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