Slovenská technická univerzita v Bratislave Fakulta elektrotechniky a informatiky Študijný odbor: telekomunikácie

Transcription

1 Slovenská technická univerzita v Bratislave Fakulta elektrotechniky a informatiky Študijný odbor: telekomunikácie Bc. Michal Chlpán Iteratívna water-filling technika dynamického spektrálneho manažmentu pre technológiu VDSL Diplomová práca Vedúci diplomovej práce: Ing. Rastislav Róka, PhD. Máj 2007

2 Názov diplomovej práce: Iteratívna water-filling technika dynamického spektrálneho manažmentu pre technológiu VDSL Študent: Bc. Michal Chlpán Vedúci bakalárskej práce: Ing. Rastislav Róka, PhD. Termín odovzdania: Anotácia Táto práca je venovaná problematike dynamického spektrálneho manažmentu DSM pre VDSL technológiu a to konkrétne iteratívnej technike water filling. Technológia VDSL využíva ako prenosové médium medené krútené dvojlinky, ktoré boli pôvodne konštruované pre prenos analógového telefónneho signálu s rozsahom frekvenčného pásma Hz. Technológia VDSL sa využíva na vysoko rýchlostný dátový prenos, kde sa využíva frekvenčné pásmo až do desiatok MHz, a najväčším problémom, ktorý obmedzuje prenosové rýchlosti VDSL liniek, sa stávajú presluchy, ktoré sú veľmi výrazne najmä pri vyšších frekvenciách. Úlohou iteratívnej techniky water filling je adaptívna úprava spektier signálov jednotlivých účastníkov s cieľom dosiahnutia čo najvyšších prenosových rýchlostí a dosahu VDSL služby

3 Name of the thesis: Iterative water-filling for dynamic spectrum management for VDSL technology Student: Bc. Michal Chlpán Advisor: Ing. Rastislav Róka, PhD. Submisson deadline: Annotation This project is devoted to problematic of dynamic spectrum management DSM for VDSL technology and specifically for iterative water filling. VDSL technology uses as a transfer medium copper twisted pairs that were primarily constructed for transmission of analog telephone signal with bandwidth Hz. VDSL technology is used for high speed data transfer, in which is used bandwidth through tenths of MHz and the biggest problem which limits transfer rate of VDSL lines are crosstalks which are very strong in higher frequencies. The role of iterative water filling is adaptive spectrum modification of each user signals with aim in reaching the highest data rates and reach of VDSL service

4 Poďakovanie Ďakujem pedagogickému vedúcemu Ing. Rastislavovi Rókovi, PhD za jeho ústretový prístup pri realizácií projektu, za čas venovaný konzultáciám, poskytnutie študijných materiálov, cenných rád a konštruktívnych pripomienok

5 Čestné prehlásenie Prehlasujem, že som tento diplomový projekt vypracoval sám a inú ako uvedenú literatúru som nepoužil. Michal Chlpán - 6 -

6 OBSAH 1. Úvod Technológie xdsl Úvod do dynamického spektrálneho manažmentu DSL ako mnoho účastnícke komunikačné prostredie Charakteristika DSM pomocou operačného módu Systémová perspektíva DSM Techniky fyzickej vrstvy v DSM Iteratívna technika water-filling Popis IWF algoritmu z matematického hľadiska Prehľad techník water-filling Opis a model prenosového systému Opis simulačného modelu Duplexné metódy...30 Potláčanie ozvien - Echo canceling (EC)...30 Duplex s frekvenčným delením - Frequency-division duplexing (FDD)...30 Kombinácia EC/FDD...31 Duplex s časovým delením - Time-division duplexing (TDD) Definícia PSD masiek Modulátor DMT Modul iteratívnej techniky water-filling Metalické homogénne vedenie...37 Straty šírenia...37 Presluchy...38 AWGN (tepelný šum) Simulačné výsledky iteratívnej techniky water-filling Zhodnotenie Zoznam použitých skratiek Referencie

7 1. Úvod Číslicová účastnícka linka DSL (Digital subscriber line) je technológia, ktorá umožňuje prístup na internet a ďalšie dátové služby vo vysokých rýchlostiach až do niekoľko desiatok Mb/s cez existujúce medené telefónne káble. Každý DSL signál prechádza jedným krúteným párom z centrálnej ústredne CO (central office) k užívateľovi. Veľa krútených párov, niekedy aj stovky sú zabalené spoločne v jednom kábli. Elektromagnetická väzba medzi rôznymi krútenými pármi vytvára presluchy medzi nimi. Krútenie párov udržiava presluchovú väzbu na nízkej úrovni pri frekvenciách hovorového pásma ( Hz). Presluchy vo všeobecnosti narastajú so zvyšujúcou sa frekvenciou, a keďže sa DSL frekvencie rozšírili až do oblasti megahertzov, presluchy sa stali hlavným obmedzením vysoko rýchlostných DSL prenosov. V prvých DSL technológiách ISDN (integrované služby digitálnych sietí) a HDSL ( vysoko rýchlostné DSL) sa za hlavný problém považovali vlastné presluchy na blízkom konci (self - NEXT), to znamená presluchy medzi systémami rovnakého typu. Vplyv vlastných presluchov na blízkom konci sa kontroloval používaním nižších frekvencií pri prenose. Neskôr, asymetrické DSL (ADSL) sa vyhlo väčšine vlastných presluchov na blízkom konci používaním rôznych frekvenčných pásiem pre prenos po smere (downstream) a proti smeru (upstream). Pri ADSL sa limitujúcim problémom stali cudzie presluchy od systémov iného typu. Táto práca sa zaoberá DSL dynamickým spektrálnym manažmentom, ktorý umožňuje kontrolovanie cudzích presluchov a zaisťuje spektrálnu kompatibilitu

8 1.1 Technológie xdsl IDSL (ISDN Digital Subcriber Line): ISDN číslicová účastnícka linka, modemy IDSL sú ISDN terminálované adaptéry komunikujúce s kompatibilnými ISDN linkovými kartami, ktoré sú umiestnené na druhom konci metalickej slučky a ukončujú tak ISDN signál nezávisle na digitálnej telefónnej ústredni, sú teda priamo pripojené do siete WAN. HDSL (High bit rate DSL):Vysoko rýchlostná číslicová účastnícka linka patrí medzi najstaršie xdsl technológie a veľa ďalších xdsl technológii vychádza práve z HDSL. Prenosové prostredie tvoria 2 až 3 metalické páry. Spôsob prenosu informácie je plne duplexný symetrický, prenosová rýchlosť je T1 (1,544 Mbit/s americká norma) alebo E1 (2,048 Mbit/s európska norma). Pri použití modulácie je možné súčasne na tom istom vedení prevádzkovať HDSL a POTS alebo ISDN. (šírka pásma 0 až 392 khz). SDSL (Single pair DSL):Jedno párová číslicová účastnícka linka používa ako prenosové prostredie 1 metalický pár, spôsob prenosu informácie je plne duplexný symetrický 2Mbit/s, čiže celková prenosová rýchlosť je T1 alebo E1, (šírka pásma 20 až 450 khz). Je to jedno párová verzia HDSL. ADSL (Asymetric DSL):Asymetrická číslicová účastnícka linka je najrozšírenejšia z xdsl. Prenosové prostredie tvorí 1 metalický pár, spôsob prenosu je asymetrický, čo znamená, že dáta smerujúce od účastníka do siete používajú inú prenosovú rýchlosť (upstream - protiprúdový prenos) ako dáta smerujúce zo siete k účastníkovi (downstream poprúdový prenos) VDSL (Very high bit rate DSL): Veľmi vysoko rýchlostná číslicová účastnícka linka používa ako prenosové prostredie 1 metalický pár, spôsob prenosu je asymetrický, prenosová rýchlosť je výrazne závislá na preklenuteľnej vzdialenosti a môže byť až 55,2 Mbit/s pripo smere, 2 Mbit/s v proti smere pri dosahu 20 až 300m a použitej šírke pásma 25 khz až 30MHz. Umožňuje súčasnú prevádzku VDSL a POTS alebo ISDN [1]

9 Technológia Popis Štandard Modulácia Počet párov HDSL Vysokorýchlostné DSL HDSL2 HDSL 2. generácie HDSL4 4-drôtové HDSL 2. generácie RADSL Rate adaptive DSL SDSL Symetrické DSL ADSL Asymetrické DSL ITU G ETSI TS ANSI.T1.TR.2 8 ANSI T1.418 ITU G ANSI T1.418 ITU G ANSI T1.TR.59 ETSI TS ANSI T1.413 ITU G Maximálna prenosová rýchlosť 2B1Q Dva Mb/s symetricky 16úrovňová PAM 16úrovňová PAM CAP, QAM Jeden Dva Jeden Mb/s symetricky Mb/s symetricky 1 Mb/s proti smeru 8 Mb/s po smere 2B1Q Jeden 2320 kb/s symetricky DMT Jeden 1 Mb/s proti smeru 8 Mb/s po smere Frekvenčné pásmo khz khz proti smeru khz po smere khz proti smeru khz po smere khz proti smeru khz po smere khz khz proti smeru khz po smere ADSL lite (G.lite) ADSL2 ADSL2+ ADSL bez rozdeľovača Asymetrické DSL 2 Asymetrické DSL 2+ ITU G ANSI T1.419 DMT Jeden 1 Mb/s proti smeru 1.5 Mb/s po smere ITU G.992.3/4 DMT Jeden 1 Mb/s proti smeru 12 Mb/s po smere ITU G DMT Jeden 1 Mb/s proti smeru 24 Mb/s po smere khz proti smeru khz po smere khz proti smeru khz po smere khz proti smeru khz po smere VDSL VDSL 2 Veľmi vysokorýchlostné DSL Veľmi vysokorýchlostné DSL 2 ANSI T1.424 ITU G ETSI TS DMT alebo QAM Jeden 26Mb/s symetricky alebo 12 Mb/s proti smeru 52 Mb/s po smere ITU G DMT Jeden do 200Mb/s symetricky T1 line T1 linka ANSI T1.403 AMI Dva Mb/s symetricky E1 line E1 linka ITU G.703 HDB3 Dva Mb/s symetricky 25kHz 12MHz 25kHz 30MHz MHz MHz Tab.1.1 Prehľad technológií xdsl [2,3,4]

10 Tabuľka 1.1 zobrazuje prehľad existujúcich xdsl služieb spolu s dosiahnuteľnými prenosovými rýchlosťami pri danej využívanej šírke frekvenčného pásma. DSL služby umožňujú vysokorýchlostný dátový prenos k účastníkovi, a podporujú služby ako je napr. video na požiadanie (VOD). DSL technológie v posledných rokoch dosiahli obrovský rozmach, ako je vidieť na obrázku 1.1, ktorý zobrazuje exponenciálny rast účastníkov DSL služieb [5]. V budúcnosti sa predpokladá uplatnenie ešte efektívnejších DSL služieb. Obr 1.1 História DSL štandardov podľa ITU a ich dopad na trh

11 2. Úvod do dynamického spektrálneho manažmentu Z uvedených technológii je momentálne najpopulárnejšia asymetrická DSL (ADSL)služba, ktorá spoľahlivo zabezpečuje rýchlosti až do 12Mb/s, v závislosti od vzdialenosti zákazníka a telefónnej ústredne. Avšak potreba pre ešte väčšie DSL rýchlosti je už evidentná, vzhľadom na zvyšujúce sa požiadavky zákazníkov, vyplývajúcich z nárastu širokopásmových multimediálnych služieb. Otázka teda znie, existuje oblasť ešte väčších rýchlostí dosiahnuteľných pomocou aktuálnych DSL systémov? Dynamický spektrálny manažment DSM (Dynamic spectrum management) je evolučným krokom v aktuálnych DSL stratégiách, ktorý sa venuje tejto otázke. Pomocou vlastností ako automatická detekcia chýb a údržba, a zaručovaním spektrálnej kompatibility medzi rôznymi službami, DSM sľubuje rýchlejšie a spoľahlivejšie doručovanie informácií. V súčasnosti DSM modemy rôznych štandardov pracujú nezávisle; vysoký prenosový výkon na jednej linke môže spôsobiť silné rušenie (presluchy) v susedných linkách, a zabraňuje tak normálnej funkcii DSL modemov. Existujúci spektrálny manažment sa snaží vyriešiť tento problém zavedením PSD (Power spectral density) masiek pre všetky modemy. Návrh PSD masiek je založený na najhoršom prípade rušenia. Tento statický spektrálny manažment je efektívny len pre určitý prenosový scenár, ktorý bol predpokladaný počas návrhu, ale v praxi je malá pravdepodobnosť, že sa vyskytne. Výsledok je taký, že aktuálny prístup nevyhnutne vedie k použitiu DSL, ktoré je veľmi obmedzené v dosahu aj rýchlosti. DSM umožňuje rozdelenie dostupných prostriedkov medzi viaceré linky v závislosti na vlastnostiach kanála a presluchoch na linke. Dva princípy sú smerodajné pre vylepšenie DSM: a) DSL modemy by nemali vysielať väčší výkon ako je potrebné na dosiahnutie ich cieľa b) DSL modemy by nemali vysielať vo väčšom pásme ako je užitočné pre komunikáciu Tieto dva jednoduché princípy smerujú k enormnému vylepšeniam, ktoré vedú k 100Mb/s symetrickej službe na jednej alebo viacerých DSL linkách, umožňujúcich širokopásmovú komunikáciu. 500m kábla s 50 pármi môže preniesť 5Gb/s symetrického

12 prenosu dát k 50 zákazníkom, čo je viac, ako sa predpokladalo v optických alebo koaxiálnych systémoch. Viac informácií v [6]. 2.1 DSL ako mnoho účastnícke komunikačné prostredie V momentálnom rozmiestnení (obr. 2.1 a) sa DSL prenos realizuje medzi modemami na strane zákazníka a modemami za strane centrálnej ústredne (CO), ktoré sú prepojené cez medené párové linky. Niekoľko párov je fyzicky zabalených spoločne v jednom kábli, čo spôsobuje elektromagnetickú väzbu, ktorá indukuje rušenie známe ako presluch v susedných linkách. Presluch na blízkom konci NEXT (Near end crosstalk) - interferujúce signály vznikajú vo vysielači na tej istej strane ako je postihnutý prijímač. Presluch na vzdialenom konci FEXT (Far end crosstalk) signály vznikajú vo vysielači na druhej strane ako je postihnutý prijímač. V súčasnej DSL spektrálnej nekompatibilite medzi rôznymi DSL službami môžu rôzny poskytovatelia služieb zväčšiť problém presluchu, existujúci statický spektrálny manažment núti k veľmi opatrnému ohraničeniu PSD pre všetky DSL služby, čo je veľmi limitujúce pre dosiahnuteľný prenosový výkon. Spektrá musia byť oveľa presnejšie ohraničené. DSM, aj v nekoordinovanom móde ihneď získa mimoriadne vylepšenie v dosahu DSL služieb ako aj v prenosových rýchlostiach tým, že umožní DSL modemom samostatne prispôsobiť ich vlastné spektrá bez spôsobenia škôd existujúcim DSL systémom. Zvyšujúce sa investície do vlákna k pätníku FTTC (Fiber to the curb) sa postupne prejavujú v topológii, kde optické vlákna sú umiestnené medzi CO a jednotkou optickej siete ONU (Optical network unit), umiestnenej bližšie k strane zákazníka, ako je to na obr. 2.1 a. Potom páry vychádzajú z ONU a zabezpečujú pripojenie posledného kilometra k zákazníkovi. Zariadenie ONU zahŕňa DSL prístupový multiplexor DSLAM (DSL acces multiplexor) vykonávajúci patričné multiplex/demultiplex operácie medzi optickou linkou a DSL linkou. Náležité inverzné operácie sú vykonávané v CO. Veľmi rýchle DSL VDSL (Very high speed DSL) sa budú používať hlavne vo vláknami - podporovaných prostrediach. Rozširovanie optických vlákien smerom ku strane zákazníka naznačuje vyššie prenosové rýchlosti vďaka menšiemu útlmu signálu v kratších linkách. Teoreticky dôležitejšie

13 Obr. 2.1 a) DSL protredie b) Časová línia DSL/DSM

14 pozorovanie je, že s ONU sa jediný DSLAM môže pripojiť ku všetkým DSL modemom. Táto zmena umožňuje koordinovať DSL modemy na strane DSLAM, čo umožní zvýšiť výkonnosť. 2.2 Charakteristika DSM pomocou operačného módu Obr. 2.1 b zobrazuje časovú líniu DSL/DSM vývoja charakterizovaného pomocou jeho operačných módov. Hoci koordinácia signálov umožňuje najvyššie prenosové rýchlosti v DSL, je možné získať značné zisky aj bez koordinácie. Samostatný mód je základom súčasných DSL prostredí, kde koordinácia nie je povolená. Čoskoro každý poskytovateľ služieb môže mať vlastné centrum spektrálneho manažmentu SMC (spectrum management center), ktoré získava informácie o linke a o spektrálnej kontrole na to aby mohlo vykonávať automatické alebo manuálne opravy a prevenciu chýb. Najpokrokovejšie využitie spektra sa dá dosiahnuť pomocou vektorového módu, kde synchronizované signály môžu byť spolu vysielané aj spolu prijímané na jednej strane (na strane ONU) V tomto móde je SMC priamo umiestnené vedľa DSLAM a kontroluje prenos a príjem signálov. Bližšie informácie v [6]. 2.3 Systémová perspektíva DSM Základný DSM referenčný model je na Obr.2.2. DSL systém môže byť ľubovoľný z existujúcich štandardov. V samostatnej prevádzke nie je kontrola SMC alebo SMC dátové správy, navyše niektoré alebo všetky DSL modemy používajú nezávislý DSM vodiaci algoritmus, ktorý zlepšuje výkon každej linky. Okamžité použitie tohto módu zaručuje postačujúci zisk. Ďalšie vylepšenie je možné pomocou koordinácie vo vektorovom móde. V tomto prípade, linkové a presluchové informácie sú oznamované cez DSL modemy do SMC cez DSM-D rozhranie, ktoré je interné pre DSLAM v mieste ONU. SMC prijíma tieto dáta a sprostredkuje kontrolu údajov cez DSM-C, kde stupeň kontroly môže závisieť od úrovne koordinácie. SMC tiež sprostredkuje výsledky spracovaných dát cez DSM-S rozhranie pre oddelenie chýb a údržbové a zásobovacie účely. Koordinované vylepšené DSM systémy vykonávajú nasledujúce kroky v závislosti od špecifických prenosových scenárov:

15 - fáza získavania sieťových informácií, kde sú zbierané slučkové charakteristiky, prenosové parametre, tak isto ako aj vonkajšie príkazy používateľov pomocou jedného prevádzkovateľa služby, - dohodovacia a optimalizačná fáza, v ktorej všetky informácie získané v predošlých krokoch sú použité na rozdelenie sieťových zdrojov medzi zákazníkov a komunikačné parametre sú zvolené tak, aby čo najlepšie slúžili zákazníkom, - koordinovaná operačná fáza, v ktorej optimalizovaná komunikácia a sieťové parametre sú poskytnuté modemom v rámci DSLAM jedného sprostredkovateľa služieb na získanie kooperatívneho prenosu a príjmu dát. Je možných niekoľko DSM systémových implementácií. Napríklad, keď všetky modemy sú umiestnené v ONU slúžiacemu jednému poskytovateľovi, nezávislá jednotka môže zbierať všetky sieťové informácie počas fázy získavania informácii. V prípade okamžitej potreby, každý modem môže samostatne reagovať na podmienky linky spôsobom, ktorý je globálne prospešný pre všetky DSL linky tak, že žiadny systém nebude mať horšiu výkonnosť, ako keby DSM nebol použitý, a u niektorých alebo u všetkých liniek sa výkon zlepší. Tento samostatný krok mal veľmi vysoké skoré zisky a vytvára podnet k zvýšeniu koordinácie, keď sa linky skracujú [6]. 2.4 Techniky fyzickej vrstvy v DSM Jadrom DSM sú vylepšené sieťové optimalizačné techniky sprostredkujúce optimálne rozmiestnenie prostriedkov a prenosového výkonu. Kľúčové elementy implementácie DSM zahŕňajú iteratívny algoritmus water-filling (v samostatnom móde), koordinovanú prenosovú metódu (vo vektorovom móde), mnoho-vstupovú, mnoho - výstupovú (MIMO) interferenčnú identifikáciu a kontrolu výkonu a rýchlosti

16 Techniky DSM sa môžu deliť na úrovne: 0, 1, 2, 3, súvisiace so stupňom koordinácie. Pri úrovni DSM 0 nie je použitá koordinácia medzi linkami. DSM úrovne 1 znamená, že prenosové rýchlosti a prípadne aj prenášaný výkon a ohraničenie šumu sú oznamované do a kontrolované pomocou SMC. Na úrovni 2 sú prijatý signál a výkonová spektrálna hustota (PSD) šumu oznamované do SMC a prenášané PSD sú kontrolované v SMC. Na úrovni 1 a 2 sa zvýšenie prenosovej rýchlosti/dosahu docieli pomocou použitia adaptívnych výkonovo distributívnych techník, ktoré minimalizujú vplyvy presluchov. Na úrovni 1 sa prenosové PSD vypočítava v každom prijímači/vysielači, a tak sa kontrola výkonu distribuuje medzi účastníkmi. Pri úrovni 2 sa prenosové PSD vypočítavajú centrálne v SMC. Úroveň 3 je najvyšší stupeň DSM pri ktorom všetky prijímače/vysielače spoločne spracovávajú prijaté symboly pre prenos proti smeru a vyslané symboly pre poprúdový prenos. Na úrovni 3 zlepšenie vychádza z použitia mnoho-účastníckych detekčných techník. Výsledkom je zrušenie presluchu v protiprúdovom prenose alebo predkompenzácia presluchu v poprúdovom prenose. Obr 2.2 DSM referenčný model

17 2.5 Iteratívna technika water-filling Technika water-filling je dobre známy algoritmus optimálnej distribúcie výkonu pre jedno užívateľský komunikačný kanál a predstavuje základ pre výkonové a bitové rozmiestnenie vo väčšine modemov na základe DMT (discrete multitone - modulačná metóda používaná vo viacerých DSL štandardoch. V DMT informačné bity sú mapované do skupiny kvadratúrne amplitúdovo modulovaných QAM signálov, kde tieto QAM signály sú prenášané cez nezávislé podkanály vo frekvenčnej oblasti, viac informácií v [4]). Koncept techniky water-filling pre jedného účastníka je zobrazený na obr.2.3 a. S udaním hodnôt odstup signálu od šumu (SNR) vo frekvenčnej oblasti - SNR(f), sa optimálne spektrum P(f) maximalizujúce rýchlosť prenosu dát získa pridelením väčšieho výkonu do frekvenčného pásma s vyšším kanálom SNR. Tento postup sa javí ako nalievanie celkového výkonu do nádrže inverznej SNR(f) krivky, odtiaľ názov water-filling. Minimalizovanie výkonu alebo verzia ustaľovania okraja techniky water-filling môže byť normálne použitá na otestovanie DSM, a v tomto prípade je cieľová prenosová rýchlosť konštantná a cieľom je minimalizovať celkový použitý výkon. Optimálna rozdeľovacia schéma je stále interpretovaná ako nalievanie výkonu do inverznej SNR(f) krivky, v tomto prípade, prednosť pri určení úrovne vody má cieľová prenosová rýchlosť pred celkovým výkonovým ohraničením. Iteratívna technika water-filling (IWF) sa javí ako rozšírenie techniky water-filling pre viac účastnícke komunikačné prostredie. Tento algoritmus je založený na formulovaní výkonového rozloženia vo viac účastníckej sieti ako konkurenčnej hry, v ktorej každý používateľ sa snaží maximalizovať svoju prenosovú rýchlosť s ohľadom na presluchové rušenie od ostatných užívateľov. Začínajúc od ľubovoľného počiatočného spektra, waterfilling procedúra sa na každej linke vykonáva nezávisle cez všetky DSL linky v zväzku. Dá sa ukázať, že tento rozložený iteračný proces konverguje k optimálnemu bodu, zvaného stacionárny bod v optimalizačnej teórií. Hoci môže existovať viac stacionárnych bodov vo viac účastníckom kanále, takýto prípad sa nepodarilo nájsť v širokom rozsahu testovaných DSL liniek, a matematicky sa dá dokázať, že neexistuje vo frekvenčných pásmach do 2 khz. Okrem toho, konvergencia a jedinečnosť riešenia iteratívnej techniky water-filling z ľubovoľného spektra je zaručená pre všetky DSL linky. Výkon - minimalizujúca IWF technika je tiež ďalšia možnosť, a v tomto prípade cieľová prenosová rýchlosť

18 Obr. 2.3 a) Technika water-filling pre jedného účastníka b) Iteratívna technika water-filling pre dvoch účastníkov

19 musí byť známa pre všetky modemy vopred. Maximálne prenosové rýchlosti sú pevne stanovené aj v statickom spektrálnom manažmente a to pomocou pravidiel známych ako profily, a tak DSM musí zaviesť ochranu cieľových prenosových rýchlostí v existujúcich samostatných typoch dnešných DSL. Pre ADSL kanály, prenosové rýchlosti získané IWF technikou sú veľmi blízke tým, ktoré sú získané optimálnou rýchlosťou a rozdelením výkonu. Skutočne, lepšie spektrum sa nenašlo v stacionárnych zväzkoch. Tento výsledok je veľmi povzbudivý, naznačuje, že technika IWF, v ktorej sú rýchlosť a výkon pre každý frekvenčný stav používateľa prispôsobené samostatne bez centrálnej kontroly, pracuje v podstate tak isto, ako keď spektrá všetkých používateľov sú kontrolované centralizovanou sieťovou jednotkou. Obr. 2.3 b zobrazuje proces iteratívnej techniky water-filling pre dvoch používateľov. Ako vidíme v každom iteračnom kroku obe užívateľské spektrá sa vzďaľujú od frekvenčnej oblasti vyznačujúcou sa silným rušením a to vďaka water-filling procesu opísaného vyššie a tak sa získava väčšia výkonnosť krok za krokom. Vo väčšine testovaných DSL linkách algoritmus konvergoval po dvoch alebo troch iteráciách. Opísaná procedúra predpokladá, že užívateľské procedúry water-filling prichádzajú v určitom poradí. Dôležité je však, že pre DSL kanály sa získajú rovnaké výsledky konvergencie, aj keď sú či nie sú procedúry water-filling v poradí alebo úspešné. Inými slovami, pre každý modem stačí, keď samostatne uskutočňuje svoj water-filling proces. Našťastie táto iteratívna technika I algoritmu už bola náhodne vyskúšaný na niektorých existujúcich DSL systémoch založených na DMT. Známa technika bit-swapping, ktorá slúži na prispôsobenie modemových operácií na pomalé kanálové zmeny, implicitne vykonáva water-filling. Pre takéto systémy by bol water-filling o dosť výraznejší, keby sa dosť ohraničujúce pravidlá súčasného spektrálneho manažmentu zmenili na menej limitujúce. Tieto zmeny kombinované s technikou IWF nebudú smerovať k zníženiu výkonu na žiadnej linke, ktorá bude naďalej využívať statický spektrálny manažment. Navyše, čím viacej liniek používa DSM, tým je zisk väčší. DSM je povolený v existujúcom štandarde pod definíciou nové technológie. Toto prispôsobenie pripravuje cestu pre budúce využitie DSM jednoducho povolením rozmiestňovania nových systémov do vtedy, pokiaľ nerušia ostatné systémy viac ako je

20 povolené rušenie týchto ostatných systémov od seba samých. Poskytovatelia služieb budú motivovaný k použitiu DSM modemov skôr ako statických modemov. Obr a) ADSL prenosový scenár b) Dosiahnuteľné prenosové rýchlosti pomocou iteratívnej techniky water-filling Obr ilustruje klasický priestorový problém v súčasnom rozmiestnení ADSL, pre ktoré technika IWF môže umožniť dramatické zvýšenie prenosových rýchlostí. Na obr. 2.4 a ADSL prijímač na linke 1 zaznamenáva veľký FEXT od vzdialeného terminálu RT (Remote terminal) - ADSL vysielač po smere, ktorý je len vzdialený 0.15 km od ADSL prijímača. Podľa pravidiel existujúceho statického spektrálneho manažmentu linka 1 jednoducho nebude pracovať, dosiahnuteľná rýchlosť je len 300kb/s po smere

21 Merania presluchov pre typickú konfiguráciu ako je na obr. 2.4a oznámili Verzion Broadband Integration Lab (VBIL). Toto je najhorší prípad presluchového väzbového páru. VBIL sa podarilo získať 9Mb/s na krátkej linke a 100kb/s na dlhej linke. Obr. 2.4 b zobrazuje dosiahnuteľné rýchlosti, keď sa pre obidve linky povolí používanie výkonovo - minimalizujúca iteratívna technika water-filling. Napríklad dvojice rýchlostí (2,1.8),(4,1.4),(6,0.9),(8,0.6) Mb/s sú dosiahnuteľne na dlhých resp. krátkych linkách. Za cenu znížených rýchlostí na krátkej linke, je možné získať obrovské zlepšenie na dlhej linke. Spektrum krátkej linky migruje k vyšším frekvenciám a ustupuje dlhšej linke. Iteratívna technika water-filling môže byť vylepšená vonkajšou kontrolnou slučkou, v ktorej sa vykonáva centralizované rozdeľovanie zdrojov, a tak poskytuje flexibilnejšie služby zákazníkom vo forme výberu väčších rýchlostí. Toto vyžaduje väčší stupeň koordinácie, kde každý modem hlási podstatné DSM dáta, napr. dosiahnuteľné prenosové rýchlosti a výkonové ohraničenie do SCM. Na základe týchto správ SMC určí dosiahnuteľné rýchlosti alebo všeobecnejšie, určí dosiahnuteľné oblasti prenosových rýchlostí, pomocou ktorých môže riadiť vykonávanie IWF algoritmu s rôznym prenosovým výkonom a cieľovou prenos. rýchlosťou u každého modemu. Už aj malá miera koordinácie ponúka veľkú flexibilitu. Napríklad, na zákazníkovu žiadosť SMC môže riadiť modem operujúci v nadbytočnom výkonovom ohraničení aby zvýšil prenosovú rýchlosť a tým by zabezpečil vysoko rýchlostnú službu alebo znížil prenášaný výkon, čo zníži presluchy s ostatnými modemami. Tento koncept poskytovania flexibilných služieb sa nedá dosiahnuť v statickom spektrálnom manažmente, kde každý modem je nútený používať fixnú PSD masku bez ohľadu na to, kde je lokalizovaný a akceptovať výslednú prenosovú rýchlosť, či už je alebo nie je postačujúca. Aj keď sú známe výsledky water-filling algoritmu v bitovej distribúcii s postupnými hodnotami, všetky reálne DMT systémy požadujú aby množstvo bitov priradených k podnosnej frekvencií bolo celé číslo alebo zlomok celého čísla. Metódy vykonávajúce diskrétnu bitovú alokáciu boli vyvinuté v minulosti pre jedno užívateľské systémy. Pre mnoho užívateľské DSM systémy boli nedávno navrhnuté diskrétne bitové nakladanie a algoritmus riadenia výkonu, a umožňujú zlepšenie v bitovej a výkonovej alokácii. V tomto algoritme sieťová jednotka vypočíta a aktualizuje inkrementačnú výkonovú tabuľku, ktorá špecifikuje množstvo výkonu potrebného na priradenie ďalšieho informačného

22 bitu k momentálnemu bitovému priradeniu vo všetkých frekvenciách a u všetkých používateľov. Na základe algoritmu sa pre každého používateľa vyberie špecifická frekvencia korešpondujúca s minimálnym vstupom v tabuľke a zväčší sa o jeden bit. Táto aktualizácia bitovej alokácie pokračuje dovtedy, až kým prenášaný výkon nedosiahne povolené maximum alebo sa dosiahnu požadované prenosové rýchlosti. Aj keď zložitosť aktualizovania inkrementačnej tabuľky pre každý krok bitovej alokácie môže byť vysoká, vykonávanie viac používateľského diskrétneho bitového nakladania vedie k zníženiu celkového prenášaného výkonu pre dané prenosové rýchlosti s ohľadom na tie, ktoré sú získané iteratívnym waterfillingom pre tie isté prenosové rýchlosti. Akokoľvek, je nepravdepodobné použitie tejto nakladacej metódy, pretože keď je povolená koordinácia, lepšie je použiť vektorový mód. Bližšie informácie v [6]. 2.6 Popis IWF algoritmu z matematického hľadiska Obr zobrazuje DSL prenosové prostredie pre prípad 2 účastníkov a pre zjednodušenie popisuje len premenné týkajúce sa poprúdového prenosu. Prijímač/vysielač xtu-c 1 prvého účastníka v centrálnej ústredni (CO) vysiela prenosové PSD S 1 (f) cez (priamy) kanál s prenosovou funkciou H 11 (f) do prijímača/vysielača xtu-r 1 na strane zákazníka. Prijímač/vysielač xtu-r 1 je rušený CO prijímačom/vysielačom xtu-c 2 druhého účastníka, ktorého prenosové PSD je S 2 (f) cez presluchovú funkciu H 12 (f). To isté platí aj obrátene. Prijímač/vysielač na zákazníckej strane xtu-r2 je rušený CO prijímačom/vysielačom prvého účastníka xtu-c1. Obr DSL prenosové prostredie (poprúdové) pre 2 účastníkov

23 DMT je modulácia využívaná vo VDSL a je to modulácia vo frekvenčnej oblasti. Hlavné výhody tejto modulácie sú bitové rozmiestnene a rozdelenie výkonu. Bitové rozmiestnenie sa vypočítava postupne po jednotlivých podnosných ako je dané výrazom (2.1) a je závislé od SNR na strane prijímača [7]. (2.1) Vo výraze (2.1) je k index podnosnej, N 1 (k) predstavuje všetky šumy okrem vlastného presluchu a Γ 1 je Shanonnova SNR medzera, ktorá udáva rozdiel medzi praktickým kódovaním, modulačnou schémou a teoretickou kapacitou kanála. Takéto bitové rozmiestnenie umožňuje modemu prispôsobiť sa meniacim sa podmienkam na linke vďaka dynamickému meneniu konštelácií použitých v každej podnosnej. Výraz (2.1) hovorí o tom, že bitové rozloženie pre 1. účastníka závisí od presluchu prichádzajúceho od 2. účastníka. Ak sa presluch zvýši na niektorej podnosnej, je ňou možné prenášať iba niekoľko bitov. To isté platí pre 2. účastníka, presluch prichádzajúci od 1. účastníka narúša signál 2. účastníka. Optimalizačný proces celkovej prenosovej rýchlosti pre oboch účastníkov s nastavením maximálneho prenášaného výkonu pre každého účastníka môže byť vyjadrený funkciou danou výrazom (2.2). (2.2)

24 Výraz (2.2) je súčtom prenosových rýchlostí oboch účastníkov spolu s Lagrangeovými multiplikátormi berúcimi ohľad na celkové výkonové obmedzenia oboch účastníkov. Deriváciou výrazu (2.2) podľa S 1 (k) a S 2 (k) a následné porovnanie s 0 umožňuje získať kvadratické riešenie pre S 1 (k) a S 2 (k). V prípade prostredia s väčším počtom užívateľov je riešenie komplikované a je potrebná koordinácia medzi linkami. Našim cieľom je získať jednoduchý výraz bez použitia vzájomnej koordinácie medzi linkami. Dá sa do docieliť použitím nasledovnej aproximácie: Šum pozadia je oveľa väčší ako šum spôsobený vlastným presluchom. Výsledkom je výraz (2.3). (2.3) Deriváciou funkcie (2.2) s ohľadom na S 1 (k) pre 1. účastníka a porovnanie s nulou nám určuje optimum udané v (2.4) (2.4) Prepísaním výrazu (2.4) sa získa water-filling rovnica pre 1. účastníka (2.5). (2.5) Preto po nahradení šumu pozadia celkovým šumom je rovnica (2.5) s optimálnou odpoveďou modemu k inému interferujúcemu modemu a ohraničením výkonu známa ako water-filling

25 výkonové rozdelenie. Nie je použitá koordinácia medzi linkami a šum meraný modemom je celkový šum: šum pozadia spolu s rušením. Iteratívny water-filling konverguje k Nashovmu rovnovážnemu bodu, pri ktorom výkonové rozdelenie každého modemu je optimálnou odpoveďou na výkonové rozdelenie ostatných modemov. Rovnica pre water-filling môže byť rozpísaná nasledovne (2.6) (2.6) K 1 označuje water-filling úroveň a je šum pozadia spolu s rušením, čo je rovné celkovému šumu. Na to, aby na podnosnú pripadal aspoň 1 bit, vychádzajúc z výrazu (2.1), SNR musí byť aspoň také veľké ako Γ1, čo môže byt priblížené hodnotou Γ 1 12dB. Naozaj Shanonova SNR medzera pre dosiahnutie chybovosti (BER) 10-7 je približne rovná 9.75dB. Pridaním šumovej hranice 6 db a odrátaním kódového zisku 3.75dB získame celkovú hodnotu 12 db pre Γ 1, čo je zobrazené v (2.7). (2.7) Signál v použiteľných podnosných je minimálne 16 krát väčší ako odstup šum ku kanálu. Spojením tohto poznatku s rovnicou (2.6) dostaneme aproximovaný vzťah pre prenosové PSD (2.8). (2.8) Prenášané PSD je potom rovné úrovni water-filling a nie je použité PSD tvarovanie. Výsledkom je zníženie komplexnosti výkonového rozloženia pri DSM úrovne 1. V súčasnosti výkonové rozdelenie v ADSL prijímačoch/vysielačoch je implementáciou známeho waterfilling algoritmu, ktorý je optimálny pre prípad jedného účastníka. Water-filling pre DMT ADSL sa zjednoduší na rozdelenie rovnakého výkonu do všetkých podnosných, ktoré majú

26 postačujúci odstup signál šum (SNR) na bitové rozmiestnenie a výsledné vysielacie PSD má plochý priebeh [7]. 2.7 Prehľad techník water-filling DSL prijímač/vysielač môže pracovať v 3 módoch [7]: mód prispôsobenia sa rýchlosti (rate-adaptive, RA) mód prispôsobenia sa hranici šumu (margin-adaptive,ma) mód prispôsobenia sa výkonu (power-adaptive, PA) Pri móde prispôsobenia sa rýchlosti prijímač/vysielač využíva celý použiteľný výkon na maximalizovanie prenosovej rýchlosti, pričom udržuje pevné ohraničenie šumu. Pri móde prispôsobenia sa hranici šumu prijímač/vysielač využíva všetok použiteľný výkon na maximalizovanie ohraničenia šumu, pričom udržuje pevné hodnoty prenosových rýchlostí. Pri móde prispôsobenia sa výkonu prijímač/vysielač minimalizuje množstvo spotrebovaného výkonu, pričom udržuje pevné ohraničenie šumu a pevné hodnoty prenosových rýchlostí. V súčasnosti väčšina DSL liniek pracuje v MA móde, čo spôsobuje stratu výkonu na kratších linkách a vytvára presluchy na dlhých linkách a tak celý káblový zväzok pracuje pod úrovňou dosiahnuteľnej kapacity alebo dosahu. DSM prvej úrovne ponúka prepnutie všetkých DSL prijímačov/vysielačov do PA módu, čo spôsobí na všetkých DSL prijímačoch/vysielačoch pripojených ku krátkym linkám použitie výkonového stiahnutia sa (power back-off, PBO) s cieľom minimalizovať vysielací výkon, pričom udržiava svoje ohraničenie šumu a svoje hodnoty prenosových rýchlostí. Ďalej je vhodné opustiť využívanie PSD masiek na zaručenie spektrálnej kompatibility s ostatnými DSL službami, význam majú iba v obmedzení celkového výkonu. Preto DSL prijímač/vysielač pripojený k dlhej slučke bude môcť presunúť výkon z vyšších podnosných, ktoré nie sú využívané, na nižšie podnosné. Táto technika sa nazýva boosting. Výsledný algoritmus je porovnateľný s technikou iteratívny water-filling, čím sa získa sub optimálne riešenie pre problém viacerých účastníkov, ale jeho výhoda je v distribúcií cez všetky DSL prijímače/vysielače, takže nie je potrebná centrálna kontrola

27 pomocou SMC. Použitie SMC má však výhodu v možnosti určenia dosiahnuteľných kombinácií prenosových rýchlostí a ohraničenia šumu v danom zväzku [7]

28 3. Opis a model prenosového systému Na posúdenie efektívnosti techník dynamického spektrálneho manažmentu bola použitá počítačová simulácia. Overovanie teoretických výsledkov pomocou tejto metódy bolo zvolené z dôvodu jej rýchlej realizovateľnosti, modifikovateľnosti a nízkej finančnej náročnosti. Simulácia bola realizovaná v programe Matlab verzia (R14) Service pack Opis simulačného modelu Simulačný model (obr. 3.1) sa skladá z troch základných častí: - vysielacia časť: je najpodstatnejšou časťou simulačného modelu a nižšie bude podrobnejšie opísaná, jej hlavnou úlohou je úprava vysielaného PSD a následné modulovanie prenášaných údajov pomocou DMT modulácie. Je možné rozšírenie o samo opravné kódy zabezpečujúce ochranu údajov. - zväzok metalických vedení: simuluje rušivé vplyvy, pôsobiace na signál počas prenosu vedením, ide hlavne o presluchy (FEXT) a rôzne druhy šumov. - prijímacia časť: zabezpečuje príjem a demoduláciu prenášaného signálu. Obr. 3.1 Schéma simulačného modelu

29 3.2 Duplexné metódy Pri modelovaní VDSL prostredia je potrebné definovať spôsob oddelenia poprúdového a protiprúdového prenosu, nakoľko presluchy medzi oboma smermi prenosu patria k podstatným zdrojom rušenia. Pre xdsl technológie môžu byť použité nasledovné duplexné metódy: Potláčanie ozvien - Echo canceling (EC) Na prenos sa využíva celá šírka pásma pre oba smery súčasne. Táto metóda umožňuje najefektívnejšie využitie prenosového kanála (efektívnosť je 100%) pri modemoch pracujúcich v hovorovom pásme, kde nie sú prítomné presluchy od iných párov. Pre DSL technológie, kde je hlavným zdrojom presluchu FEXT od iných účastníkov a preto nie je možné použiť obojstranný simultánny prenos [10]. Duplex s frekvenčným delením - Frequency-division duplexing (FDD) Tento typ duplexu využíva oddelenie pásiem pre prenos po prúde (downstream) a proti prúdu (upstream). Implementovanie FDD je jednoduché, pretože ozveny môžu byť odstránené v analógovej oblasti pomocou filtrov. Hlavná výhoda FDD spočíva v eliminovaní presluchu na blízkom konci NEXT. Nevýhodou je neefektívne využitie prenosového kanála, nakoľko poprúdové a protiprúdové pásmo nie je vyvážené pri dlhých vedeniach [11]. Tento problém je možné vyriešiť adaptívnymi algoritmami upravujúcimi rozdelenie poprúdových a protiprúdových pásiem, ako je uvedené v [12]. Efektivita FDD je daná vzťahom (3.1): (3.1) čo je s použitím reálnych filtrov limitované na 40% [10]

30 Kombinácia EC/FDD Táto technika je kombináciou oboch predošlých riešení, obojsmerný simultánny prenos (EC) sa využíva po určitú frekvenciu, nad touto hraničnou frekvenciou je použité FDD [10]. Duplex s časovým delením - Time-division duplexing (TDD) Pri prenose sa využíva celá kapacita kanála, modemy na oboch stranách linky sa periodicky striedajú pri vysielaní, v danom časovom okamihu môže vysielať len jedna strana. Efektivita tejto metódy s ohľadom na prijateľnú dobu odozvy je približne 45% [10]. Pre technológiu VDSL bola zvolená FDD duplexná metóda, ktorú používame v simulácií. Obr. 3.2 a) zobrazuje frekvenčné rozdelenie pásiem pre poprúdový a protiprúdový prenos. Konkrétne ide o frekvenčný plán 997 určený pre Európu podľa normy TS ,[9]. Norma zahŕňa aj alternatívny frekvenčný plán 998 zobrazený na obr 3.2 b) pre iné regióny ako je napríklad Severná Amerika a Japonsko. Pre nami realizovanú simuláciu bol zvolený európsky frekvenčný plán 997. a) b) O voliteľné pásmo, použiteľné ak nie je prítomné POTS alebo ISDN v zväzku DS pásmo pre prenos po prúde US pásmo pre prenos proti prúdu Obr. 3.2 a) frekvenčný plán 997 b) frekvenčný plán 998 [8]

31 3.3 Definícia PSD masiek VDSL prijímač/vysielač využívajúci statický spektrálny manažment musí limitovať vysielaciu spektrálnu hustotu podľa PDS masiek. Na obr. 3.3 je zobrazená PSD maska pre protiprúdový prenos. Maska M1 zohľadňuje vplyv šumu spôsobeného amatérskym rádiovým vysielaním, maska M2 sa využíva, ak tento šum je zanedbateľný alebo sa nevyskytuje. V závislosti od umiestnenia linkového ukončenia (LT) rozlišujeme dva scenáre: FTTEx - prístupová cesta je tvorená metalickým vedením a FTTCab časť prístupovej cesty je tvorená optickým vedením a posledných metrov využíva existujúce metalické vedenie. Pre každý zo spomínaných scenárov je určený iný typ PSD masky, na obr. 3.4 je maska pre FTTEx, na obr. 3.5 pre FTTCab. Pre našu simuláciu bola zvolená pre poprúdový prenos maska pre FTTEx so šumovým scenárom M1, z dôvodu pozorovania vplyvu iteratívnej techniky na vedenia rôznej dĺžky, čomu vyhovuje práve scenár FTTEx, kde vedenie môže nadobúdať dĺžku aj 2 km [9]. Obr PSD masky pre protiprúdový prenos, maska M1 (plnou čiarou),maska M2 (prerušovaná čiara), voliteľné pásmo (bodkovane)

32 Obr PSD masky pre poprúdový prenos pri použití FTTEx, maska M1 (plnou čiarou) maska M2 (prerušovaná čiara) Obr PSD masky pre poprúdový prenos pri použití FTTCab, maska M1 (plnou čiarou) maska M2 (prerušovaná čiara)

33 3.4 Modulátor DMT Pre VDSL sa ukázala ako najvhodnejšia modulácia DMT (Discrete multitone). Táto modulácia sa zaraďuje medzi modulácie s mnoho podnosnými, je založená na rozdelení frekvenčného pásma do nezávislých podkanálov a v každom podkanále sú dáta modulované pomocou QAM modulácie. Počet stavov QAM závisí od odstupu signál, šum v danom podkanále. Pre VDSL je maximálny počet podkanálov Na obr.3.3 je zobrazená zjednodušená bloková schéma DMT vysielača. Obr 3.3 Bloková schéma DMT vysielača Prijímač je zrkadlovým obrazom vysielača. Vstupný tok dát B je rozdelený do N podnosných pásiem, počet bitov na symbol v N-tom pásme je b(n). Potom platí (3.2): (3.2) S ohľadom na šírku podnosného pásma δf, ktorá je pre VDSL stanovená na khz, platí pre celkovú prenosovú rýchlosť systému R vzťah (3.3):

34 (3.3) kde (3.4) Význam jednotlivých premenných zo vzťahu (3.4) je nasledovný: SNR(n) - odstup užitočného signálu od šumu v n-tej podnosnej, mar - ohraničenie šumu, cg - zisk kódovania, P e - pravdepodobnosť chyby na symbol. Tento vzťah je možné zjednodušiť spojením veličín nezávislých od n do jednej premennej (3.5) a po dosadení (3.6) Veličina Г je SNR medzera, ktorá udáva rozdiel medzi praktickým kódovaním, modulačnou schémou a teoretickou kapacitou kanála [10]. Pre VDSL je SNR medzera pri bitovej chybovosti (BER) 10-7 približne rovná 9.75dB. Pridaním šumovej hranice 6 db a odrátaním kódového zisku 3.75dB získame celkovú hodnotu 12 db podľa [7]. 3.5 Modul iteratívnej techniky water-filling Technika iteratívny water-filling je algoritmus, v ktorom sa modemy každého užívateľa snažia maximalizovať vlastnú prenosovú rýchlosť ale nesmú prekročiť hodnotu maximálneho vysielacieho výkonu P n, pričom sa nevyužívajú spektrálne masky. Každý modem musí použiť tento algoritmus na rušenie od ostatných užívateľov a na šum kanála. Výsledné PSD n-tého užívateľa v k-tej podnosnej je:

35 (3.7) kde [x] + n n m =max(0,x) a λ n je vybraté tak, že platí s = P, h, je presluchová funkcia od m- k k n k tého užívateľa k n-tému v k-tej podnosnej, n n h, k je prenosová funkcia n-tého kanála pre k-tu podnosnú, n σ k je šum v n-tom kanáli v k-tej podnosnej a Г je SNR medzera V tomto algoritme si modemy nastavia svoj celkový výkon Pn na minimálnu hodnotu umožňujúcu dosiahnuť požadovanú prenosovú rýchlosť. Inak povedané, úroveň techniky water-filling λ n je vybratá tak, že platí: (3.8) kde f s je šírka podnosného kanála, čo je pri VDSL DMT modulácií 4,3125 khz, s ( λ ) n k, iw n označuje water-filling PSD s water-filling úrovňou λn vypočítané pomocou (3.7). Technika iteratívny water-filling je algoritmus, v ktorom sa modemy každého užívateľa snažia maximalizovať vlastnú prenosovú rýchlosť ale nesmú prekročiť hodnotu maximálneho vysielacieho výkonu P n, pričom sa nevyužívajú spektrálne masky. Každý modem musí použiť tento algoritmus na rušenie od ostatných užívateľov a na šum kanála. Algoritmus iteratívnej techniky water-filling opakuj pre n=1,...,n opakuj n n sk = sk, iw ( λn ) pre k s využitím (3.7) n t arg et n ak f s b k < Rn a s P k n potom zväčši hodnotu λ n, k ak nie, tak zmenši hodnotu λ n do konvergencie koniec do konvergencie k

36 S použitím tohto algoritmu užívatelia upravujú svoje PSD postupne za sebou, bližšie informácie v [13]. 3.6 Metalické homogénne vedenie VDSL technológia tvorí účastnícku prístupovú sieť alebo tzv. riešenie posledného kilometra. Pri tomto riešení sa predpokladá nahradenie časti prenosovej cesty optickým vedením a existujúce metalické rozvody budú slúžiť na distribúciu signálu v budove. Napriek tomu je potrebné venovať metalickému vedeniu patričnú pozornosť, keďže ide o časť prenosovej cesty, ktorá je najcitlivejšia na rušenie. Preto sme sa pri tvorbe simulačného modelu zamerali práve na metalické vedenie a vplyv optického vedenia sme zanedbali. V nasledujúcich odstavoch si popíšeme najvýraznejšie nepriaznivé vplyvy pôsobiace na signál pri VDSL technológií. Straty šírenia Jedným zo základných nežiadúcich vplyvov pôsobiacich na prenášaný signál je tlmenie vedenia. Straty šírenia sú určené prenosovou funkciou vedenia, ktorá je závislá od frekvencie. VDSL technológia využíva frekvenčné pásmo od 300 khz do 12MHz a tým pádom sa straty šírenia stávajú značným problémom. Prenosová funkcia vedenia je daná výrazom podľa [9]: (3.9) kde Z0 predstavuje vlnovú impedanciu vedenia pri jeho zakončení odporom R V a γ predstavuje komplexnú mieru prenosu. Potom pre vedenie dĺžky l pri frekvencii f môžeme tlmenie vyjadriť v db ako: (3.10)

37 Presluchy Najväčším limitujúcim prvkom metalických vedení, ktoré využíva technológia VDSL sú presluchy. Príčinou vzniku presluchov je kapacitná a induktívna väzba (alebo presnejšie nevyváženosť väzieb) medzi pármi v káblovom zväzku. V prípade, že jeden z párov považujeme za rušiteľa, napätie a prúdy indukované v ďalších pároch zväzku sú prenášané oboma smermi. Ak pokračujú v tom istom smere ako rušiaci signál, vznikne presluch na vzdialenom konci (FEXT), ak sa vracajú smerom ku zdroju rušenia, vzniká presluch na blízkom konci (NEXT). Oba typy presluchu sú zobrazené na obr. 3.3, hrúbka čiar zobrazujúca presluch udáva hrubý odhad úrovne interferujúceho signálu. NEXT vzrastá zo zvyšujúcou sa frekvenciou a pri VDSL je jeho existencia neakceptovateľná, preto sú VDSL systémy navrhované tak, aby nedochádzalo ku vzniku tohto typu presluchu [10], preto sme sa v simulácií zamerali na presluchy spôsobené FEXT-om. Obr 3.4 Mezdipárová väzba spôsobujúca FEXT a NEXT Mieru vplyvu FEXT-u na prenášaný signál možno vyjadriť prostredníctvom zisku presluchovej väzby ako: (3.11)

38 kde k FEXT je celkový väzobný koeficient meniaci sa pre každý pár vo zväzku, H (l,f) je prenosová funkcia vedenia, l je dĺžka vedenia a f je frekvencia podľa [4].Nami simulovaný presluch je definovaný podľa vzťahu AWGN (tepelný šum) Tepelný šum je spôsobený tepelným neusporiadaným pohybom elektrónov v materiáli vodiča a pre väčšie frekvencie je v podstate biely. Rádovo sa efektívna hodnota jeho napätia pohybuje v µv. Šum pozadia sa nedá presnejšie popísať. Efektívna hodnota napätia sa pohybuje pod 1 mv. V simulačnom modeli sme tepelný šum reprezentovali aditívnym bielym gaussovským šumom (AWGN) s výkonovou spektrálnou hustotou rovnou -140 dbm

39 4. Simulačné výsledky iteratívnej techniky water-filling Na posúdenie efektivity iteratívnej techniky water-filling (IWF) bolo potrebné vytvoriť vhodné simulačné prostredie, to znamená definovanie prenosového kanála a vhodný opis rušiacich vplyvov. Parametre prenosovej funkcie vedenia sme zvolili podľa TS norma pre VDSL [9],[14], dĺžku vedenia je možné meniť. Hlavným zdrojom rušenia je FEXT, ktorý je dominantný pri VDSL, uvažuje sa 1% najhorší prípad, to znamená že takáto situácia sa vyskytne v 1% prípadov (bližšie informácie v [6],[13]). Prenosová funkcia vedenia a presluchová funkcia FEXT-u sú zobrazené na obr Počet rušiacich párov bol zvolený z intervalu <1,49>, keďže za maximálny počet liniek v káblovom zväzku uvažujeme 50. Využívaný frekvenčný rozsah je pre VDSL od 138kHz do 12MHz. Pre moduláciu DMT sa využíva šírka podkanála 4,3125 khz. Maximálny vysielací výkon VDSL modemu pre poprúdový aj protiprúdový prenos je 11,5 dbm podľa [9]. Simulačný model pre názornosť porovnáva prenosové rýchlosti VDSL modemu pri statickom dynamickom manažmente využívajúcom PSD masky a dynamickom spektrálnom Obr. 4.1 Prenosová funkcia vedenia a funkcia FEXT-u pri 49 rušiacich pároch a dĺžke vedenia 500m

40 Obr. 4.2 Použitá PSD maska M1 FTTEx pre poprúdový prenos Obr. 4.3 Použitá PSD maska M1 pre protiprúdový prenos

41 manažmente, kde je PSD upravované pomocou IWF algoritmu. Obrázky 4.2 a 4.3 zobrazujú PSD masky pre poprúdový aj protiprúdový prenos podľa normy TS [9], požité ako základ pre výpočet rýchlostí pri statickom spektrálnom manažmente. Masky sú porovnateľné s vyobrazenými PSD maskami v časti 3.3. V prvej časti simulácie sme pozorovali vplyv iteratívnej techniky water filling na prenosové rýchlosti, ak je aplikovaná na modemy 2 účastníkov. Systém bol nastavený na najhorší prípad presluchového rušenia spôsobeného FEXT-om, uvažovali sme 50 liniek v káblovom zväzku využívajúcich VDSL technológiu, čo je maximálny počet. Najskôr sme využili model na výpočet prenosových rýchlostí účastníka využívajúceho statické PSD masky a potom sme aplikovali IWF algoritmus na modemy dvoch účastníkov. V simulácií uvažujeme oddelenie kanálov pre prenos po prúde a proti prúdu. Výsledky simulácie v poprúdovom smere sú zobrazené na obr. 4.4, protiprúdový prenos je na obr. 4.5, zhrnutie pre oba smery je v tabuľke 4.1. Vypočítané rýchlosti nezohľadňujú nadbytočnosť kódovania, to znamená že pre užitočné dáta by boli tieto rýchlosti nižšie v závislosti od typu použitých samo opravných kódov. Pri vedení kratšej dĺžky sú prenosové rýchlosti pri protiprúdovom smere vyššie ako pri poprúdovom, čo je spôsobené pridelením širšieho frekvenčného pásma pre protiprúdový prenos podľa frekvenčného plánu 997, pri dlhších vedeniach sú však rýchlosti nižšie ako pri poprúdovom prenose, nakoľko väčšia časť frekvenčného pásma prideleného pre poprúdový prenos sa nachádza vo vyšších frekvenciách, kde je väčšie tlmenie. Dĺžka vedenia [m] Poprúdové prenosové rýchlosti [Mb/s] 1 účastník s IWF Bez použitia IWF 2 účastník s IWF Protiprúdové Prenosové rýchlosti [Mb/s] Bez 1 účastník 2 účastník použitia s IWF s IWF IWF ,28 17,41 17,3 20,45 26,65 24, ,07 15,31 14,69 7,63 21,59 20, ,45 14,94 13,65 2,93 17,62 16, ,61 13,35 13,17 1,51 7,81 7, ,45 12,39 12,11 0,98 4,8 4, ,72 9,62 8,81 0,59 2,25 1, ,18 8,47 7,84 0,31 0,77 0,65 Tab Prenosové rýchlosti pre poprúdový a protiprúdový prenos bez a s použitím iteratívnej techniky water-filling IWF pri najhoršom prípade FEXT-u 49 rušiacich párov

42 Obr 4.4. Prenosové rýchlosti pre poprúdový prenos pri najhoršom prípade FEXT-u 49 rušiacich párov. Obr 4.5. Prenosové rýchlosti pre protprúdový prenos pri najhoršom prípade FEXT-u 49 rušiacich párov

43 Následne sme zmenili vplyv FEXT-u, uvažovali sme presluchové rušenie medzi dvomi účastníkmi v káblovom zväzku. Na účastnícku linku teda pôsobil len FEXT od druhého účastníka a šum pozadia simulovaný pomocou AWGN šumu nastaveného na výkonovú úroveň -140 dbm/hz. Priebeh simulácie zostáva nezmenený ako v predošlom prípade, opäť porovnávame prenosové rýchlosti oddelene pre poprúdový a protiprúdový prenos bez použitia a s použitím IWF. Výsledky simulácie sú zobrazené na obr. 4.6 pre poprúdový prenos, obr. 4.7 pre protiprúdový prenos a celkové zhrnutie je v tabuľke 4.2. Z výsledkov je zrejmé, že prínos IWF algoritmu je výraznejší ako pri predchádzajúcom prípade, nakoľko vedenie sa nenachádza v 1% najhoršom presluchovom scenári, pre ktoré sú dimenzované PSD masky a iteratívna technika water-filling umožňuje oveľa efektívnejšie rozloženie vysielacieho výkonu. To znamená, že pri dĺžke vedenia 2 km pri protiprúdovom prenose je možné vysielať rýchlosťou 5Mb/s, zatiaľ čo modem využívajúci pevné PSD masky by vysielal maximálne rýchlosťou 300kB/s, prípadne by vôbec nepracoval. Výhody využitia techniky water-filling sa prejavujú najmä pri vedeniach dĺžky 1 km a viac, pri poprúdovom smere je možné dosiahnuť zvýšenie prenosových rýchlosti o 2,5 až 5 Mb/s. Prenosové rýchlosti prvého účastníka sú o niečo vyššie ako u druhého, čo vyplýva z podstaty IWF algoritmu, kde účastníci si upravujú svoju výkonovú spektrálnu hustotu postupne, to znamená, že prvý účastník využije pre seba väčšiu šírku pásma. Dĺžka vedenia [m] Poprúdové prenosové rýchlosti [Mb/s] 1 účastník s IWF Bez použitia IWF 2 účastník s IWF Protiprúdové Prenosové rýchlosti [Mb/s] Bez 1 účastník 2 účastník použitia s IWF s IWF IWF ,25 17,92 17,79 25,67 27,01 24, ,38 15,34 14,73 21,11 22,18 20, ,48 15,27 13,8 14,62 19,1 18, ,1 14,51 13,2 6,52 17,93 17, ,86 13,9 13,17 4,3 13,67 12, ,09 13,33 13,14 1,67 7,99 6, ,18 12,99 12,75 0,37 5,77 5,33 Tab Prenosové rýchlosti pre poprúdový a protiprúdový prenos bez a s použitím iteratívnej techniky water-filling IWF pri dvoch účastníkoch v káblovom zväzku