Kỹ thuật xDSL - Cấu trúc khung

Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 61 2.3.6 Cấu trúc khung Như đã minh hoạ ở hình 4.5 các khung phụ thuộc từng ứng dụng có phần nội dung (payload) sẽ được xếp vào khung lõi dài 144 byte, 500µs ở hình 4.6. Các khung lõi 144 byte, 500 µs hình thành dòng bit tốc độ 2304 kbps để các hệ thống 2 hay 3 đôi dây chia theo từng byte thành các khung HDSL song song và truyền đi. Độ dài danh đònh của khung là 6 ms. Độ dài của khung HDSL của hệ thống 3 đôi dây là 2352 quat (ký hiệu tứ phân 2B1Q) tương ứng với 4704 bit trong 6ms. Mỗi khung riêng chứa 0 hay 2 quat chèn thêm cho độ dài thực của khung là 2351 quat truyền trong 6 – 1/392 ms hay 2353 quat truyền trong 6 + 1/392 ms. Cấu trúc khung được minh hoạ ở hình 4.7. Khung được chia thành 4 nhóm. Nhóm đầu của khung bắt đầu bằng từ đồng bộ dài 7 quat, sau đó là quat overhead của HDSL và 12 khối payload HDSL, mỗi khối dài 48,5 quat tương đương 97 bit gồm 1 bit Z mn và 12 byte của khung lõi. Các bit Z mn (m = 1, 2, 3 chỉ một trong 3 đôi dây và n = 1, 2, …, 48 là số thứ tự của khối payload HDSL trong khung. 8 bit Z mn đầu tiên (Z m1 đến Z m8 ) dành cho khung lõi sử dụng, cụ thể 3 bit Z m1 đến Z m3 dùng để phân biệt các đôi dây trong khi 5 bit còn lại Z m4 đến Z m8 dành cho các ứng dụng trong tương lai và được cài ở mức 1. Các bit Z từ Z m9 đến Z m48 là phụ thuộc vào từng ứng dụng và được truyền trong suốt qua khung lõi HDSL. Theo sau nhóm đầu là 3 nhóm có cấu trúc giống nhau. Mỗi nhóm bao gồm phần overhead dài 5 quat và 12 khối payload HDSL đã được mô tả ở trên. Vì vậy, mỗi khung HDSL bao gồm một từ đồng bộ, 16 quat overhead, 48 bit Z và 576 byte của các khung lõi. Ở cuối khung có thể có thêm 2 quat được chèn vào. Như vậy có thể không có hoặc có 2 quat được thêm vào cuối khung tuỳ thuộc vào quan hệ đònh thời. Độ dài của khung HDSL có thể là 2353 quat tương ứng với 6 + 1/392 ms cho tần số clock danh đònh hay 2531 quat tương ứng với 6 – 1/392 ms và sẽ cho tốc độ trung bình là 2352 quat hay 6 ms. Máy thu có thể đánh giá độ dài của khung HDSL bằng cách dò từ đồng bộ khung của khung kế tiếp và hiệu chỉnh lại việc tách kênh từ dòng dữ liệu. Dữ liệu ngoại trừ 14 bit của từ đồng bộ khung HDSL và các bit chèn sẽ được ngẫu nhiên hoá bằng đa thức bậc 23 trước khi được mã hoá. Với chiều từ NTU đến LTU đa thức ngẫu nhiên hoá là x -23 + x -18 + 1 (phép cộng module 2). Với chiều ngược lại, chiều từ LTU đến NTU đa thức ngẫu nhiên được sử dụng là x -23 + x -5 + 1. Ở đầu thu dữ liệu được phục hồi nhờ thực hiện cùng đa thức với tín hiệu đã ngẫu nhiên hoá. Ta có thể thấy được D o = D i . Thật vậy, từ: D s = D i + D s .x -18 + D s .x -23 theo tính chất của phép cộng module 2 ta có: D i = D s + D s .x -18 + D s .x -23 Hay: D i = D s (1+ x -18 + x -23 ) tức là: D o = D i . Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 62 Hình 2.23 Khung lõi Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 63 Hình 2.24 Cấu trúc khung của hệ thống HDSL 3 đôi dây Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 64 Hình 2.25 Ngẫu nhiên hoá và giải ngẫu nhiên tín hiệu HDSL 2.4 VDSL Công nghệ VDSL (Very high-speed Digital Subscriber Line) thực hiện truyền dẫn thông tin lên đến 52 Mbps qua đường dây điện thoại xoắn đôi. Tốc độ dữ liệu rất cao này đã đẩy việc truy xuất thông tin vượt xa giới hạn của công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) đã được triển khai trước đó. Tốc độ dữ liệu của VDSL tương đương với đường truyền T3 và đã tăng tốc độ truy xuất Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 65 Internet, kết nối mạng cục bộ với các đòa điểm rời nhau, đem lại dòch vụ video đến các thuê bao dân dụng mà không cần phải sử dụng cáp quang. Để có thể hoạt động được các thiết bò VDSL phải vượt qua suy hao đường dây, xuyên kênh, sự xâm nhập của sóng vô tuyến (RF: Radio Frequency) và các tác nhân gây nhiễu khác. Phương pháp điều chế DMT (Discrete Multi-Tone modulation) thoả mãn được các yêu cầu của VDSL và thực sự hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) hay CAP (Carrierless Amplitude-Phase modulation). Vì phương pháp điều chế DMT thực hiện gần như tối ưu trên tất cả các kênh truyền nên nó vượt qua các vấn đề căn bản của đường dây ngay cả khi gặp một vùng tần số bò nhiễu trầm trọng. DMT dễ dàng khắc phục được xuyên nhiễu RF, thích ứng với các kênh truyền thay đổi và có nhiễu, hỗ trợ được tất cả các tốc độ truyền, hỗ trợ cả việc chuyển thông tin đối xứng và bất đối xứng, tránh tác động đến dải tần vô tuyến nghiệp dư và tương hợp phổ tốt với các phiên bản DSL khác. 2.4.1 Các cấu hình VDSL Công nghệ VDSL hướng tới việc cung cấp truyền dẫn tốc độ cao trên đường dây thuê bao điện thoại có độ dài không quá 1,5 km. Mạng điện thoại thường có 2 dạng kiến trúc vòng thuê bao. Những nơi dân cư dày đặc hay thành phố có nhiều khách hàng ở gần tổng đài nội hạt nên VDSL có thể được cung cấp trực tiếp từ tổng đài nội hạt. Cấu hình này gọi là cấu hình fiber-to-the-exchange (FTTEx) và được minh hoạ ở hình 2.26. Hình 2.26 Kiến trúc FTTEx Hình 2.27 Kiến trúc FTTC Khi thực hiện cáp quang mở rộng vào sâu trong mạng hơn thì công nghệ VDSL dùng bộ ONU (Optical Network Unit) trong cấu hình fiber-to-the-cabinet (FTTCab) như Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 66 minh hoạ ở hình 2.27. Hướng truyền dữ liệu từ người sử dụng đến tổng đài gọi là upstream, hướng truyền dữ liệu ngược lại, từ tổng đài đến người sử dụng gọi là downstream. Kênh truyền dẫn là môi trường vật lý dùng để chuyển tín hiệu mang thông tin từ điểm này tới điểm khác. Trong mạng điện thoại nội hạt kênh truyền dẫn là các đôi dây xoắn được chế tạo bằng cách xoắn đôi 2 dây đồng cách điện với nhau. Sau đó nhiều đôi dây lại được xoắn chặt với nhau tạo thành sợi cáp. Từ tổng đài nội hạt hay ONU các sợi cáp sẽ toả ra và từng đôi dây xoắn sẽ rẽ ra để cung cấp dòch vụ cho thuê bao. 2.4.2 Kỹ thuật VDSL Nhiễu xâm nhập xuất hiện ở máy thu khi tín hiệu trong không khí trong dải tần trùng lắp tác động lên đường dây điện thoại. Đường dây điện thoại, đặc biệt là dây treo và dây trong nhà rất dễ bò ảnh hưởng bởi sự xâm nhập của tín hiệu vô tuyến AM vì sóng vô tuyến AM thường có năng lượng lớn. Nhiễu AM tác động lên phổ tần VDSL khá mạnh trong khoảng tần số từ 525 kHz đến 1,61 MHz. Nhiễu xung là những xung nhiễu có thời gian tồn tại ngắn nhưng lại có năng lượng lớn có khả năng nhất thời nhấn chìm thông tin trên kênh truyền. Nhiễu xung trên xoắn đôi thường là do các thiết bò điện tử và điện cơ cũng như các đồ dùng điện trong gia đình khác. Thêm vào đó sự phóng điện của đường dây điện lực cũng như sét cũng là nguồn gây ra nhiễu xung. Trong miền tần số suốt khoảng thời gian tồn tại, nhiễu xung được đặc tính hoá bằng một phổ năng lượng phẳng và dải rộng như minh hoạ ở hình 2.28. Vì sự xuất hiện của nhiễu xung là không thể biết trước được nên nhiễu xung có thể phá huỷ nặng những hệ thống không được thiết kế tốt. Hình 2.28 Nhiễu xung trong miền thời gian và miền tần số Hình 2.29 Mô hình đơn giản của quá trình ứng dụng mã FEC Để khắc phục nhiễu xung các hệ thống được thiết kế tốt sử dụng mã sửa sai FEC (Forward Error Correcting) kết hợp với ghép xen kẽ dữ liệu như minh hoạ ở hình 2.29. Mã sửa sai FEC thêm thành phần phụ vào luồng dữ liệu truyền đi sao cho khi có một phần của tín hiệu bò phá huỷ vì nhiễu xung thì những phần còn lại của tín hiệu cũng chứa đủ thông tin để có thể phục hồi lại phần thông tin bò mất. FEC được áp dụng theo từng byte của khối dữ liệu và được đặc tính hoá bởi số byte nó có thể sửa được trong một khối dữ liệu có độ dài cho trước. Khi số byte sai trên thực tế vượt quá số byte bộ mã có thể sửa được thì dòng dữ liệu sau khi sửa sai vẫn còn thông tin sai. Để tối ưu hoá khả năng sửa sai của bộ mã sửa sai máy phát sử dụng phương pháp ghép xen lẫn dữ liệu. Sau khi áp dụng mã sửa sai FEC bộ ghép xen kẽ (interleaver) sắp xếp lại thứ tự của các byte sao Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 67 cho khi có tác động của nhiễu xung lên dòng dữ liệu nó sẽ phá huỷ một số byte mà lúc giải ghép xen kẽ thì các byte sai sẽ được trải rời rạc ra. Như vậy ghép xen kẽ làm giảm thời gian nhiễu xung phá hủy dữ liệu và tạo cơ hội cho mã sửa sai FEC phát huy tác dụng. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR: Signal-to-Noise Ratio) là tỷ số năng lượng của tín hiệu mang thông tin ở máy thu so với năng lượng của nhiễu nhận được. Về bản chất SNR mô tả chất lượng của kênh truyền dẫn. Trong miền tần số, SNR được tính bằng cách chia mật độ phổ năng lượng (PSD) của tín hiệu mang tin ở máy thu cho mật độ phổ năng lượng ở máy phát. Vì suy hao và nhiễu luôn biến đổi theo tần số nên tỷ số SNR là một hàm số theo tần số. Hình 2.30 Đưa tín hiệu mật độ phổ công suất phẳng vào đường dây cỡ 24 dài 1 km Hình 2.31 SNR của tín hiệu và hệ thống ở hình 2.30 Cùng với xác suất dò tín hiệu sai nhầm và dải thông của kênh truyền, SNR xác đònh vận tốc lớn nhất mà thông tin có thể được truyền qua kênh truyền. Hình 2.30 minh hoạ trường hợp đưa tín hiệu với mật độ phổ công suất phát phẳng –60dBm/Hz vào đường dây cáp cân bằng cỡ dây 24 dài 1 km. Nhiễu tác động chỉ gồm nhiễu cộng trắng Gauss (AWGN: Additive White Gaussian Noise) với mức –140dBm/Hz ở đầu thu. Hình 6.31 là SNR nhận được. Như phân tích ở trên, nhiều loại nhiễu trên đường dây xoắn đôi như nhiễu xung chẳng hạn là không thể lường trước được và lại biến đổi theo thời gian. Khi đó, tỷ số SNR cũng biêán đổi theo thời gian. Để tránh được nhiễu tăng ngoài ý muốn làm Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 68 cho tỷ số SNR suy giảm hâàu hết các hệ thống đều không hoạt động ở tốc độ tối đa mà kênh truyền cho phép. Thay vào đó hệ thống hoạt động đều chừa dự phòng nhiễu (noise margin). Như vậy, việc sử dụng dự phòng đã dự phòng cho hệ thống tránh sai nhầm do nhiễu tăng lên không lường trước được. Yêu cầu cho các hệ thống VDSL được các công ty điện thoại thiết lập qua thực tế trong các nhóm tiêu chuẩn ANSI T1E1.4 ở Hoa Kỳ và ETSI TM6 ở châu Âu. Mặc dù T1E1.4 và TM6 là các nhóm tiêu chuẩn độc lập với các đặc tính áp dụng cho các vùng đòa lý khác nhau nhưng những người tham gia xây dựng tiêu chuẩn đều nhận ra được ích lợi từ việc thống nhất tiêu chuẩn ở Hoa Kỳ và châu Âu. Vì vậy họ đã cố gắng tạo ra những yêu cầu lâu dài cho hệ thống VDSL. Chi tiết hơn về vấn đề này có thể xem thêm ở ANSI Draft Technical Document. “Very-high-speed Digital Subscriber Lines System Requirements.” T1E1.4 contribution 98-043R6. December 1998 và ETSI Technical Specification TS 101 270-1 v1.1.1. “Transmission and multiplexing (TM); Access transmission systems on metallic access cables; Very high speed Digital Subscriber Line (VDSL); Part 1; Functional require-ments.” April 1998. Cả ANSI và ETSI đều hỗ trợ các tỷ số tốc độ dữ liệu giữa downstream và upstream trong VDSL bất đối xứng và tốc độ dữ liệu của VDSL đối xứng. ETSI gọi modem hỗ trợ tốc độ dữ liệu bất đối xứng là modem class I và modem hỗ trợ tốc độ dữ liệu đối xứng là modem class II. ETSI đưa ra bảng kết hợp tốc độ payload của các modem VDSL theo bảng 2.5 và 2.6. Như vậy, ETSI khuyến nghò tỷ số giữa dòng dữ liệu downstream và upstream là 6:1, 3:1 và 1:1. Tuy nhiên một số thành viên của ETSI lại khuyến cáo rằng nên loại bỏ tốc độ đối xứng 36,864 Mbps thuộc nhóm II vì nó cần tốc độ dữ liệu cao chỉ hoạt động được với một số rất ít các đường dây điện thoại rất ngắn nhưng lại làm tăng độ phức tạp và giá thành của modem. ANSI cũng xác đònh tốc độ bit cho cả hai chế độ hoạt động đối xứng và bất đối xứng. Bảng 6.2 là tốc độ dữ liệu của VDSL theo ANSI. Theo đó tỷ số tốc độ dữ liệu của downstream và upstream là 8:1, 4:1 và 1:1. Hình 2.32 Ví dụ về xuyên kênh đầu gần do 10 đường dây ADSL gây ra và nhiễu trắng Gauss trung bình -140 dBm/Hz Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 69 Hình 2.33 SNR ở máy thu khi đưa tín hiệu -60 dBm/Hz vào mạch vòng B và bò nhiễu ở hình 6.12 tác động Bảng 2.5 Tốc độ modem VDSL theo ETSI Modem class Downstream rate (kbps) Upstream rate (kbps) I 6 × 1024 2 × 1024 12 × 1024 2 × 1024 24 × 1024 4 × 1024 II 6 × 1024 6 × 1024 12 × 1024 12 × 1024 24 × 1024 24 × 1024 36 × 1024 36 × 1024 Bảng 2.6 Tốc độ modem VDSL theo ANSI Service type Downstream rate (Mbps) Upstream rate (Mbps) Asymmetric 52 6,4 34 or 38,2 4,3 26 3,2 19 2,3 13 1,6 6,5 1,6 or 0,8 Symmetric 34 34 26 26 19 19 13 13 Đặng Quốc Anh ADSL – Thực tiễn, giải pháp và triển khai 70 6,5 6,5 4,3 4,3 2,3 2,3 Bảng 2.7 Dải tần vô tuyến nghiệp dư được ETSI thừa nhận Band start frequency (MHz) Band stop frequency (MHz) 1,810 2,000 3,500 3,800 7,000 7,100 10,100 10,150 14,100 14,350 18,068 18,168 21,000 21,450 28,000 29,100 Như đã nói ở trên, tín hiệu truyền trong không khí có thể ảnh hưởng đến đường dây điện thoại làm phá hủy tín hiệu VDSL. Ngược lại, tín hiệu VDSL trên các đường dây điện thoại cũng ảnh hưởng và phá hủy các tín hiệu vô tuyến. Vì lý do này, cả ETSI và ANSI đều quy đònh các modem VDSL phải giới hạn mật độ phổ công suất phát ở mức không lớn hơn –80 dBm/Hz trong các dải tần vô tuyến nghiệp dư có trong vùng đòa lý của họ. Đònh vò của các dải tần vô tuyến nghiệp dư được ETSI và ANSI thừa nhận được liệt kê tương ứng trong các bảng 2.7 và 2.8. Mật độ phổ công suất phát mô tả công suất phát của tín hiệu mang tin được phân bố theo tần số như thế nào khi tín hiệu được đưa vào kênh truyền ở ngõ ra của máy phát. Chẳng hạn, nếu toàn bộ công suất 10 mW được đưa vào đường dây và máy phát phát năng lượng đều trong dải tần 1 MHz thì mật độ phổ công suất phát là hằng số và bằng 10 -5 mW/Hz. Đường bao mật độ phổ công suất phát xác đònh mật độ phổ công suất cực đại cho phép theo chiều tần số. Bảng 2.8 Dải tần vô tuyến nghiệp dư được ANSI thừa nhận Band start frequency (MHz) Band stop frequency (MHz) 1,800 2,000 3,500 4,000 7,000 7,300 10,100 10,150 14,000 14,350 18,068 18,168 21,000 21,450 28,000 29,700 [...]... phân thời cũng tạo ra sự suy giảm tương tự khi hỗ trợ cả các cấu trúc superframe đối xứng và bất đối xứng trong cùng một chảo cáp Hình 2.43 là trường hợp xấu nhất khi một đường dây hỗ trợ truyền dẫn 8:1 có cấu trúc superframe 1682 Q-2-Q ở gần một đường dây hỗ trợ truyền dẫn đối xứng có cấu trúc superframe 9-Q-9-Q Lưu ý rằng superframe 9-Q-9-Q được dòch đi theo thời gian một chu kỳ ký hiệu để tối thiểu... 3A-184, Piscataway, NJ 0885 4-4 156 Internet: www.telcordia.com Tel: (800) 52 1-2 673 (U.S and Canada), Tel: (732) 69 9-5 800 (International), Fax: (732) 33 6-2 559 IEEE IEEE Customer Service 445 Hoes Lane 93 PO Box 1331, Piscataway, NJ 0885 5-1 331 Internet: www.ieee.com Tel: (800) 67 8-4 333, Tel: (908) 56 2-1 393, Fax: (908) 98 1-9 667 ADSL MIB working group Web site: ... DFE, người ta sử dụng một kỹ thuật gọi là precoding Precoding loại trừ được lan truyền lỗi nhưng lại đòi hỏi phải thay đổi máy phát dẫn đến tăng công suất phát Precoding cũng loại trừ cả khả năng của một kỹ thuật cho phép DFE tự cấu hình nhanh chóng khi khởi động mà không cần liên hệ với máy phát gọi là kỹ thuật blind training Trong phương pháp điều chế nhiều sóng mang (Multi-carrier modulation) một... so với chiều downstream hệ thống song công phân thời có thể bố trí thêm nhiều ký hiệu cho chiều upstream để bù lại Trong trường hợp truyền dẫn đối xứng thì thay vì cần superframe 9-Q-9-Q thì có thể sử dụng superframe 8-Q-10-Q và kết quả sẽ tăng thêm cự ly thông tin với cùng một tốc độ yêu cầu Sử dụng song công phân thời yêu cầu các modem đang tích cực trong một chão cáp phải được đồng bộ với một clock... LCE = LCP + LCS - β Các giá trò LCP, LCS và β phải được chọn sao cho thoả mãn phương trình: LCP + LCS - β = m × 2n + 1 với m là một số nguyên Bắt buộc rằng LCP, LCS và β phải được chọn sao cho LCP + LCS β lấy giá trò nhỏ nhất là 40 × 2n + 1 Trong mọi trường hợp, β < LCP và β < LCS Trong chế độ hoạt độ đồng bộ (tuỳ chọn) thì VTU-O và VTU-R hoạt động trong cùng một chão cáp có clock khung chung cho tất... nghiệp dư có thể không cho phát sóng và như vậy sẽ tự động giảm mật độ phổ công suất phát đến mức -7 3 dBm/Hz Hãng Texas Instruments đã phát triển và sử dụng thành công kỹ thuật số đơn giản có thể giảm mật độ phổ công suất phát xuống còn ở mức cần thiết -8 0 dBm/Hz Các giải pháp CAP/QAM tương hợp phổ với ADSL trong cấu hình FTTCab chỉ khi cả hai chiều upstream và downstream được bố trí ở các dải tần trên 1,1... VDSL Hình 2.47 Mô hình các lớp nghi thức VDSL 86 Lớp hội tụ truyền dẫn (TC: Transmission Convergence) được chia thành phần đặc tính nghi thức chuyển vận (TPS-TC: Transport Protocol Specific-TC) và phần độc lập ứng dụng (PMS-TC: Physical Medium Specific-TC) Các lớp của VDSL được mô tả ở hình 2.47 VDSL có các ứng dụng để chuyển vận dữ liệu là: SDH, ATM và trong tương lai sẽ hỗ trợ thêm các ứng dụng khác... -8 0 dBm/Hz trong các dải tần vô tuyêá nghiệp dư Nếu có thể phát triển được VDSL thì các hệ thống VDSL phải tương hợp với các tín hiệu của các dòch vụ khác trong cùng một chão cáp Hệ thống DSL bò VDSL ảnh hưởng nhiều nhất là ADSL Trong một vài cấu hình, VDSL có thể ảnh hưởng mạnh đến tín hiệu ADSL trừ phi được thiết kế cẩn thận Trong một số cấu hình khác, VDSL lại bò ADSL ảnh hưởng ngược lại Trong cấu. .. phổ công suất phát -4 0 dBm/Hz trong khi các đường dây khác có thể mang tín hiệu VDSL với mật độ phổ công suất phát -6 0 dBm/Hz cho các thuê bao gần với tổng đài hơn như được minh hoạ ở hình 2.34 Trong cấu hình này ảnh hưởng của VSDL lên ADSL là không đáng kể Ta sẽ phân tích riêng các kênh ADSL upstream và downstream 71 VDSL CO ADSL Hình 2.34 Ảnh hưởng lẫn nhau giữa ADSL và VSDL trong cấu hình FTTEx VDSL... cho chiều upstream và một khoảng thời gian an toàn khác Độ dài các khoảng thời gian truyền dẫn theo chiều upstream và downstream là những số nguyên lần chu kỳ ký hiệu DMT Superframe được ký hiệu là A-Q-B-Q, với A và B là số các ký hiệu tương ứng bố trí cho chiều downstream và upstream và hai ký hiệu Q biểu diễn thời gian an toàn để bảo đảm cho độ trễ lan truyền của kênh và cho phép đáp ứng dội suy giảm . Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 61 2.3.6 Cấu trúc khung Như đã minh hoạ ở hình 4.5 các khung phụ thuộc từng ứng dụng có phần. Thực tiễn, giải pháp và triển khai 62 Hình 2.23 Khung lõi Kỹ thuật xDSL Đặng Quốc Anh 63 Hình 2.24 Cấu trúc khung của hệ thống HDSL 3 đôi dây Đặng Quốc