Die Leitungscodes Mit Hilfe der Leitungscodes wird die vorhandene

Transkript

1 Datenübertragung mit ADSL (2) F. Bünger, Schalksmühle Nachdem im letzten Heft in einem ersten Teil die Grundlagen von ADSL vorgestellt sowie die Anlagenkonfiguration beschrieben wurden, geht es nun um die technischen Grundlagen der DSL-Technik. Darüber hinaus werden Schnittstellen und alternative Netzzugänge dargestellt. Die DSL-Technik Höhere Geschwindigkeiten bei der Datenübertragung lassen sich durch die Aufhebung der Bandbreitenbeschränkung erreichen. Die DSL-Technologien nutzen daher neben dem Sprachband weitere Frequenzbereiche um so höhere Übertragungsraten zu erzielen. Die Voraussetzung für diese Technik ist jedoch eine umfangreiche Modifikation der Vermittlungsstellen und Netzwerke. Die unterschiedlichen Anwendungen auf der Teilnehmerseite erfordern daher auch unterschiedliche Übertragungstechniken. Deshalb sind im Laufe der Zeit verschiedene DSL-Technologien für unterschiedliche Applikationen entstanden. Das DSL-Prinzip beruht auf der Kanaltrennung. Die Kupferkabel decken einen Frequenzbereich von ca. 1,1 MHz ab. Dies entspricht in etwa der 250-fachen Informationsmöglichkeit, wie sie die bisherigen Telefonnetze mit ihrer geringen Bandbreite nutzen. Beschränkt werden die Verwendungsmöglichkeiten lediglich durch die vorhandenen Filter in den Telefonnetzen. Wenn man also die weiteren Frequenzbereiche nutzen möchte, muss man nur die vorhandene Kupferkabelkapazität in Kanäle unterteilen. Da jedoch große Frequenzen enorme Verluste mit sich bringen, verwendet man nur Frequenzen bis 120 khz. Der Telefonkanal bleibt wie bisher auf eine Datenrate von 35 kbit/s beschränkt. Die DSL-Technologie wird mit Hilfe von speziellen DSL-Modems realisiert. Sie arbeiten mit neuen Signalverarbeitungstechniken, um digitale Informationen über analoge Leitungen zu übertragen. Dabei ist die Modulation der Informationen auf den Leitungen von entscheidender Bedeutung. Durch die Modulation der Nutzsignale auf eine Trägerfrequenz können die Daten fehlerfrei übertragen werden. Autor Frank Bünger ist Mitarbeiter für Forschung & Entwicklung bei der Rutenbeck GmbH in Schalksmühle. Die Modulationsarten Digitale Signale lassen sich in binärer Form nur schlecht über reale, verlustbehaftete Leitungen übertragen. Um die Übertragungskanalkapazität möglichst voll auszunutzen, wird daher eine entsprechende Kanalcodierung vorgenommen. Die verschiedenen DSL-Technologien verwenden dabei unterschiedliche Modulationsarten. Die zur Verfügung stehende Kapazität hängt jedoch von der Physik (Länge, Durchmesser und Material der Leitung), der EMV (Nebensprechen benachbarter Leitungen und anderen von außen einwirkenden Störungen) und der Topologie (Stoßstellen, Stichleitungen) ab. ➐ Durch die Verdrillung von Aderpaaren kommt es zu Nebensprechen: Nahnebensprechen (NEXT) Fernnebensprechen (FEXT) Die Leitungscodes Mit Hilfe der Leitungscodes wird die vorhandene Bandbreite eines Übertragungskanals möglichst effizient ausgenutzt. Das Nutzsignal wird derart codiert, dass es auf der Empfängerseite nach Möglichkeit vollständig wiederhergestellt werden kann. Für die modernen DSL-Technologien sind die einfachen 4B3T- und 2B1Q-Verfahren nicht mehr ausreichend. Daher wurden sie durch neuere Leitungscodes, wie DMT (Discrete Multi-Tone, diskreter Mehrton), ersetzt. Bei 4B3T werden vier binäre Zeichen durch drei ternäre ersetzt, wodurch sich eine Bandbreiteneffizienz von 4/3 = 1,33 Bit/s je Hz ergibt. Der 2B1Q-Leitungscode ersetzt demzufolge zwei binäre durch ein quarternäres Zeichen und erreicht somit eine Bandbreiteneffizienz von 4/2 = 2 Bit/s pro Hz. Bei DMT, einer Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation, wird das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum in 255 gleiche Teilbänder, sogenannte Subkanäle, aufgeteilt, die unabhängig voneinander moduliert und codiert werden können. Es werden dabei diejenigen Kanäle mit den besten Übertragungseigenschaften für beide Richtungen verwendet, wobei Up- und Downstream durch Echokompensation von einander getrennt werden. Das ADSL-Modem auf der Teilnehmerseite und sein Pendant in der Vermittlungsstelle ermitteln bei jedem Einschalten die Modulationsparameter für jeden Kanal neu, um so die Leitungseigenschaften optimal ausnutzen zu können. Neben DMT setzen einige Hersteller auch noch das ältere CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation) ein, bei dem für Upund Downstream unterschiedliche Frequenzbereiche genutzt werden. Da die hohen Frequenzen schlechter zur Übertragung geeignet sind als die niedrigen, wird bei CAP besonders die Downstreamrate reduziert. Das Nebensprechen Aufgrund der Vielzahl von Adernpaaren in einem Telefonkabel von der Vermittlungsstelle zu den Teilnehmern, kommt es trotz gleichstrommäßiger Isolierung zu Nebensprechen, sowohl Nahnebensprechen (engl. NEXT, Near End Cross Talk), als auch Fernnebensprechen (engl. FEXT, Far End Cross Talk), durch kapazitive oder induktive Kopplungen (Bild ➐). Mit Verdrillung der einzelnen Adernpaare eines Kabels wird dieses Nebensprechen soweit minimiert, dass es im Sprachband vernachlässigt werden kann. Da die DSL- Technik jedoch neben dem Sprachband weitere Frequenzbereiche verwendet, wirkt sich dieses Nebensprechen sehr stark auf die mögliche Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit aus. Aufgrund der Tatsache, dass die Sender energiereich senden und die Empfänger sehr empfindlich reagieren, wirkt sich das NEXT negativer als das FEXT auf die Übertragungseigenschaften aus. ADSL-Systeme im Frequenzmultiplexverfahren weisen kein Nahnebensprechen auf, weil Sender und Empfänger in unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten. Daher sind diese Systeme bezüglich des Übersprechverhaltens besser geeignet als Systeme mit Echokompensation. Mögliche Schwierigkeiten Neue Übertragungsverfahren dürfen bereits vorhandene Dienste nicht stören, und müssen selbst unempfindlich gegenüber anderen Störern sein. Da unterschiedliche Systeme auch unterschiedliche Störungen verursachen, ist die Anzahl verschiedener Übertragungsverfahren innerhalb eines Kabelbündels begrenzt. Auch dies ist ein Grund dafür, dass eine hundertprozentige ADSL-Versorgung nicht erreicht werden wird, dies erfahrungsgemäß aber auch nicht notwendig ist. Die heutigen xdsl-verfah- 986

2

3 ren liegen mit ihren Leistungsdaten bezüglich der Übertragungstechnik bei Kupferkabeln am Ende des zur Zeit technisch Möglichen. Die teilweise vor langer Zeit zur Telefonie verlegten Kabel entsprechen nicht immer den heutigen Anforderungen an diese Technologie. Beispielsweise wurden zum Teil Aluminiumkabel verlegt, die durch ihre Impedanzunterschiede im Vergleich zum Kupferkabel zu Reflexionen führen und dadurch die DSL-Signale auslöschen können. Ebenso führen nicht abgeschlossene Leitungsenden, z.b. durch nicht mehr vorhandene Anschlüsse, unterschiedliche Leiterquerschnitte, oder die früher zur Sprachqualitätsverbesserung eingesetzten Spulen, zu Problemen bei der Datenübertragung. Auch starke Mittelwellen- und Amateurfunksender führen zu einem Absinken der Übertragungsgeschwindigkeiten. Aus diesen Gründen sind auch der ADSL-Technik bezüglich der Übertragungsqualität, d.h. der Datenrate und Reichweite, physikalische Grenzen gesetzt. Mit größer werdender Entfernung vom Teilnehmer zum Netzknoten, sinkt die mögliche Übertragungsrate. Daneben hat auch der Drahtdurchmesser der Leitung, aufgrund seiner Dämpfung, einen großen Einfluss auf die maximale Datenrate. Mit kleiner werdendem Durchmesser sinkt diese ebenfalls ab. Die maximale Entfernung zwischen dem Teilnehmer und der Vermittlungsstelle ist bei ADSL-Systemen aus physikalischen Gründen auf 5 km begrenzt. Da die vorhandenen Netze sehr feinmaschig vorhanden sind, kann ADSL in sehr vielen Ballungsräumen, aber nicht in allen Netzausläufern, realisiert werden. Reduzierung des Frequenzspektrums Aufgrund der ISDN-Leistungsdaten, 2 B- Kanäle mit je 64 KBit/s und einem D-Kanal mit 16 KBit/s sowie der Übertragung über normale Telefonkabel, wurde ein entsprechender Leitungscode zur Frequenzspektrumreduzierung gewählt. Allerdings kam es dabei nicht zu einer internationalen Einigung. Für ISDN und ADSL können entweder die Zeit- oder die Frequenzmultiplexübertragung angewendet werden. Der ISDN-Datenstrom wird bei der Zeitmultiplexübertragung in den ADSL-Datenstrom eingefügt, über die Leitung übertragen und von dem ADSL-Modem wieder in die ISDN- und ADSL-Daten aufgeteilt und den jeweiligen Endgeräten zur Verfügung gestellt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in dem Wegfall eines Splitters, da der ISDN-Datenstrom mit seinen 144 kbit/s ohne Schwierigkeiten im ADSL-Datenstrom von bis zu 8 MBit/s bzw. 768 kbit/s untergebracht werden kann. Auch die zusätzliche Übertragung analoger Telefonsig- ➑ Das Frequenzmulitplexverfahren gleicht Nachteile der Zeitmultiplexübertragung aus nale ist bei dieser Übertragungsart möglich. Da die Signale nicht von einander entkoppelt sind, führt der Ausfall eines ADSL- Modems unausweichlich zum Totalausfall beider Systeme, auch des ISDN bzw. des analogen Anschlusses. Die Endgerätespeisung über die Anschlussleitung ist ebenfalls nicht möglich. Diese Nachteile haben zur zweiten Variante, dem Frequenzmultiplexverfahren, geführt (Bild ➑). Es wurde von der ETSI als Standard definiert entsprechend des ANSI T1.413-Standards. Das ADSL Frequenzspektrum nach ANSI reicht von 25 khz bis 1104 khz. Da ISDN im Bereich von 25 khz bis 80 khz, bei einem 2B1Q Leitungscode, bzw. 120 khz, bei einem 4B3T Leitungscode, liegt, kommt es im unteren Frequenzbereich zu Überschneidungen von ISDN- und ADSL-Daten. ETSI hat daher die untere Grenze des ADSL-Frequenzbereiches, unter Beibehaltung der bisherigen Obergrenze von 1104 khz, nach oben verschoben. Die Verschiebung dieser Frequenzuntergrenze hat natürlich eine etwas geringere Bandbreite in Downstreamrichtung bei Systemen mit Frequenzmultiplexverfahren zur Folge. Obwohl dadurch mit geringfügigen Verlusten bezüglich der maximalen Leistung zu rechnen ist, werden die geforderten Reichweiten und Übertragungsraten des ANSI-Standards T1.413 erreicht. Die Verschiebung der Frequenzuntergrenze wurde zunächst für die echokompensierten Systeme realisiert, bei denen es nicht zu den Einschränkungen wie bei den Frequenzmultiplexsystemen kommt. Bei der Echo-Cancellation-Methode überlappen sich Upstream- und Downstreamband. Die Trennung dieser Bänder erfolgt durch die lokale Echo-Cancellation-Methode, in dem die eigenen Signale aus dem Frequenzgemisch ausgefiltert werden. Diese Methode nutzt die zur Verfügung stehende Bandbreite effizienter als das Frequenzmultiplexverfahren. Nachteilig wirken sich jedoch die großen Kosten für dieses komplexe Verfahren aus. Die Protokolle der DSL-Technik Das ADSL arbeitet im Gegensatz zu den bitweise orientierten Modemübertragungen paketweise. In diesen Paketen kann jede Art von Daten enthalten sein. Üblicherweise handelt es sich dabei aber um Pakete einer übergeordneten Netzwerkschicht, wie ATM oder Ethernet. Derzeit existiert keine einheitliche Lösung für die zum Datentransport über ADSL zu verwendenden Protokolle. ATM wird aber teilweise auf den Übertragungsstrecken zum Einsatz gelangen. Das ATM-Protokoll ist nach OSI (Open Systems Interconnection) ein Schicht-2 Protokoll. Mit Hilfe der physikalischen Schicht 1 baut es eine Verbindung zwischen zwei Punkten auf, über die anschließend Daten ausgetauscht werden können. Die Schnittstellen der DSL-Technik Die bevorzugten Endgeräte der ADSL- Technik sind der PC und die Set Top Box für digitale TV-Anwendungen. Aus diesem Grund werden USB- (Universal Serial Bus), PCI- (Peripheral Component Interconnect), Ethernet-, ATM- und UTOPIA- (Universal Test and Operations Physical Interface for ATM) Schnittstellen für die ADSL-Technik favorisiert. Die USB-Schnittstelle Der USB ist ein serieller Bus mit einer Datenrate von bis zu 12 MBit/s, an den bis zu 127 Endgeräte, auch während des laufenden Betriebes, gesteckt und durch Plug and Play selbsttätig erkannt werden. Die einzelnen Geräte werden dabei entweder hintereinander oder über Verteiler, sternförmig angeschlossen. Da dem USB z.z. nur maximal 2,5 Watt entnommen werden können, benötigen die heutigen ADSL- Modems noch eine externe Stromversorgung. In nächster Zeit werden jedoch Modems mit geringerem Stromverbrauch erwartet, so dass diese dann ohne zusätzliche Versorgung auskommen und dadurch die Preise weiter fallen werden. Die ATM25-Schnittstelle Diese Schnittstelle hat sich neben der Ethernetschnittstelle als Standard für ADSL-NT s etabliert. Auf Grund der hohen Kosten gegenüber der Ethernet- Schnittstelle wird sie jedoch keine besondere Rolle spielen. Der SAR-Block (Segmentation And Reassembly) teilt die Daten auf und setzt sie wieder zusammen. Im TC- Block (Transmission Convergence) wird 988

4

5 ➒ Die ATM-Technik erlaubt die Daten-, Sprach- und Videokommunikation über einen Anschluss große Datenmengen schnell zu übertragen oder den Telefonverkehr abzuwickeln. Die maximalen Datenraten liegen bei 6 MBit/s downstream und 576 kbit/s upstream. Bei der ATM über ADSL-Technologie stehen zur Zeit verschiedene Übertragungsratenkombinationen zur Verfügung, und zwar 2 MBit/s / 0,2 MBit/s; 4 / 0,4 MBit/s; 6 MBit/s / 0,6Mbit/s. DSL über ISDN ➓ Auch ISDN ist mit der DSL-Technologie kombinierbar der Bitstrom vom und zum ATM-PHY an das eingesetzte Übertragungssystem angepasst und die Fehlersicherung im ATM- Kopf generiert und überprüft. Die Datensignalanpassung an das Übertragungsmedium und die Rückgewinnung von Daten und Takt aus dem Eingangssignal erfolgen im ATM-PHY. Bei einer Reichweite von 100 m wird ungeschirmtes verdrilltes Kupferkabel der Kategorien 3 bis 5 verwendet. Die PCI-Schnittstelle Dieser Standard für Computer-Systeme stellt die Verbindung zwischen dem Prozessorbus (Speicher, Cache...) und dem Erweiterungsbus (ISA, EISA..) her. Alle erhältlichen internen ADSL-Modemkarten sind mit einer PCI-Schnittstelle ausgestattet. Die Vorteile des PCI-Busses liegen in der großen Bandbreite von 133 MHz und der Datenbitbreite von 32 bzw. 64 Bit zur Unterstützung von Einsteckkarten mit eigenem Prozessorsystem, die somit zur Entlastung des Zentralprozessors beitragen. Die Ethernet-Schnittstelle Das Ethernet wurde seinerzeit zur Kommunikation in lokalen Computernetzen entwickelt. Durch ständige Weiterentwicklungen werden z.z. Datenraten bis zu 1 GBit/s beim sogenannten Gigabit-Ethernet erreicht. Für die Datenübertragung werden dafür unterschiedliche physikalische Medien verwendet. Beim 10 Base-T, mit 100 m Reichweite, wird verdrillte Kupferleitung, beim 10 Base-2 (185 m Reichweite) dünnes Koax- und beim 10 Base-5 (50 m Reichweite) dickes Koaxkabel eingesetzt. Glasfaserkabel werden bei 10 Base-F mit bis zu 2000 m Reichweite verwendet. Zur Zeit werden 11 Die Anwendungsbereiche von UADSL sind vor allem Internet-Zugang und -Telefonie, Teleworking und Telelearning sowie analoge und Videotelefonie überwiegend 10 Base-T Netzwerke installiert. Da die Ethernet Netzwerkkarten sehr preiswert sind, wird die Ethernet-Schnittstelle in den externen ADSL-Modems standardmäßig integriert. Die UTOPIA-Schnittstelle Die UTOPIA-Schnittstelle (Universal Test and Operations Physical Interface for ATM) bildet die Backplane, d.h. die interne Verbindung zwischen dem ADSL-Chipsatz und dem ATM-Systembus. Die physikalische Ebene (PHY) gliedert sich in zwei Bereiche, die Schnittstelle zum physikalischen Medium (PM) und die Datenanpassung (TC). Der Datenstrom wird in dem PM an das verwendete Übertragungsmedium angepasst. ATM über ADSL In Bereichen, in denen es auf höchste Übertragungsleistung und -qualität ankommt, ist die ATM-Technik (Asynchronus Transfer Mode, asynchrone Datenübertragung) zur Zeit die beste Wahl (Bild ➒). Daten-, Sprach- und Videokommunikation laufen dabei über einen Anschluss und eine Technik. Daher wird ATM von großen Unternehmen für komplexe Anwendungen eingesetzt. Normalerweise wird für eine ATM- Kommunikation ein Glasfaseranschluss benötigt. Bei einem DSL-Zugang zu ATM reicht jedoch die normale Kupferleitung des vorhandenen Telefonanschlusses aus. Auf Grund dieser Tatsache bietet sich diese Technologie zunehmend auch mittleren und kleineren Unternehmen an, um beispielsweise Videokonferenzen abzuhalten, Neben der analogen Technik ist auch das ISDN mit der DSL-Technologie kombinierbar (Bild ➓). Dadurch eröffnet sich der Breitbandkommunikation nun zum ersten Mal auch der Massenmarkt. Nicht nur große Geschäftskunden, sondern auch kleinere Unternehmen und Privatkunden, die zunächst nicht so riesige Datenmengen benötigen, erhalten somit einen schnellen Datenzugang. Diese Lösung bietet zwar nicht so hohe Datenraten wie ATM über DSL, sie ist jedoch für die meisten Anwendungen vollkommen ausreichend und vor allem wesentlich preiswerter. Bei dieser Variante steht neben den beiden B-Kanälen des ISDN mit seinen Leistungsmerkmalen ein DSL-Datenübertragungskanal mit bis zu 768 kbit/s downstream und 128 kbit/s upstream zur Verfügung. Die bereits vorhandenen digitalen Endgeräte und TK-Anlagen können somit weiterhin genutzt werden. Neben dem normalen ISDN-Anschluss mit dem NTBA als Netzabschluss, werden nur noch ein DSL-Modem und ein Splitter zur Trennung der verschiedenen Anwendungen benötigt. Universal ADSL Andere Bezeichnungen dieser speziellen ADSL-Variante sind ADSL lite, G.lite oder auch splitterless ADSL. Die Anwendungsbereiche von UADSL (Bild 11 ) sind Internet-Zugang und -Telefonie, Teleworking und Telelearning sowie analoge und Videotelefonie. Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt zwischen 64 kbit/s und 1,5 MBit/s downstream bzw. 32 kbit/s und 512 kbit/s upstream und lässt sich in 32 kbit/s-schritten einstellen. Probleme bereitet der Telefonbetrieb. Beim Abheben und Auflegen des Telefonhörers entstehen Spannungsspitzen, die zu Störungen des UADSL-Signales bis hin zum Zusammenbruch der Datenübertragung führen können. In den anschließenden Trainingsphasen stellen sich die beiden Verbindungsseiten wieder auf die neuen Leitungsparameter, jedoch weit unter der theoretischen 1,5 MBit/s-Marke, neu ein. UADSL kann gleichzeitig neben POTS, jedoch nicht neben ISDN betrieben werden. 990