Kupferleitungen breitbandig nutzen - HDSL

INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 1994/1995 Leitung: Bundesamt für Übermittlungstruppen Divisionär E. Ebert, Waffenchef der Übermittlungstruppen Kupferleitungen breitbandig nutzen - HDSL Referent: N. Blaser Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für www.hamfu.ch aufbereitet.

8-5 Kupferleitungen breitbandig nutzen - HDSL 27653 HAMFU - www.hamfu.ch Seite 1

Die steigende Anzahl an modernen Telecom-Dienstleistungen, für welche eine rege Nachfrage existiert, generiert mehr und mehr Bedürfnisse nach hoher Übertragungskapazität. Bekannte Lösungen stellen die altbewährten 2 MBit/s Verbindungen über Kupferaderpaare mit HDB3- Repeatertechnik dar. Diese T echnologie ist jedoch infolge des teuren und wartungsintensiven Repeaterkonzeptes keine kosteneffiziente Lösung. Auf Glasfaser basierende Verbindungen sind modern und leistungsfähig, bedingen jedoch Glasfasern als vorhandenes Übertragungsmedium. Die Installation dieser Leitungen ist teuer und zeitintensiv. Als moderne, den heutigen Bedürfnissen entsprechende Lösung bietet sich HDSL (High Bitrate Digital Subscriber Line) an. Mit dieser T echnologie können 2 MBit/s auf 2 oder 3 Kupfer-Aderpaaren ohne Repeater (Signal- Regeneratoren) über Distanzen von 3 bis 10 km übertragen werden. Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme reicht aus, um den gesamten Teilnehmer-Anschlussbereich mit hohen Datenraten zu erschliessen. 2. Telekom Mit der Einführung der PCM-Technologie startete die erfolgreiche Digitalisierung der T elephone. Die analogen T elephonanwendungen wurden zuerst bei Grosszentralen, später auch bei Haustelephonzentralen in die Defensive gedrängt. Die Normierung der digitalen Schnittstellen im ISDN sowie die T arifgestaltung der Telecom-Betreiber bieten mehr und mehr Anreize zu digitalen Lösungen. Bild 1 ISDN WA-Netzwerk Neben den reinen T elephonie-anwendungen haben auch Datenanwendungen und gemischte Dienste an Wichtigkeit gewonnen. Electronic Mail, Videokonferenzen, dezentrale Datenverarbeitung etc. rufen nach leistungsfähigen X.25-, ISDN-, Megacom- oder ATM-Netzen. Der Trend geht dabei klar in Richtung Multi-Service im Anschlussnetz (Access). HAMFU - www.hamfu.ch Seite 2

3-10 Management System z.b. UNEM, UCST, UCST Polling U M U X 1 1 0 0 Zentrale UMUX1300 HDSL Video Konferenz V 5.1 UMUX 1100 Optische, Kupferoder Funkverbindung HDSL 1 bis 3 Paare 4*2 Mbit/s OPTO HDSL2 Mbit/s Ä = 4 ' Bild 2 Integrierte HDSL-Schnittstellen für das moderne Access-Konzept Waren bis anhin Modems mit Datenraten bis 9.6 Kbit/s oder evtl. 19.2 Kbit/s genügend steigt der Bedarf an höheren Bitraten (64 Kbit/s oder N* 6 4 Kbit/s) stetig. Dieser Trend nach hohen Bitraten führt unter anderem auch zum Einsatz der modernen SDH-Technoloqie im Übertraaunasbereich 2... 155 Mbit/s. "TT Bridge Router COLT-2 Tischgerät 2 Mbit/s G.703 3 Paare COLT-2 Tischgerät Mairi frame COLT-2 Tischgerät N*64 Kbit/s 1.. 3 Paare COLT-2 Tischgerät N*64 Kbit/s. Bild 3 HDSL-Anwendungen im Datenbereich Weitere, neue Dienste im Anschlussbereich (Access) wie EC-Direct, Telebanking, Teleshopping Video on Demand etc. werden auch zukünftig zu einem hohen Bedarf an leistungsfähiger Ubertragungstechnologie führen, wobei nur eine schnelle, kostengünstige Lösung die Kundenbedürfnisse befriedigen wird. Ab ca. 1980 war es mit der HDB3-Repeatertechnik möglich, 2 MBit/s über Distanzen von ca. 1,5 km oder mit Regeneratoren über ein Mehrfaches davon zu übertragen. Schon 1985 jedoch wird vielerorts die Weiterentwicklung dieser Technologie gestoppt, da in absehbarer Zeit die Glasfasertechnologie die alten Kupferübertragungssysteme ablösen soll. In Amerika wird jedoch 1988 ein Studienprojekt gestartet, mit dem Ziel, die Repeatersysteme durch neuere ebenfalls kupferbasierte Übertragungssysteme abzulösen. Daraus entsteht die ANSI-Norm für HDSL- Systeme (1,5 MB/s T1). 1992 beginnt ETSI die Normierung von HDSL-Systemen (2 Mbit/s E1) zuerst für 3 Aderpaare, später auch für 2 Aderpaare. Schon 1993 beschliesst die PTT T elecom' HDSL-Systeme von Ascom Ericsson Transmission zu beschaffen. Erst 1994 ist jedoch die HDSL Kerntechnologie in Produktionsvolumen verfügbar. Die Arbeiten an der Übertragungstechnik und an den Normen gehen weiter. Marktprognosen sagen der HDSL-Technologie eine erfolgreiche Zukunft für die nächsten 5 bis 10 Jahre voraus. HAMFU - www.hamfu.ch Seite 3

4-10 Geht man davon aus, dass hohe Bitraten zukünftig im Access-Bereich angeboten werden müssen, stellt sich die Frage nach den vorhandenen Möglichkeiten. Die wichtigsten neben der HDSL-Technologie sind die Glasfasertechnologie und die Richtstrahltechnik. Gegenüber der Richtstrahl- und Glasfasertechnik bieten die Kupferleitungen den Vorteil, dass sie schon vorhanden sind. Annähernd 100 % der Haushaltungen sind heute schon mit Kupferleitungen erschlossen. Neue Investitionen erübrigen sich, die zum Teil mehr als 100 Jahre alte Kupferinfrastruktur ist heute meistens abgeschrieben. Zudem sind HDSL-Übertragungsausrüstungen recht preiswert. Richtstrahlausrüstungen sind dagegen sehr teuer und bedingen Sichtverbindung zwischen den Sende-/ Empfangsstationen. Glasfaserverbindungen sind zwar viel leistungsfähiger als Kupferaderpaare, haben aber den Nachteil, dass sie zuerst aufgebaut werden müssen. Doch auch Kupferverbindungen haben Nachteile. So ist die limitierte Übertragungskapazität bei entsprechenden Distanzen zu nennen (Shannon). Zudem zeigen HDSL-Verbindungen nicht dieselbe Resistenz gegen Übersprechen, E MV, EMP und EKF wie Glasfaserverbindungen. Zieht man die Randbedingungen vom Markt in Betracht (Liberalisierung, Konkurrenzkampf) sowie die generelle Margenerosion für die Netzbetreiber, kommt man zum Schluss, dass mit der HDSL-Technologie die zweite Blütezeit der Kupferleitungen begonnen hat. Sie erlaubt dem Netzbetreiber nun, sofort auf Kundenbedürfnisse zu reagieren, CU-Leitungen besser auszunutzen und sich so eine bessere Marktposition zu schaffen. Marktabschätzungen gehen von ca. 30'000 2 Mbit/s-Strecken pro Jahr aus sowie zusätzlichen 20'000 N*64 Kbit/s-Strecken pro Jahr. Die Frage nach der besten Modulationsart für HDSL-Systeme stellte sich den Systementwicklern schon zu Beginn der Idee, leistungsfähigere Systeme zur Datenübertragung auf Kupferadern (twisted pairs) zu entwickeln. Als zu erreichende Ziele stehen die folgenden wichtigsten Eigenschaften: - möglichst effiziente Ausnutzung der Übertragungseigenschaften eines Kupferaderpaares - gute Verträglichkeit mit andern, schon im Übertragungsnetz bestehenden Modulationsverfahren - kostengünstige, hoch integrierte Lösung - Verfügbarkeit der Technologie abgestimmt auf die Gegebenheiten im Markt Die Erfüllung der wichtigsten Randbedingung, der optimalen Ausnutzung der Kupferaderpaare, setzt spezifische Kenntnisse der Dämpfungseigenschaften, des Übersprechverhaltens und der äusseren Störeinflüsse voraus. Dämpfung [db/km] Bild 4 Typische Dämpfungscharakteristiken von Leitungen im Anschlussbereich Der Dämpfungsverlauf zeigt einen überproportionalen Anstieg oberhalb 200 MHz. Das Theorem von Hartley-Shannon besagt, dass die Kapazität eines Übertragungskanals eine Funktion der nutzbaren Bandbreite und des Signalgeräuschabstandes ist. In unserem Fall, w o der Signalgeräuschabstand eine Funktion der Frequenz ist, kann das Theorem folgendermassen geschrieben werden: HAMFU - www.hamfu.ch Seite 4

J K B SNR Kapazität in bit/s Bandbreite Signal-Geräusch- Abstand (Signal t o noise ratio) Im Fall w o SNR unabhängig von der Frequenz ist, vereinfacht sich das Theorem zu Bei S N R» 1 ist zudem die folgende Vereinfachung zulässig: Neben dem Signalgeräuschabstand SNR wird die HDSL-Übertragung auch vom Übersprechen beeinflusst, wobei das Nahendübersprechen (NEXT) den grösseren Einfluss hat als das Fernendübersprechen (FEXT). Nahend-Übersprechen NEXT (Near end crosstalk) Kabel Paar 1 NEXT Paar 2 f ö r Fernend-Übersprechen FEXT (Far end crosstalk) Paar 1 Kabel Bild 5 Beeinträchtigungen - Übersprechen Zeigt man an einer typischen Kupferleitung im Anschlussnetz die Einflüsse der Dämpfung und des Ubersprechens, so sieht man, dass die nutzbare Bandbreite für die Übertragung auf Kupferleitungen beschränkt ist: HAMFU - www.hamfu.ch Seite 5

Dämpfung Typische Dämpfung einer Testleitung- J)j5 mm 0.4 m -schlechte Leitung NEXT 500 khz N u t z b a r e Bandbreite Bild 6 Beeinträchtigungen - Dämpfungen und NEXT Neben der Dämpfung und dem Übersprechen beeinträchtigen auch Echos die Übertragung. Mittels Echokompensation werden die bei der Gabelschaltung, bei Stichleitungen oder bei Querschnittsveränderungen generierten Echos eliminiert. Imperfekte Gabelschaltungen Stossstellen (Durchmesseränderungen) Stichleitungen Stichleitung A Sender Gabel Empfänger Echo Signal Durchmesseränderung Bild 7 Beeinträchtigungen - Echos Als erfolgreiche Modulationsverfahren haben sich bisher 2B1Q (2 Binary - 1 Quarternary) und CAP (Carrierless A M, PM) durchgesetzt. 2B1Q ist der schon bei den ISDN-Basisratenanschlüssen verwendete Übertragungscode. Seine Verwendung im Netz birgt deshalb keine Überraschungen bezüglich Verträglichkeit mit anderen Diensten. Weitere Pluspunkte sind der geringe Stromverbrauch, die schon weit fortgeschrittene Integration sowie die Erhältlichkeit von mehreren T echnologieanbietern. Als Nachteil haftet 2B1Q die minim geringere Reichweite im Vergleich zu CAP an. CAP seinerseits hat neben dem Reichweitenvorteil ein klarer limitiertes Spektrum zu bieten. Zudem bedient sich CAP eines integrierten Trellis Coders, welcher die Leistungsfähigkeit der Technologie im Grenzbereich nochmals steigert. Als Nachteile sind bei CAP der grosse Stromverbrauch sowie das noch nicht ganz geklärte Verhalten mit weiteren, modernen Übertragungstechnologien im Netz anzumerken. HAMFU - www.hamfu.ch Seite 6

Die von ETSi geforderte Übertragungsqualität umgesetzt auf Übertragungsdistanzen ergibt für 3-Aderpaar 2B1Q-Systeme und CAP 2-Aderpaarsysteme folgende Minimalanforderungen: Reichweite der Übertragung nach ETSI (km) ~ " e Hohe Störpegel, hohe Kabeldämpfung s Typische Störpegel, typische Kabeldämpfung Kleine Störpegel, kleine Kabeldämpfung Bild 8 Übertragungsdistanzen In Feldversuchen wurden auf Leitungen mit 1 mm Querschnitt schon Distanzen von mehr als 10 km überbrückt, was die Leistungsfähigkeit der HDSL-Technologien bestätigt. Die Systemarchitektur für HDSL-Systeme wurde in ETSI klar festgelegt. Sie unterscheidet sich für 2- und 3-Aderpaarsysteme nur geringfügig. Kernelemente sind die HDSL Transceiver (2 oder 3), die Kanalzuteilung, das Mapping und die Benutzerschnittstellen. Bild 9 HDSL Systemarchitektur HAMFU - www.hamfu.ch Seite 7

Die Blockschaltung eines typischen 2B1Q HDSL Transceivers präsentiert sich wie folgt: Daten - Scrambler 2B1Q Coder D/A Sende- Filter Rahmen-_ takt" Takt- Taktverarbeitung und Verteilung Micro-Controller für: Aktivierunskontrolle Trainingsequenzen Adaptive Entzerrung Taktsteuerung Überwachung... Digitale Echo kompensation A/D Gabel Gabelabgleich Empfangsfilter Duplex Daten Verdrilltes Kupferpaar 2B1Q Decoder Entscheidungsschaltung Störungs kompensation Digitaler Vorentzerrer Rahmen- _ takt" Daten Rahmendetektor Descrambler Entzerrer Bild 10 Blockschaltung 2B1Q Das Blockschaltbild eines CAP HDSL-Transceivers ist wie folgt aufgebaut: Daten - Bit-zu-Symbol Mapper Trellis + R-S Codierer r Kanal I Vorcodiererj In-Phase Filter Quadrati' atisches Filter Digitaler Echocanceller D/A Filter Gabel Duplex Daten Verdrilltes Kupferpaar Daten- Bit-zu-Symbol Entscheid- Trellis + R-S Mapper ungskreis- Codierer Entzerrer A/D Filter Option Bild 11 CAP Transceiver ANSI, das amerikanische Normeninstitut entwickelte 1992 eine erste Norm für T1 Systeme (2B1Q, 2 Aderpaare, 1,5 MBit/s). Darauf basierend startete ETSI in Europa eigene Aktivitäten, wobei sinnvollerweise auf den Vorleistungen von ANSI basiert wurde. Im speziellen wurden folgende Bereiche in einem technischen Bericht festgelegt: - Modulationsverfahren (2B1Q auf 2 und 3, CAP auf 2 Aderpaaren) - Funktionelle Aspekte - Übertragungsmedium, Testloops - Übertragungsmethode - Rahmenstruktur - Verwendung von Zusatzbits - Aufstartprozedur des Systems - Management, Signalisierung, Alarme - Fernspeisung - Umgebungsbedingungen HAMFU - www.hamfu.ch Seite 8

Die rasante Entwicklung der Telecom Benutzerbedürfnisse beeinflussen auch die Wünsche nach neuer Infrastruktur im UemD. Wie in der zivilen Umgebung diktiert auch hier die vorhandene Infrastruktur vielfach die möglichen Verfahren und Technologien. Die minimalen Reichweiten, die mit HDSL-Technologien auf den bekannten F-2E und F-4- Kabeln errechnet wurden, sowie die Dämpfungseigenschaften dieser Leitungen zeigt folgendes Dämpfung pro 400 m [db] 7-4- 5 4 3 Minimalreichweiten nach ETSI 784 Kbit/s (31 db) 1'168 Kbit/s (27 db) F-2E F-4 3.5 km ca. 7 km 3.0 km ca. 6 km -4 Kabel 100 khz 1 MHz Frequenz Bild 12 HDSL-Technologie auf Militärleitungen HDSL-Technologie kann in der Armee (IMFS) zum Absetzen von Richtstrahleinheiten (512 Kbit/s und 1 MBit/s über F-2E-Draht sowie 2 MBit/s über F-4-Kabel) oder von Einzelteilnehmern verwendet werden. Die Möglichkeit, redundante Datenpfade über Kupferleitungen zu erstellen, erscheint ebenfalls attraktiv. V ermittler HDSL Richtstrahl V ermittler A HDSL Vermittler HDSL HDSL über F-4 2 M b i t/s HDSL über F-4 G.703 PTT Ubertragungsinfrastruktur Bild 13 HDSL als Zubringer und redundante Verbindung In WK-Situationen wird zudem eine Möglichkeit zum Anschluss an die PTT-Infrastruktur benötigt, sofern die Richtstrahlanlagen nicht zur Verfügung stehen. Auch hier ermöglichen HDSL- Strecken über F-2E oder F-4-Kabel elegante Lösungen. Eine weitere attraktive Einsatzmöglichkeit im Uem-Netz bringt die Kombination mit Multiplexers Damit können über einen F-2E-Draht Gespräche und Daten zu den KP an der Front gebracht werden, ohne dass die bestehende Übertragungsinfrastruktur zusätzlich ausgebaut werden muss. HAMFU - www.hamfu.ch Seite 9

1 mai F-2E UMUX UMUX max. 12 * 64 Kbit/s 32 Kbit/s 32 Kbit/s Ì 512 Kbit/s 512 Kbit/s Bild 14 Pairgain Applikation mit HDSL Zukunftsperspektiven Der steigende Kosten- und Konkurrenzdruck auf die Telecom-Betreiber durch Zweitnetzbetreiber (z.b. SBB), Mobil-Com-Betreiber oder Kabelfernsehbetreiber, welche in die lukrative Telekommunikation vorstossen, führt zur vermehrten Nutzung der bestehenden Kupferinfrastruktur. Asymmetrische Dienste wie Video on Demand", Home learning, Home shopping, unterstützt von der flexiblen ATM-Technologie wird zusätzlich den Trend in Richtung Nutzung der Kupferleitungen verstärken. Die technische Evolution führt in Richtung höherer Integration der bestehenden HDSL- Technologien 2B1Q und CAP. Optimierte Systeme zur Übertragung von 2 Mbit/s auf einem Aderpaar werden folgen. Mit dem Schritt zu höheren Datenraten z. B. 34 Mbit/s für kürzere Distanzen wird auch die VHDSL-Technologie (Very High bitrate Digital Subscriber Line) ihren Einzug halten. Im Bereich der asymmetrischen Übertragung werden zur Zeit Versuche mit ADSL Systemen für «Video on demand»-dienstleistungen gemacht. ADSL 1 Aderpaar Video c Interface Bild 15 ADSL, Video on demand Die Marktkräfte werden uns in Zukunft zeigen, welche technische Lösung, umgesetzt in einen Kundennutzen, sich zukünftig im Telekommunikationsmarkt durchsetzen wird. HAMFU - www.hamfu.ch Seite 10