Môi trường DSL

Đường dây thuê bao số (DSL) là một kỹ thuật truy cập cục bộ mang lại kết nối dữ liệu tốc độ cao cho các người dùng thông qua cặp dây xoắn đôi điện thoại truyền thống. Ban đầu, môi trường truyền của DSL là môi trường đơn người dùng do mỗi người dùng được nối đến tổng đài trung tâm thông qua một cặp dây dành riêng cho mình (hình 2.1), [1], [2], [21]. Tuy nhiên, tổng đài trung tâm thường phục vụ hàng trăm nghìn thuê bao, và các cặp dây xoắn đôi từ các thuê bao khác nhau được bó lại với nhau trong một bó cáp để đến tổng đài trung tâm. Trong môi trường như vậy, do các dây đặt gần nhau nên chúng phát ra nhiễu điện từ trường lên nhau. Nhiễu như vậy được gọi là xuyên âm và là vấn đề chính trong hệ thống DSL. Có hai loại xuyên âm: xuyên âm đầu gần (NEXT) là nhiễu được tạo ra do các thiết bị phát đặt trên cùng một phía với thiết bị thu và nhiễu đầu cuối xa (FEXT) là nhiễu tạo ra do các máy phát ở đối diện với máy thu. Do đó, môi trường DSL được xem như là môi trường đa người dùng.

Hình 2.1. Môi trường DSL xuyên nhiễu

Xuyên âm ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu năng của hệ thống DSL khi điều khiển phân bố. Trong đó, các tín hiệu DSL trong các mạch vòng thuê bao thay đổi đáng kể theo khoảng cách vì vậy làm tăng hiệu ứng gần xa (hình 2.2) cũng giống như như trong trường hợp hệ thống không dây đa truy cập phân chia theo mã (CDMA). Trong CDMA, người dùng gần trạm gốc sẽ hạn chế hiệu năng của người dùng ở xa nếu không được điều khiển công suất, do đó làm tăng hiệu ứng gần xa. Trong DSL, nếu mật độ phổ công suất phát của mọi người dùng ở đường lên như nhau thì FEXT từ mạch vòng thuê bao ngắn lớn hơn ở mạch dài. Xuyên âm ở mạch ngắn lớn sẽ làm

giảm tốc độ dữ liệu của mạch dài. Mạch dài có tốc độ dữ liệu nhỏ hơn mạch ngắn kể cả khi không có xuyên âm do sự suy giảm trên đường truyền. Điều khiển công suất trong hệ thống DSL giống như trong CDMA nhằm làm giảm xuyên âm gây ra do hiệu ứng gần – xa, tuy nhiên nó có điểm khác biệt so với điều khiển công suất trong các hệ thống không dây.

Hình 2.2. Môi trường phát đường lên

Đầu tiên, mặc dù môi trường truyền DSL thay đổi theo đường dây nhưng không thay đổi theo thời gian, fading và sự di chuyển không phải là vấn đề. Do đó, việc giả sử biết kênh truyền là thích hợp và được sử dụng ở đây. Mặt khác, không giống như giả định fading phẳng trong hệ thống không dây, đường DSL là chọn lọc tần số.

Nếu cả FEXT và NEXT đều có thể xảy ra trong hệ thống DSL thì NEXT thường nghiêm trọng hơn. NEXT tăng theo tần số và tại các tần số của VDSL (15 MHz) thì nó có thể tới mức không thể chấp nhận được và vì thế các hệ thống VDSL cần phải được thiết kế để tránh NEXT.

ADSL và VDSL sử dụng phương pháp ghép kênh theo tần số FDD để tránh NEXT từ cùng một loại dịch vụ. Với các dịch vụ khác nhau (chẳng hạn như HDSL, SDSL, T1 v.v…) sử dụng các phương pháp ghép kênh khác nhau và bao phủ trong miền tần số với ADSL và VDSL, do đó có thể tạo ra NEXT. Nếu chúng ta có thể giảm bớt các ảnh hưởng của NEXT trong hệ thống ADSL thì có thể tăng được tốc độ dữ liệu và dự phòng hệ thống. Tuy nhiên nếu chúng ta chỉ xét ảnh hưởng của NEXT tới cùng một loại dịch vụ, do đó sử dụng phương pháp FDD để tránh NEXT, xuyên âm chỉ còn lại FEXT.

Các cặp dây xoắn đôi điện thoại là các kênh chọn lọc tần số. Để chống ISI, công nghệ DSL sử dụng điều chế đa âm rời rạc (DMT) để chia băng tần thành nhiều kênh con không bị ISI, mỗi kênh con mang các luồng dữ liệu riêng. Điều chế DMT được tiêu chuẩn hóa cho ADSL và VDSL. Sử dụng điều chế DMT cho phép gán công suất giả định trong mỗi tần số vì thế cho phép tạo ra hình dạng phổ dễ dàng.

sử dụng ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Môi trường DSL có thể được mô hình như một kênh nhiễu

Hình 2.3 là mô hình kênh nhiễu có K máy phát và K máy thu. Hàm truyền của kênh từ máy phát i tới máy thu j được cho bởi Hij( )f trong đó 0 f Fs, Fs 1 2TS , Ts là tốc độ lấy mẫu. Mật độ phổ công suất nhiễu của máy thu i là i( )f . Ký hiệu mật độ phổ công suất phát là Pi(f ). Pi(f ) phải thỏa mãn ràng buộc:

0 ( ) s F i i P f df P  (2.1)

Hình 2.3 Mô hình kênh nhiễu Gauss

Cố định Pi(f) và coi nhiễu như ồn, tốc độ dữ liệu có thể đạt được là:

2 2 2 0 # ( ) ( ) log 1 ( ) ( ) ( ) s i ii i i j ji i j F P f H f R df f P f H f                         (2.2)

Trong đó Γ là SNR gap. Mục tiêu của thiết kế hệ thống là làm tối đa đồng thời tập tốc độ dữ liệu R1,...,RM thỏa mãn các ràng buộc công suất P1 , · · · PK. Chú ý rằng, với mỗi máy phát việc tăng mật độ phổ công suất cũng làm tăng tốc độ của nó nhưng cũng làm tăng nhiễu lên người dùng khác. Vì vậy thiết kế hệ thống phải xem xét đến sự cân bằng về tốc độ dữ liệu của mọi người dùng. Sự phân bổ công suất tối ưu tổng tốc độ thường cho những người dùng gần nhà cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn và những người dùng ở xa nhà cung cấp có tốc độ bit thấp hơn, điều này có thể là không công bằng. Triển khai hệ DSL thực tế có thể yêu cầu mức giả định của dịch vụ cho mỗi người dùng, điều này là cần thiết để đặc trưng hóa đầy đủ sự cân bằng là sử dụng khái niệm vùng tốc độ :

Vùng tốc độ đặc trưng cho tất cả khả năng tốc độ dữ liệu của mọi người dùng thỏa mãn ràng buộc công suất. Mặc dù có sự hấp dẫn của nó nhưng vùng tốc độ lại không dễ tính toán. Đó là bởi vì biểu thức dung năng không phải là hàm lồi của sự phân bổ công suất. Vì mặc dù theo lý thuyết, vùng tốc độ có thể được tính toán bằng cách tìm kiếm tất cả các khả năng phân bổ công suất có thể hoặc bằng một chuỗi các bước tối ưu bao gồm tổng trọng số tốc độ dữ liệu.

Hình 2.4. Vấn đề gần – xa

Hệ thống DSL hiện nay được thiết kế với mỗi modem phát ở mật độ phổ công suất cố định. Mặt nạ phổ công suất cố định giới hạn mức nhiễu trong trường hợp xấu nhất và các modem được thiết kế chống lại nhiễu trong hợp đó. Thiết kế như vậy thường là quá thận trọng trong trường hợp mà nhiễu thực tế nhỏ hơn nhiều nhiễu trong trường hợp xấu nhất. Hơn nữa, tất cả các modem đều có mặt nạ phổ công suất như nhau mà không quan tâm đến vị trí địa lý của nó. Hình 2.4 minh họa 2 đường dây DSL trong một bó cáp từ nhà cung cấp (CO) tới nhà khách hàng (CP). Khi cả hai máy phát ở phía CP phát cùng mật độ phổ công suất, do suy giảm đường truyền khác nhau nên FEXT gây ra trong đường dây ngắn có thể ảnh hưởng xấu đến đường dây dài.

Để khắc phục sự không tương thích phổ này, đường ngắn phải giảm mật độ phổ công suất phát của mình. Việc giảm mật độ phổ công suất phát đường lên gọi là UPBO, [17]. Chú ý rằng đường xuống không chịu vấn đề tương tự. Mặc dù tất cả máy phát phía CO cũng phát ở cùng mật độ phổ công suất như nhau, FEXT chúng tạo ra cho nhau giống nhau ở bất cứ khoảng cách cố định nào từ CO. Mức FEXT đường xuống này luôn yếu hơn tín hiệu dữ liệu vì vậy nó không gây những vấn đề nghiêm trọng cho phát đường xuống.

Một vài thuật toán UPBO đã được đề xuất cho VDSL. Tất cả các phương pháp UPBO hiện nay đều chú ý làm giảm phát ra can nhiễu của các mạch ngắn bằng cách cho chúng hoạt động giống như các mạch dài hơn. Sau đây sẽ nghiên cứu một số thuật toán UPBO.