Post on 28-Jan-2016
A.D.S.L – Banda AnchaA.D.S.L – Banda Ancha
Tabla de ContenidosTabla de Contenidos
Introducción
Standards
Restricciones
Modulación
Detección y corrección de Errores
Introducción - Conexión de datos via modem POTS
Las frecuencias dentro de la banda vocal se transmiten a través de una conexión conmutada de la red PSTN
La banda vocal se utiliza tanto para comunicaciones vocal como para comunicaciones de datos via modem (fax, V.32, V.90, …)
WWW
Access server
+ modem pool
modemPSTN network
Comunicación modem-modem en banda POTS a traves de la red PSTN!
Frequency (fHz)300Hz 3400Hz
Otras frecuencias usadas por tecnologías DSL:
ISDN > hasta 80kHz
ADSL > hasta 1,1MHz
Banda Vocal
usada por
modems POTS
(V.32, V.90, …)
Introducción - Comunicación via POTS vs no-POTS
Espectro de línea telefónica local
Las tecnologías DSL usan frecuencias fuera de la banda vocal para modular información sobre la misma línea telefónica
ISDN provee una conexión de 160 kbps sobre su línea local ADSL provee una conexión de alta velocidad sobre su línea local
PROBLEMA
Bitrate de modems analógicos limitado a 56
kb/s
PSTN no apropiada para tráfico de datos a
alta velocidad
SOLUCIÓN
Introducción - Soluciones ofrecidas por ADSL
ADSL - modem
Redirección del tráfico de datos hacia
red específica network (B-ISDN)
Customer Premises
Unshielded Twisted Pair (UTP)
0 - 5,4 km
hasta 8,1 Mb/s
Downstream
ADSL : Digital Subscriber Line
Introducción - ADSL
hasta 800 kb/sUpstream
Asymmetric
Central Local
Upstream DownstreamPOTS
300Hz
3400Hz
1,1 MHz30kHz 125 kHz 164 kHz
ADSL
POTS
Par de Cobre±8Mbps
±800kbps
138 kHz
Introducción - Espectro de ADSL
ADSL usa frecuencias de hasta 1,1 MHz sobre la línea telefónica Estas frecuencias NO se solapan con la banda POTS.Por lo tanto permiten hacer
comunicaciones vocales simultáneas
Introducción - POTS splitter (PS)
FILTRO
SPLITTER
& UTP hacia LEX
Las bajas frecuencias usadas por ADSL pueden “molestar” en el espectro audible y necesitan ser filtradas antes de alcanzar el teléfono
Con los cuelgues y descuelgues del teléfono la impedancia de la línea cambia lo cual impacta sobre la comunicación del modem ADSL
Introducción - Voz/Datos sobre DSL?
ADSL es apropiado para todo tipo de comunicaciones (voz y datos)
La evolución marcha hacia un bucle totalmente digital (Full Digital Loop - FDL):
Eliminación de la línea POTS “lifeline” (y splitter)
DatosStandard ADSL ADSL with “derived” voice
VoDSL CPE
Datos
Línea Telefónica
ADSL
Línea POTS “lifeline”
PS
POTSLínea Telefónica
ADSLADSL CPE
PS
Introducción - Visión general de ADSL
ISP
CorporacionesNTATM
POTS
PSTN
LT
POTS
Conexión ATM PVC
Conexión de datos Extremo-a-Extremo
Proveedores de Servicio Proveedores de Acceso Usuarios finales
LT
voz
Comunicación ADSL modem-a-modem
AS (BRAS)PS PS
ADSL modem pool
datos
StandardsStandards
Standards - ANSI
ANSI T1.413 Edición 1 1995 Primer especificación de ADSL aparecida en 1995. No era
demasiado clara
ANSI T1.413 Edición 2 1998 Segunda especificación ADSL y basada en ATM tal cual se
usa actualmente
Standards - ITU-T
ITU-T G.dmt o G992.1 Especificación de la ITU-T la cual está basada en el standard
ANSI T1.413 Edición 2 más un protocolo de handshaking extra
Anexo A: especifica la operación sobre la banda POTS Anexo B: especifica la operación sobre ISDN Anexo C: especifica la operación para la banda ISDN Japonesa
ITU-T G.lite o G992.2 Especificación de la ITU-T que es una especie de ANSI T1.413
Edición 2 reducida, más un protocolo de handshaking extra Está basada en recomendaciones realizadas por el UAWC
workgroup (Microsoft, Compaq & Intel) ITU-T G.hs o G994.1
Especifica el procedimiento de handshaking para transreceptores DSL
UP DOWN
PO
TS
UP DOWNISDN
UP DOWN
PO
TS
Standards - Espectro
30kHz
1,1MHz
1,1MHz30kHz
138kHz
548kHz
G.dmt Anexo A
G.dmt Anexo B
G.lite
138kHz
RestriccionesRestricciones
10 KHz 100 KHz 1 MHz
0
20
40
60
80
Atenuación (dB)
Frecuencia (Hz)
1 km
2km3km
4km
Diámetro del Cable = 0,5mm²
Banda POTS
Restricciones - Atenuación vs. frecuencia
x dR =
Seff
Central Local
Cable UTP, ø = 0,5 mm2
4 km : Pérdida de 32dB a 150 kHz
Pulso transmitido Pulso recibido
5 km : Pérdida de 55dB a 150 kHz
x dR =
Seff
Restricciones - Atenuación debido a la distancia
Mb
it/s
Kb
it/s
km0
2
4
6
8
10
0 1 2 3 4 5 6
ADSL Downstream
km0
200
400
600
800
1000
0 1 2 3 4 5 6
ADSL Upstream
Restricciones - Característica de Velocidad vs. Distancia
Señal Principal
1
32
Restricciones - Bridged taps
Eco
Eco
Frecuencia (Hz)
Atenuación (dB) Atenuación incrementada debido a Bridged Tap
Tx
Rx
Tx
Rx
Near End Crosstalk
Far End Crosstalk
Restricciones - Crosstalk
Para ADSL no existe Near End Crosstalk, sólo Far End Crosstalk!
Tx
RxRx
TxRx
Tx RxTxRx
Restricciones - Crosstalk AoP & AoI
Cuando AoP (ADSL over POTS) y AoI (ADSL over ISDN) residen en el mismo multipar habrá NEXT.
Algunas frecuencias del transmisor downstream de una línea AoP se solapan con las frecuencias de recepción de una línea AoI
UP DOWN
PO
TS
1,1MHz30kHz
G.dmt Anexo A
138kHz
UP DOWNISDN
1,1MHz138kHz
G.dmt Anexo B
NEXT
Restricciones - Velocidad de Datos
Pregunta: Cómo poder aumentar la velocidad de datos y respetar a su vez la restricción sobre la velocidad de símbolos ? (Nyquist)
Bits symbols bits
sec sec symbol
Respuesta: Incrementando el número de bits por símbolo vía diferentes técnicas de modulación, por ejemplo QAM.
Bitrate => velocidad expresada en bits por segundo (bps)
Symbolrate => velocidad expresada en baudios
Restricciones - Restricción del ancho de banda (Nyquist)
Cada símbolo corresponde a un número determinado de bits.
Para hacer esto es necesario que la tecnología actual sea capaz de distinguir entre un símbolo y otro
Por otro lado el período de símbolo es el período de la más baja frecuencia a utilizar
TsPeríodo de
Símbolo
Tiempo(segundos)
Para un dado ancho de banda W (en Hz), la máxima cantidad de símbolos/segundo (Rs en baudios) esta limitada de modo de evitar interferencias entre símbolos (ISI)
km
1 2 3 4 5 6Long. De Cable UTP
CapacidadMb/s
25
20
15
10
5
Shannon Hartley capacidadADSL
8,1 Mb/s
2 Mb/s
6 Mb/s
Restricciones - Shannon-Hartley: Capacidad vs. Distancia
ModulaciónModulación
Datos Transmitidos = Constelación
2
3
1
0
-1
-2
-3
0,5 1 1,5 2 2,5 3
1111 1001
0000
00110111 0101 0001
0110
1110
1101 1011
1100 1000 1010
0100 0010
Longitud de Símbolo (Ts)
Modulación - QAM
Un Símbolo esta representado por una variación de amplitud & fase para una frecuencia particulary = A . sen (2 f.t + )
4 bits/símbolo
>> QAM-16
t
A
A
Datos Transmitidos = Constelación
2
3
1
0
-1
-2
-3
0,5 1 1,5 2 2,5 3
1111 1001
0000
00110111 0101 0001
0110
1110
1101 1011
1100 1000 1010
0100 0010
Longitud de Símbolo (Ts)
Un Símbolo esta representado por una variación de amplitud & fase para una frecuencia particulary = A . sen (2 f.t + )
4 bits/símbolo
>> QAM-16
t
A
A
1001
Modulación - QAM
Datos Transmitidos = Constelación
2
3
1
0
-1
-2
-3
0,5 1 1,5 2 2,5 3
1111 1001
0000
00110111 0101 0001
0110
1110
1101 1011
1100 1000 1010
0100 0010
Longitud de Símbolo (Ts)
Un Símbolo esta representado por una variación de amplitud & fase para una frecuencia particulary = A . sen (2 f.t + )
4 bits/símbolo
>> QAM-16
t
A
A
1001 0000 1111
Modulación - QAM
1111 1001
0000
00110111 0101 0001
0110
1110
1101 1011
1100 1000 1010
0100 0010
1111 1001
0000
00110111 0101 0001
0110
1110
1101 1011
1100 1000 1010
0100 0010
Constelación
0
2
3
1
-1
-2
-3
0,5 1
1001
Riudo ParásitoMisma frecuencia
Amplitud Fase
0
2
3
1
-1
-2
-3
0,5 1
Transmisión Recepción
Modulación - El ruido y QAM
1011
Bits/símboloQAM SNR(dB) para un
BER<10-7
4 QAM-16 21,8
6 QAM-64 27,8
8 QAM-256 33,8
9 QAM-512 36,8
10 QAM-1.024 39,9
12 QAM-4.096 45,9
14 QAM-16.384 51,9
Modulación - QAM vs. SNR
La tabla se puede usar de dos formas : (a) Cuál es el SNR mínimo requerido para modular N bits sobre una portadora(b) Cuántos bits pueden modularse con un dado SNR de Y dB
Modulación DMT- Discrete Multi Tone
En ADSL se modulan multiples frecuencias portadoras usando Quadrature Amplitude Modulation
Estas frecuencias están espaciadas en forma constante y para cada portadora se mide el SNR para determinar el máximo QAM posible de obtener
La composición de todas las frecuencias es puesta sobre la línea
Este principio se denomina Discrete Multi Tone (DMT)
Ts (Symbol Time)
Modulación - Discrete Multi Tone example
QAM-4 f1
QAM-16 f2
QAM-4 f3
= DMT
1 Símbolo DMT
Modulación - DMT y ADSL
El espectro usado para ADSL se divide en 255 portadoras Estas portadoras están separadas cada 4,3125 kHz
Para la dirección upstream se usan las portadoras 7 a 29
Para la dirección downstream se usan las portadoras 38 a 255
Sobre cada portadora se mide el SNR y con este valor se determina el QAM
Mínimo QAM-4 2bits/símbolo Máximo QAM- 16384 14 bits/símbolo
Período de Símbolo para cada portadora : 250 s
Modulación - DMT y ADSL
0 2557 29 38
Modulación - DMT vs. Características de Línea
frecuencia
atenuación
portadora
frecuencia (kHz)
Característica del filtro ADSL
Caracteristicas de Línea
7 29 38 255
30 125 165 1100
Interferencia a cierta
frecuencia
4
Bits/portadora
Portadoras
23456789
1011121314
Posible valor de trabajo inicial
1
Modulación - # bits / portadora
Máximo valor por portadora debido a medición de SNR en la inicialización
Modulación - Bitswapping
Luego de la inicialización se usará un QAM menor que el posible en la mayoría de las portadoras.
El SNR medido en la inicialización determina el máximo QAM posible, por ejemplo: QAM-4096 corresponde a 12bits/símbolo >>> QAM usado en dicha portadora: QAM-1024 (10bits/símbolo)
Esto resulta en bits extra que pueden ser ubicados en dicha portadora.
Durante showtime (operación del modem) el SNR se mide en todas las portadoras a intérvalos regulares (default 10 seg).
Si el SNR sobre una cierta portadora se degrada, resultando en un menor QAM, los bits de esa portadora serán reubicados en otras portadoras donde el QAM es mayor que el actualmente usado.
Los modems intentarán desparramar sobre la mayor cantidad de portadoras posible los bits a realocar.
Bits/portadora
portadoras
23456789
1011121314
1
Interferencias reducen el SNR sobre un determinado grupo de portadoras
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
portadoras
23456789
1011121314
1
Un menor SNR reduce nuestro max QAM soportado (es decir la cant. de bits sobre estas portadoras)
Affected frequencies
Max. bits/portadora
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
portadoras
23456789
1011121314
1
Un menor SNR reduce nuestro max QAM soportado (es decir la cant. de
bits sobre estas portadoras)
Affected frequencies
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
portadoras
23456789
1011121314
1
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
portadoras
23456789
1011121314
1
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
Modulación - Bitswapping explicado
El margen de ruido es repartido sobre todo el espectro
DOWNmodulación
UPdemodulación
ADLT DMT FRAME (ATU-C)
Unshielded Twisted Pair
DOWNdemodulación
UPmodulación
ADNT DMT FRAME (ATU-R)
2 señales análogicas (UP,DOWN) viajando en direcciones opuestas sobre el UTP
Modulación - Modems en Comunicación
El ATU-R se engancha con la portadora piloto en el sentido downstream (PLL)
Cuanto mejor es el enganche mejor será el SNR global!
Modulación - ADSL Superframe
Símbolo DMT: un símbolo DMT es la sumatoria de todos los símbolos individuales
de cada portadora. Data Symbol (DS):
Un data symbol se usa para transmitir información (datos). Símbolo de Sincronización (SS):
Un SS se transmite luego de 68 DS para asegurar sincronización y para detectar una posible pérdida de trama.
Período de símbolo ADSL (Ts): Ts=17ms/69 = 246,377 s Ts=17ms/68 = 250 s (período de símbolo para el plano de datos!)
DS 3DS 2DS 1 DS 4 DS 68DS 67. . . . . SS 69
SUPERFRAME17 ms
DMT Símbolo
Detección y corrección de ErroresDetección y corrección de Errores
Detección y Corrección de Errores
La elección de usar un modo de corrección o detección requiere un análisis de sus pros y contras !
Se elige la habilidad de detectar Y corregir errores introduciendo la posibilidad de generar más errores,
O se elige la habilidad de detectar un mayor número de errores sin la posibilidad de corregirlos pero con la certeza de que no se introducen errores adicionales.
Algunos mecanismos switchearán de modo corrección a modo detección tan pronto como se detecten errores ! (por ejemplo ATM)
Esto se debe a que los errores tienen por naturaleza la característica de presentarse en ráfagas y nunca vienen solos !!!
Byte1
2
3
4
239
254
255
240
n - k bytes de
redundancia
Distancia : n-k+1d= 255-239+1
d=17
Corrección: (d-1)/2c=(17-1)/2
c = 8
Con 16 bytesde redundancia, el código RS puede corregir hasta 8
bytes erroneos por vector de código
Reed Solomon (modo corrección)
Vector de mensaje
de k bytesVector de código de
n bytes
Código RS(255,239)
Overhead por Corrección de Errores = 16/255 = 6.3 %
Vector de Mensaje Ctrl
Datos Recibidos
Datos Transmitidos
Distancia = 15-11+1= 5 Corrección = (5-1)/2= 2
Más de 2 Bytes
Perdidos
Ráfaga de Errores
Datos a ser transmitidos
Reed Solomon
Datos Perdidos
Datos Transmitidos
Datos a ser transmitidosVector
de Mensaje
Ctrl
Block 0 Block 1 Block 2 Block 3 Block 4
Modo Entrelazado (Interleaved)
Ráfaga de Errores
6 bytes perdidos
Block 0 Block 1Datos Recibidos
Block 2 Block 31 Byte
erróneopor block!
CtrlCorrección CtrlCorrección CtrlCorrección CtrlCorrección CtrlCorrección
Código Trellis
La codificación de Trellis es otro mecanismo de detección y corrección de errores que es opcional para ADSL.
Principio de funcionamiento del Trellis => mirando los datos en forma completa uno puede detectar y
corregir errores, es análogo a la detección y corrección de errores en el lenguaje hablado:
Ejemplo:
datos transmitidos: the water is wet and cold
datos recibidos: the water is let and cold
Mirando sólo la palabra let no podemos decir que está equivocada!
Mirando la información antes y después de la palabra podemos decir con seguridad que debería ser wet en lugar de let.
ADSL & Reed Solomon
DS 3DS 2DS 1 DS 4 DS 68DS 67. . . . . SS 69
SUPERFRAME17 ms
Símbolo DMT
Se asume que el código Trellis no está siendo usado!! 1 Data symbol corresponde a una palabra Reed Solomon de 255
Bytes. Algunos bytes en la palabra RS son overhead para framing usados
para comunicación entre modems (EOC, AOC, IB, CRC). Si RS no se utiliza los datos aún pasan por el codificador RS ! La máxima velocidad downstream ADSL para datos:
con Reed Solomon:
(255-16-1) x 8bits/byte x 4000 symb/seg = 7,616 Mbits/seg
sin Reed Solomon:
(255-1) x 8bits/byte x 4000 symb/seg = 8,128 Mbits/seg
Ganancia de Código
Habíamos visto que para obtener un BER menor a 10-7 para una constelación QAM específica se necesita un determinado SNR.
Si el SNR es menor que el requerido el BER se torna muy alto
Introduciendo detección y corrección de errores se reduce el BER debido a que se corrige una cantidad de los errores producidos en la línea.
Este mecanismo genera una ganancia de código que resulta en un menor SNR requerido para alcanzar una cierta constelación.
Trellis introduce una ganancia de código de aprox. 5,5dB. Reed Solomon introduce una ganancia de código de aprox.
4dB. Trellis & RS juntos introducen una ganancia de aprox. 9dB.
Bits/symbol QAM uncoded Trellis RS Trellis + RS
4 QAM-16 21,5 16 17,5 12,5
6 QAM-64 27,5 22 23,5 18,5
SNR for BER = 1E-7
Ganancia de Código (Cont.)
Mecanismos de Detección y corrección aplicados:
Forward ErrorCorrecting code
Peer Modemsupports
Trellis coding NO Trellis coding
Downstream Trellis RSFAST
Upstream Trellis -
Downstream Trellis + RS + interleaving RS + interleavingINTERLEAVED
Upstream Trellis + RS + interleaving RS + interleaving
Velocidades ADSL
ATM attainable rate Máxima velocidad ATM posible
ATM used rate Velocidad ATM actualmente usada
Used line rate Velocidad de línea ADSL actualmente usada
Attainable line rate Máxima velocidad alcanzable de línea ADSL basada en el
SNR medido
Attainable line rate
Reed Solomon overhead
ATM data
Framing overhead
1 hasta 6 Bytes
1B
Max. 255 Bytes
Trellis overhea
d
1/2bit por portadora + 4 bits
Glosario
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): Línea de abonado digital asimétrica
ANSI (American National Standard Institute): Instituto nacional americano de estándares
AoI (ADSL over ISDN): Servicio ADSL sobre línea ISDN AoP (ADSL over POTS): Servicio ADSL sobre línea POTS AS (Access Server): Servidor de acceso ATM (Asynchronous Transfer Mode): Modo de transferencia asincrónico bps (bits per second): Velocidad expresada en bits por segundo BRAS (Broadband Remote Access Server): Servidor de acceso remoto de
banda ancha CPE (Customer Premises Equipment): Equipos propiedad del usuario,
normalmente modem ADSL, PC, Splitter DMT (Discrete Multi Tone): Modulación por múltiples tonos discretos ISDN (Integrated Services Digital Network): Red digital de servicios integrados
Glosario
ISI (Inter Symbol Interference): Interferenca entre símbolos ISP (Internet Service Provider): Proveedor de servicio de Internet ITU (International Telecommunications Union): Unión Internacion de
Telecomunicaciones LEX (Local Exchange): Central telefónica local NEXT (Near End Cross Talk): Cross Talk en extremo cercano o lado central POTS (Plained Old Telephone Service): Servicio telefónico clásico PSTN (Public Switched Telephone Network): Red pública de telefonía
conmutada QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Modulación por amplitud en
cuadratura SNR (Signal to Noise Ratio): Relación señal/ruido, normalmente expresada
en dB UTP (Unshielded Twisted Pair): Par trenzado sin blindaje