Помехи линий DSL и методы их ослабления

8. Механизмы ослабления шумов линий DSL

Введение

Имеется множество практических стратегий ослабления влияния помех в системах DSL.

Внутренние помехи систем DSL зависят главным образом от реализации модемов и практически не могут быть изменены на этапе развёртывания. Для минимизации помех этого типа целесообразно использовать оборудование производителей с хорошей репутацией.

Устойчивость системы DSL к внутренним помехам может быть улучшена путём использования лучших схем и передовых технологий – таких, как адаптивные корректоры во временной области TEQ, адаптивные эхо подавители, адаптивные гибридные и программируемые цифровые/аналоговые фильтры.

Влияние внешних стационарных помех, подобных переходным помехам, также обычно учитывается при разработке модемов DSL. Спектральная совместимость обеспечивается соответствующим формированием масок спектральной плотности PSD передатчиков модемов DSL. Оператор может минимизировать переходные помехи на другие линии DSL, управляя параметрами этих масок. К этим методам относятся методы снижения уровней мощности power back-off сигналов US и DS (UPBO/DPBO), метод виртуального шума, который введены в стандарт G.993.2 VDSL2, и многие другие.

Следует отметить, что сами механизмы подавления помех могут быть причиной появления новых помех. Так, например, известный алгоритм Витерби служит причиной размножения ошибок.

8.1 Метод виртуального шума

Рис. 19 Метод виртуального шума

Стратегия коррекции ошибок Impulse noise protection (INP) представляет собой комбинацию кодирования Reed-Solomon и интерливинга, параметры которых определены стандартом.

При уменьшении скорости передачи запас по шумам увеличивается. По существу, приёмник работает с существенным запасом по шумам, что позволяет поддерживать ошибки передачи в допустимых пределах. В частности, эти большие запасы позволяют существенно ослабить влияние на передачу импульсных помех. Другие недостатки, подобные, например, увеличенной памяти интерливинга, могут оказаться критичными для приложений реального времени и приложений, требующих малой задержки.

8.2 Методы адаптации пропускной способности линии DSL к флуктуациям уровня помех

8.2.1 Метод “бесшовной” адаптации Seamless Rate Adaptation (SRA).

При медленных флуктуациях уровня шумов или его флуктуациях с умеренной скоростью используется целый арсенал механизмов адаптации, включая изменение пропускной способности субканалов (tone reordering), обмен битами информации между субканалами при сохранении общей пропускной способности соединения (bitswap) и/или Seamless Rate Adaptation (SRA).

Методы bitswap и tone reordering рассматривались в первой главе. Поэтому здесь обсудим только метод SRA.

Этот метод, основанный на развязке процессов модуляции и формирования циклов, автоматически изменяет пропускную способность линии DSL, сохраняя неизменным запас по шумам. что гарантирует её работоспособность и исключает возможность перерыва связи.

Это важное свойство механизма SRA подчёркивает словечко seamless, которое можно перевести буквально как “бесшовный”, а более правильно - как “безошибочный”. Упомянутый механизм развязки, использующий сложные процедуры взаимной реконфигурации модемов ADSL в реальном времени - Online reconfiguration (OLR), позволяет изменять скорость передачи модемов без влияния на параметры циклов сигнала DMT, которое обычно проявляется в увеличении ошибок в цифровом сигнале или даже полной потере цикловой синхронизации.

Работа механизма SRA происходит в 4 этапа:

1. Приёмники модемов ADSL, непрерывно контролирующие величину отношения сигнал/шум SNR соединения, обнаружив изменение SNR (например, из-за проникновения в кабель воды), определяют необходимость изменения скорости передачи.

2. Чтобы инициировать изменение скорости передачи, приёмник модема посылает передатчику удалённого модема соответствующее сообщение. Последнее содержит все необходимые параметры передачи на новой скорости, включая число битов и мощность передачи в каждом субканале.

3. Передатчик удалённого модема начинает передавать сигнал “Sync Flag”, который служит маркером точного времени перехода на новую скорость передачи.

4. Сигнал “Sync Flag” передатчика обнаруживается приёмником модема, инициировавшего начало процесса, после чего начинается переход к новой скорости передачи.

8.2.2 Механизм быстрой адаптации Rapid Rate Adaptation (RRA)

Однако механизм SRA не может справиться с быстрыми и глубокими изменениями уровня шумов, вызванными, например, одновременным переходом нескольких линий DSL в активное состояние. Механизм подавления подобных помех был предложен фирмой Ikanos в 2006 году. Его называют механизмом быстрой адаптации скорости Rapid Rate Adaptation (RRA). Она позволяет сохранить целостность соединения и предотвратить процедуру перестройки модема DSL retrain в случае мгновенного увеличения внешних помех (рис. 20)..

Рис. 20 Эффективность механизма быстрой адаптации скорости Ikanos

Таблица 3. Сравнение свойств RRA и SRA

8.2.3 Динамическое управление спектрами Dynamic Spectrum Management (DSM)

Казалось бы сделано всё – разработаны надёжнейшие модемы, использующее все современные методы не только передачи сигнала, но и диагностики повреждений. Но множатся приложения, требования растут. Беспощадная конкуренция требует всё новых улучшений.

И, о чудо, они обязательно появляются!

Примером подобных решений является метод Dynamic Spectrum Management(DSM).

Основной помехой, ограничивающей пропускную способность линии DSL,как мы помним, является переходная помеха.

Существующий метод расчёта линий DSL, так называемый Static Spectrum Management (SSM) гарантирует спектральную совместимость линий DSL одного кабельного пучка для худшего случая переходных влияний. Однако реальные переходные влияния очень сильно зависят от конкретных условий, включая взаимное положение влияющей и подверженной влиянию линий, а также их состояния. Более того, переходные помехи существенно изменяются от одного кабельного пучка к другому и в течение времени, поскольку сами модемы могут находиться в работе или быть выключенными. Поэтому использование постоянных спектральных масок сигналов передачи модемов DSL означает потерю пропускной способности.

Метод Dynamic Spectrum Management (DSM) позволяет устранить этот недостаток путём адаптации пропускной способности линий DSL к изменяющимся переходным помехам. Значение термина DSM в его современном значении включает также методы, позволяющие ослаблять переходные помехи между линиями кабельного пучка путём совместной обработки сигналов этих линий.

Известны по крайней мере 6 следующих способов увеличения пропускной способности линий DSL:

1. Улучшение технологии DSL (например, создание ADSL2 на базе ADSL).

2. Увеличение полосы передачи (например, создание ADSL2 plus на базе ADSL2).

3. Увеличение передаваемой мощности и/или спектральной плотности мощности Power Spectral Density (PSD) (например, создание RE-ADSL2 на базе ADSL2 или RE- VDSL2 на базе VDSL2).

4. Укорочение абонентской линии (АЛ) за счёт её c использованием технологий FTTx.

5. Уменьшение шумов модемов DSL (например, путём замены модемов HDSL более узкополосными модемами SHDSL, что уменьшит переходное влияние симметричных DSL на системы ADSL того же кабельного пучка).

6. Увеличение пропускной способности соединения DSL за счёт использования нескольких параллельных витых пар, которое по сути является пространственным уплотнением Spatial Multiplexing, называемым также Bonding.

Указанные решения эффективны, но не всегда могут быть реализованы.

Кроме того, все эти способы являются статическими в том смысле, что не учитывают реальной, существующей в данный момент электромагнитной обстановки в кабеле..

DSM представляет собой альтернативное решение.

Его сильной стороной является свойство адаптивности, обеспечивающее максимальное использование пропускной способности линий DSL кабельного пучка за счёт динамического изменения мощности сигналов передачи модемов DSL в соответствии с текущими значениями мощности переходных помех.

Существует несколько алгоритмов DSM, большему порядковому номеру которых соответствует возрастающая сложность.

Первым примером DSM является DSM level 1, или просто DSM1. Он опирается на алгоритм Power Adaptive (PA), означающий поддержку минимальной мощности передачи при сохранении фиксированной скорости передачи и запаса по шумам в заданных пределах. Этот алгоритм называют также режимом фиксированного запаса по шумам Fixed Margin (FM). Вторым примером DSM1 является метод Iterative Water Filling (IWF), представляющий собой фактически расширение алгоритма PA. Единственная разница между этими режимами заключается в том, что IWF не ограничен фиксированной спектральной маской PSD сигнала передачи, а разрешает её изменение, которое обеспечивается путём перераспределения мощности неиспользуемымых субканалов между используемыми субканалами.

DSM level 2, или DSM2, решает ту же задачу, что и DSM 1. Только для её выполнения используется информация о состоянии не только данной линии, но и всех других линий этого пучка. Это требует координации между всеми линиями пучка. Тем самым оптимизируется пропускная способность всех линий кабельного пучка. Примером DSM level 2 является достаточно сложный алгоритм Optimal Spectrum Balancing (OSB).

Методы Dynamic Spectrum Management (DSM) опираются на заложенную в модемах ADSL и VDSL способность мониторинга множества параметров соединения DSL (включая текущую конфигурацию модемов, шумы, ошибки передачи и другие ухудшения линии DSL) и возможность доступа к ним системам операционной поддержки OSS сетевого оператора.

Параметры стандартных модемов DSL могут также реконфигурироваться оператором сети с целью улучшения параметров соединения DSL.

Методы DSM используют возможности OSS анализировать результаты мониторинга модемов DSL. Это позволяет, опираясь на полученные данные мониторинга, автоматически устранять ухудшения состояния линий DSL и прогнозировать их повреждения. Такой более глубокий анализ позволяет существенно сократить число необходимых выездов Truck rolls технического персонала для устранения повреждений.

Метод DSM позволяет улучшать параметры линии DSL путём:

1. Оптимизации параметра пропускная способность/перекрываемое расстояние за счёт выбора лучшего из возможных профилей параметров линии DSL. Причём метод DSM1 позволяет выбирать этот наилучший профиль, опираясь на параметры шумов и переходных помех только данной линии DSL. Более же совершенный метод DSM2 позволяет улучшать параметры линии DSL на основе анализа и последующей минимизации переходных влияний между линиями DSL всего кабельного пучка.. Такое улучшение достигается за счёт снижения выходной мощности передатчиков модемов DSL, а значит, что особенно важно, и потребляемой этими модемами мощности питания.

2. Обнаружения в условиях эксплуатации, без нарушения нормальной работы модемов, таких источников возможных ухудшений состояния АЛ, как параллельные отводы BT или плохие сростки bad splices (BS).

3. Точной оценки достижимой пропускной способности соединения DSL.

Ключевым элементом DSM является Spectrum Management Сenter (SMC), упрощенная схема которого показана на рис... SMC представляет собой одну из подсистем системы операционной поддержки OSS, выполняющей функции DSM. SMC собирает информацию о состоянии линий DSL, включает алгоритмы DSM, которые рассчитывают наилучшие наборы параметров или диагностируют возникшее ухудшение. Опираясь на эти данные, SMC автоматически реконфигурирует параметры исследуемой линии DSL или уведомляет другие системы эксплуатационной поддержки о необходимости.Truckrolls.

Рис. 21 Упрощенная архитектура SMC

Пример 1.

Влияние параметров параллельных отводов ВТ на вносимое затухание АЛ

Характерным признаком наличия ВТ является нарушение монотонности частотной характеристики затухания АЛ, которая приобретает волнообразный характер. Параметры же этой волнообразности (частота и размах колебаний) зависят от числа BT, а также их длины и близости к помещению пользователя.

В качестве примера на рис. 22 приведены частотные характеристики затухания АЛ длиной 3 кфут при наличии BT длиной 50, 100, 200 и 400 футов, удалённой от помещения пользователя на 100 футов.

Для кривых, показанных на рис. 22, существует достаточно простой алгоритм определения местоположения и длины ВТ по известным параметрам.

Рис. 22 Эффект влияния длины параллельных отводов ВТ на вносимое затухание АЛ

При наличии нескольких BT регулярность нарушения монотонности затухания теряется и работу по их устранению приходится выполнять вручную. К счастью, такие случаи являются сравнительно редкими.

Пример 2

Определение наличия дефектных сростков и их местоположения

Дефектные сростки bad splices (bs) действуют часто подобно ёмкости Сbs (рис. 23), включённой последовательно в АЛ. Их действие особенно заметно и неприятно на низких частотах, поскольку именно на этих частотах, где линия DSL передаёт основную часть информации, некачественные сростки вносят повышенное затухание.

Величина затухания зависит от эквивалентной емкости дефектного сростка Сbs. Чем хуже сросток, тем больше значение Сbs и тем больше величина вносимого затухания на низких частотах (рис. 23 (a) и (b)).

Именно на эту особенность опирается алгоритм, позволяющий обнаруживать плохие сростки, а также прогнозировать их появление.

Дефектные сростки особенно опасны, поскольку они не только увеличивают затухание АЛ, но и могут существенно ухудшить симметрию линии, в результате чего возрастут переходные влияния между АЛ кабельного пучка.

Один из побочных эффектов наличия дефектных сростков заключается в уменьшении среднеквадратического откло­нения таких параметров кабеля, как затухание и переходное затухание. Существует большая вероятность того, что «плохие» пары одной строительной длины кабеля будут соединены с «хорошими» парами следующей длины, в результате чего характеристики худ­ших пар будут улучшены за счет ухудшения характеристик лучших пар. Однако, сростки приводят к возникновению неоднородностей волнового сопротивления и емкостной асимметрии и вследствие этого могут увеличить эхо-сигналы и переходные влияния. Степень этого увеличения зависит от методики монтажа сростков; обычно для оценки влияния сростков необходимо провести изме­рения параметров типовых образцов кабеля.

a)

b)

Рис..23 Влияние дефектного сростка на вносимое затухание АЛ длиной 3 кфут при С_bs = 100 pF (a) и С_bs = 1,5 nF (b)

1 – АЛ без дефектных сростков, 2 – АЛ с одним дефектным сростком.

Пример 3

Рис. 24 Структура кабельного пучка с линиями DSL, оканчивающимися на местной АТС и в удалённом терминале RT

Этот пример (рис.24) иллюстрирует возможности метода DSM для одного типового случая, когда одна группа пользователей получает услуги DSL от узла доступа, расположенного на местной АТС (СO), а другая – от узла доступа, расположенного на удалённом терминале (RT). Обе группы пользователей обслуживает один телефонный кабель, причём АЛ первой группы пользователей имеют существенно большую длину, чем АЛ второй группы.

При передаче сигналов DSL одинаковой мощности в направлении DS от узлов доступа к пользователям сигнал модема ATU-C1 придёт в точку, совпадающую с положением узла доступа RT, сильно ослабленным. В этой точке и на всём протяжении параллельного пробега обеих АЛ от RT до модема ATU-R1 этот ослабленный сигнал ATU-C1 при отсутствии механизма DSM будет испытывать сильное переходное влияние со стороны передатчика модема ATU-C 2 удалённого терминала RT.

Как же исправит эту ситуацию механизм DSM?

Очевидно, что исправить ситуацию может снижение мощности передачи модема ATU-C2 на величину ослабления сигнала между узлами доступа СО и RT. Действительно, это снижение мощности передачи ATU-C2, с одной стороны, ослабит переходное влияние второй линии DSL на первую, а с другой стороны, позволит обеспечить необходимый запас по шумам для сигнала модема ATU-R2, поскольку АЛ2 короче АЛ1. Благодаря этому обе линии будут одинаково защищены от переходных помех. Именно эту задачу решает алгоритм первого уровня DSM1.

Заметим, что при DSL доступе существует так называемая проблема near – far. Суть её состоит в том, что при одинаковых уровнях передачи и формах спектров модемов DSL более короткие линии ухудшают параметры линий большей длины за счёт повышенного влияния первых на вторые.

Дальнейшее улучшение параметров обеих линий может быть достигнуто путём учёта особенностей кода DMT..При коде DMT и одинаковых уровнях передачи в субканалах большая часть информационного потока переносится нижними субканалами, поскольку затухание АЛ увеличивается с частотой. Этим более тонким механизмом является механизм DSM2, представляющий собой вторую ступень алгоритма DSM.

В нашем примере алгоритм DSM2 предписывает модему ATU-C2 уменьшить мощность, передаваемую в нижних субканалах, что уменьшит переходные помехи в нижних субканалах первой линии DSL.

В то же время АЛ 2 меньшей длины вносит меньшее затухание на высоких частотах по сравнению с АЛ1. Поэтому для переноса сигнала второй линии DSL можно использовать верхние субканалы DMT.

Такое обоюдное перераспределение мощности сигнала DMT в субканалах обеих линий позволит с помощью многошаговой процедуры последовательных приближений минимизировать переходное влияние между ними.

В итоге уменьшится переходное влияние между обеими линиями и увеличится их пропускная способность, а следовательно, возрастёт и устойчивость работы обеих линий.

Сказанное естественно справедливо не только для двух рассмотренных линий, но и для их произвольного числа со структурой указанных двух типов.

Хотя технология DSM ещё находится в начале своего пути, уже есть производители оборудования, встраивающие программное обеспечение Spectrum Management Center (SMC) в свои системы управления. В качестве примера укажем ASSIA Inc., чья технология DSL уже использует алгоритмы DSM для оптимизации параметров 15 миллионов линий DSL.

Следующий по сложности метод DSM3 опирается на достижения в двух областях: методе модуляции DMT и методе цифровой обработки сигналов MIMO (Multiple Input Multiple Output), применяемом в беспроводных сетях (рис 25a). Поэтому этот метод называют DMT on MIMO

Рис.25 (a, b) К пояснению алгоритма MIMO

Метод MIMO пришёл в DSL из беспроводного радио.

Стремительное развитие беспроводных телекоммуникационных систем, таких как системы сотовой и спутниковой радиосвязи, локальные беспроводные сети и Интернет по технологии Wi-Fi и Wi-MAX, обнаружило серьезную проблему. Оказалось, что практически весь диапазон радиочастот к настоящему времени распределен и лицензирован. В то же время исследования Федеральной комиссии связи США (FCC) показали, что этот спектр, как драгоценный природный ресурс, используется не достаточно эффективно. Существенным образом повысить эффективность использования спектра позволяет механизм динамического управления спектром, согласно которому вторичным пользователям (не закрепленным за данным частотным диапазоном) предоставляется возможность использовать диапазоны первичных пользователей (закрепленных за данным диапазоном) на время, пока этот диапазон последними не используется.

Механизм динамического управления спектром весьма сложен технически, и может применяться только в так называемых интеллектуальных радиосистемах. Отличительной особенностью таких систем, выделяющей их в отдельную группу, является способность извлекать и анализировать информацию из окружающего радио пространства, предсказывать изменения канала связи и оптимальным образом подстраивать свои внутренние параметры  состояния, адаптируясь к изменениям радио среды.

Для описания таких интеллектуальных радиосистем Д. Митоллой был предложен термин «когнитивное радио». Свойство когнитивности, дословно означает способность системы к познанию и самообучению.

Оно подразумевает способность радиосистемы оценивать так называемую шумовую температуру радио среды и находить неиспользуемые в данный момент времени спектральные диапазоны («спектральные дыры»).

В математическом понимании суть задачи контроля излучаемой мощности в многопользовательской среде заключается в выборе оптимального уровня излучаемой мощности среди n пользователей с целью максимизации совокупной скорости передачи, не превышая максимально допустимого уровня шумовой температуры и при условии ограниченного числа «спектральных дыр». Проблема заключается в том, что при увеличении мощности передачи одного из пользователей наблюдается нежелательный эффект увеличения уровня интерференции на входе приемников других пользователей.

Для эффективного контроля излучаемой мощности в когнитивных радиосистемах может применяться процедура Water Filling. Ее суть заключается в циклическом увеличении передаваемой мощности каждым пользователем с целью увеличения скорости передачи (не превышая максимально допустимого уровня шумовой температуры), и последующем регулировании мощности каждым пользователем для достижения желаемой скорости передачи.

Суть метода MIMO применительно к DSL доступу состоит в рассмотрении систем DSL кабельного пучка как единого приёмопередатчика (рис. 25b). Последний контролирует сигналы систем DSL этого пучка и создаёт математическую модель его переходных влияний. Система DMT on MIMO выполняет непрерывный контроль линий DSL кабельного пучка и в соответствии с его результатами модернизирует спектры DMT на передаче таким образом, чтобы максимизировать пропускную способность линий DSL этого пучка.

Метод MIMO может быть также использован для реализации алгоритма bonding, обеспечивающего возможность передачи высокоскоростного сигнала данных с помощью множества параллельных АЛ.

В принципе метод MIMO может использоваться с любым линейным кодом DSL, однако при коде DMT он наиболее эффективен.

Физически MIMO можно представить себе как набор адаптивных фильтров, соединяющих каждый канал передачи в системе со всеми другими её каналами. В новых системах такие фильтры выполняются как цифровые фильтры дискретного времени, а сам фильтруемый сигнал представляется в частотной области. А именно такую операцию и выполняют приёмопередатчики DMT в процессе своей нормальной работы.

Есть и ещё одно объяснение того, почему DMT является самым эффективным кодом и без MIMO. DMT обладает уникальной способностью подавлять узкополосную помеху, не нарушая нормальной работы всей остальной части линейного спектра. Другие же системы семейства DSL – такие, как HDSL и SHDSL, которые используют методы передачи с одной несущей, могут быть выведены из строя всего одной сильной узкополосной помехой.