Fourier- Decoder A P/ TP Trans- und S D Formationpuffer Daten- Empfangs- Wandlung signal Seriell- parallel- Wandlung N Signalwerte N Spektrallinien Ausgangsim Zeitbereich im Frequenzbereich datenstrom FFT Abb. 6.2: Schematischer Aufbau eines DMT-Empfängers QAM- 14 Proseminar: ADSL

15 Der DMT-Empfänger funktioniert genau umgekehrt (siehe Abb.6.2). Das tiefpassgefilterte, analog/digital gewandelte Zeitsignal wird abgetastet. Die N Abtastwerte werden mit FFT zurücktransformiert. Da die QAM-Funktion eindeutig ist, kann nun die Anzahl der Bits pro Symbol ermittelt werden. So kann man mit der bekannten Bitallokation den Ausgangsdatenstrom wieder zusammensetzen. Grundsätzlich beruhen die FFT- und IFFT-Funktionen auf 512 Werten. Dazu gehören 255 Stützstellen im positiven Bereich, die für die QAM-Modulation nutzbar sind. Der Trägerabstand ist bei f = 4,3125 khz festgelegt. Dieser ergibt sich aus der Frequenz von 4 khz, die durch das Telefonnetz abgeleitet ist. Außerdem ergibt sich mit 4 khz x 1 Byte = 32 kbit/s auch die charakteristische Bitrate. Mit dem Trägerabstand folgt für die Abtastfrequenz f A = N * f = 512 * 4,3125 khz = 2,208 Mhz. Dies entspricht einem Abtastintervall von t = 0,452 µsec und eine Symboldauer T S von 231,884 µsec. Weil FFT-Blöcke unabhängig voneinander sein müssen, es aber durch unterschiedliche Frequenzen zu unterschiedlichen Laufzeiten kommt, muss ein Zeitbereichsentzerrer eingesetzt werden, um eine Überlagerung zu verhindern. Dazu wird zusätzlich ein Guardintervall der Länge T G = 32 * t = 14,46 µsec zwischengeschaltet. Somit verlängert sich die Symboldauer T auf T S + T G = 246,376 µsec. [Bi 00], [MePo 98] Um diesen Transport zu ermöglichen, müssen in der Vermittlungsschicht und Sicherungsschicht des Open Synchronous Interconnection (OSI)-Referenzmodells Protokolle eingesetzt werden. 7. Verwendete Protokolle ATM ist das Protokoll der Sicherungsschicht, welches dem Benutzer Zugänge mit garantierten Dienstgüten(QoS = Quality of Service) bietet. Dabei beginnt das Zugangsnetz beim ATU-R und endet beim ATU-C. Um eine sinnvolle Nutzung zu ermöglichen, muss es eine Verkehrsflusssteuerung geben, die in UNI 3.1 (ATM User Network Interface V3.1) festgelegt ist. Dabei sind verschiedene Dienstgüten nötig, um gewisse Anwendungen zu ermöglichen (siehe Tab. 7.1) Um ATM wirklich nutzen zu können, muss aber noch eine Protokollkonvertierung erfolgen, beim Nutzer vom Ethernet/802.3 auf ATM, im Netzwerk TCP/IP-Protokolle (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) auf ATM. Dies geschieht mit dem Point-to-Point-Protocol (PPP), das auf der Vermittlungsschicht arbeitet. Der wesentliche Vorteil von PPP ist die Unabhängigkeit von der Übertragungsart und den Transportprotokollen. Außerdem geht eine Netzwerk- und Service-Architektur, die auf PPP über ATM über ADSL beruht, am praktischsten mit den Problemen um. PPP unterteilt sich in Daten-Encaplierung, Link Control Protocol (LCP) und mehrere Network Control Protocols (NCPs). Besonders die Datensicherheit ist bei PPP sehr hoch. So wird für jede PPP-Sitzung ein separater VC (Virtual Channel) zur Verfügung gestellt. Der Name begründet sich darin, dass er auch nur dann Kapazität belegt, wenn er auch tatsächlich sendet. Dadurch ist es natürlich auch möglich, die jeweils verlangten QoS individuell einzustellen. Das Kommunikationsproblem liegt an der Schnittstelle zwischen ATU-R und ATU-C. Daher wird ein Protokollstack gebildet, der die verschiede- Proseminar: ADSL 15

16 nen, erforderlichen Funktionen für die PPP-Sitzung über ATM bereitstellt, die in Tab. 7.2 dargestellt sind. [Go 98], [MePo 00] ATM Service Category Constant Bit Rate (CBR) Real-Time Variable Bit Rate (rt-vbr) Non-Real-Time Variable Bit Rate (nrt-vbr) Available Bit Rate (ABR) Unspezified Bit Rate (UBR) Verkehrs- QoS- Nutzung und Parameter Parameter Applikationen PCR CTD,CDV Videoconferencing, interaktives Audio PCR,SCR, MBS CTD Sprach-/ Videoverkehr mit gewissen möglichen Verzögerungen PCR, CLR, CTD Datenverkehr mit kritischem Antwortzeitverhalten SCR, MBS PCR,MCR CLR,CDV Datenverkehr ohne Echtzeitanforderungen, LAN-zu-LAN-Kopplung (PCR) Zeitunkritische Anwendungen, z. B. Filetransfer, Batchverarbeitung Legende: PCR: Peak Cell Rate (maximale Rate der angebotenen Zellen) SCR: Sustainable Cell Rate ( Durchschnitt der angebotenen Zellen) MBS: Maximum Burst Sice (max. Anzahl von ATM-Zellen pro Datenblock) MCR: Mininum Cell Rate (min. Anzahl von ATM-Zellen pro Datenblock) CDV: Cell Delay Variation (max. Abweichung der Zellenlaufzeit durch das Netz) CTD: Cell Transfer Delay (max. Verzögerung beim Transfer einer Zelle) CLR: Cell Loss Ratio (max. Anteil der Zellen, die verloren gehen dürfen) Tab. 7.1: ATM-Verkehrkategorien Protokollstack ATM AAL5 PPP IP Funktion Weiterleitung der Nutzerdatenpakete durch das öffentliche Netz Aufteilung und Wiederzusammensetzung der Nutzdatenpakete, die in ATM- Zellen aufgeteilt wurden Authentisierung des Nutzers, Kommunikation Client / Server Verbindungslose Übertragung der Datenpakete zwischen Client und Applikationen Legende: AAL5: ATM Adaption Layer Typ 5 Tab. 7.2: Funktion der Protokollstacks 8. Anwendungen ADSL wurde ursprünglich entwickelt, um Übertragungen von interaktivem Video (Video-on- Demand) zu ermöglichen. Später wurde dann auch Kabelfernsehen über die Telefonleitung mit 16 Proseminar: ADSL

17 Hilfe von ADSL angeboten. Heute wird ADSL im wesentlichen als Zugangsmöglichkeit für das Internet genutzt. Für die Internetnutzung ist ADSL ideal, weil in der Regel wenig Daten vom Kunden ins Internet übertragen werden, während der Kunde möglichst schnell und effektiv Daten vom Internet auf seinen Computer laden will. [AD 02] In Zukunft wird neben der verstärkten Nutzung von Online-Diensten auch die Heimarbeit via Computer zunehmen. Dann kann es jedoch sein, dass Daten nicht nur asymmetrisch sondern auch symmetrisch übertragen werden sollen. Dafür gibt es dem ADSL ähnliche Übertragungssysteme. 9. Ähnliche Übertragungssysteme Ähnliche Übertragungssysteme sind High bit-rate Digital Subsriber Line (HDSL) und Very high bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL). Sie unterscheiden sich von ADSL im wesentlichen durch die Art der Übertragung (symmetrisch oder asymmetrisch), die Bitrate und die Reichweite, wie aus Abb. 9.1 zu ersehen. Daher werden sie dann dementsprechend für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. [MePo 00] Reichweite in km asymmetrische Bitraten 6 ADSL- Familie HDSL- Familie symmetrische Bitraten Bitrate ,1 0, Bitrate in Mbit/s in Mbit/s VDSL-Familie Abb. 9.1: Klassifizierung der DSL-Systeme Proseminar: ADSL 17

18 10. Literaturverzeichnis [AD 02] [Bi 00] [Go 98] [Ha 01] [MePo 00] The ADSL Forum : Bingham, John A.C.: ADSL,VDSL, and Multicarrier Modulation John Wiley & Sons, New York [u.a], 2000 ISBN Goralski, Walter: ADSL and DSL technologies, McGraw-Hill, New York, 1998 Haverkort, Boudewijn Rechnerstrukturen Vorlesung, RWTH Aachen SS 2001 Mertz, Andreas, Pollakowski, Martin: xdsl & Access Networks Prentice Hall, München, 2000 ISBN Proseminar: ADSL