SOFTVER ZA PROCENU KVALITETA ADSL SERVISA - PosTel

XXV Simpozijum o novim tehnologijama u poštanskom i telekomunikacionomsaobraãaju – PosTel 2007, Beograd, 11. i 12. decembar 2007.SOFTVER ZA PROCENU KVALITETA ADSL SERVISABratislav Milovanoviã, Mladen Ranðeloviã, Aleksandar Atanaskoviã, Nebojša DonèovElektronski fakultet NišSadržaj – U ovom radu je opisan postupak za procenu performansi ADSL servisa.Postupak je baziran na poboljšanom analitièkom modelu koji, uzimajujuãi u obzir skinefekat, efekat upredanja i druge fizièke i elektromagnetske parametre parice, opisujurealno ponašanje njenih primarnih podužnih parametara u frekvencijskom opsegu odinteresa. Ovaj model kao i odgovarajuãi modeli preslušavanja izmeðu parica utelefonskom kablu su implementirani u softver, razvijen u MATLAB programskomokruženju, omoguãavajuci proraèun nekih od bitnih karakteristika, kao što su broj bitovapo kanalu i kapacitet prenosa, za procenu kvaliteta ADSL servisa. Moguãnosti softverasu ilustrovane na primeru pretplatnièke parice koja je bila dostupna poreðenjemmodelovanih i merenih rezultata.Kljuène reèi – ADSL, softver, telefonska parica, kapacitet prenosa.1. UvodU poslednjoj deceniji proteklog veka, sa ekspanzijom Interneta i novih servisa(video na zahtev, video konferencije, uèenje na daljinu, interaktivne mrežne igre, radio iTV preko interneta, mrežna kupovina), javila se potreba za širokopojasnim pristupnimtehnologijama koje omoguãavaju velike brzine prenosa podataka od i ka krajnjemkorisniku usluge. Uzimajuãi u obzir ogromna ulaganja u izgradnju nove infrastrukturu,logièna je bila želja da se razvoj servisa odvija u pravcu iskorišãenja postojeãe širokoprisutne bakarne infrastrukture. Ovim zahtevima je odgovorila nova xDSL tehnologija.ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) je najpopularniji i najzastupljenijiDSL servis u svetu za potrebe rezidencijalnih korisnika. ADSL podržava asimetrièanservis, sa veãom brzinom prenosa od centrale ka korisniku (downstream) nego usuprotnom smeru (upstream) što se poklapa sa zahtevima najveãeg broja korisnikainterneta. ADSL za prenos koristi dva dela frekvencijskog opsega koja su iznad opsegakoji se koristi za prenos govornog signala (do 4 kHz). Donji deo frekvencijskog opsegaza ADSL prenos se koristi za prenos podataka od korisnika ka centrali, dok je gornji deo

opsega rezervisan za prenos od centrale ka korisniku. Oba opsega su podeljena nafrekvencijske kanale širine 4.3125 kHz, kako bi se u okviru kanala spektralne gustinesnage signala i šuma mogle smatrati konstantnim. Kao standard za ADSL servis, koristise DMT (Discrete Multi Tone) modulacija sa razlièitim tehnologijama raspodele kanala.FDD (Frequency Division Duplexing) tehnologija je zastupljenija u praksi i podrazumevada su frekvencijski opsezi za razlièite smerove prenosa meðusobno razdvojeni. EC (EchoCancelling) tehnologija ima osobinu da se deo opsega preklapa za oba smera prenosa, alije na ovaj naèin osim kapaciteta prenosa poveãano i preslušavanje po kanalima. ADSL2+servis se nametnuo kao nadogradnja klasiènog ADSL-a u svrhu poveãanja kapacitetaprenosa u downstream smeru. Kod ovog servisa frekvencijski opseg je proširen od 1.104MHz (kod ADSL-a) na 2.208 MHz.Kako telefonske parice predstavljaju kljuèni prenosni medijum za svaki DSLservis, od izuzetnog je znaèaja ispitivanje njihovih karakteristika, radi proceneprimenljivosti i brzine DSL pristupa. Ova vrsta analize zahteva preciznu predikcijustrukture lokalnih petlji kao i preciznu identifikaciju parametara parica.U cilju precizne karakterizacije primarnih parametara, razlièiti modelitelefonskih parica su izvedeni korišãenjem modela transmisione linije [1]. Iako je veãinamodela dostupnih u literaturi empirijskog karaktera [2], u novije vreme posebnopopularni postaju modeli koji su zasnovani na fizièkim i elektromagnetskimkarakteristikama telefonske parice. Jedan od ovakvih modela, koji ukljuèuje skin efekatuzimajuãi u obzir kružnu geometriju žièanih provodnika, efekat upredanja i druge fizièkei elektromagnetske parametre parice[3], je implementiran u softver razvijen za potrebekarakterizacije parica na fizièkom nivou. Ovaj model u nešto pojednostavljenoj verzijiprimenjen je referencama [4,5] u cilju eksperimentalne provere proraèunatih primarnih isekundarnih parametara. Korišãenjem ovog modela, kao i modela preslušavanja izmeðuparica u telefonskom kablu, moguãe je proraèunati karakteristike prenosa razlièitih xDSLsistema. U ovom radu su za procenu performansi ADSL servisa, pored ovih modelakorišãene i procedure za analizu preslušavanja definisane u ITU-T G.996.1 preporuci [6].Broj bitova po kanalu i kapacitet prenosa telefonske parice su neke od izlaznihkarakteristika realizovanog softvera koje su prikazane u ovom radu. Softver je razvijen uMATLAB programskom okruženju [7]. Zavisno od ulaznih parametara softver vršiproraèun karakteristika parice, a nudi i moguãnost njihovog poreðenja sa dostupnimmerenim rezultatima. Verifikacija softvera je izvedena za telefonsku paricu koja je biladostupna u frekvencijskom opsegu od interesa za ADSL servis (do 1.104 MHz).2. Modelovanje telefonskih parica i proraèun kapaciteta prenosaPrimarni i sekundarni parametriElektriène karakteristike telefonske parice mogu se definisati koristeãi modeltransmisione linije. Ovaj model ukljuèuje skup od èetiri primarna parametra po jedinicidužine tj. rednu induktivnost i otpornost, i šantnu kapacitivnost i provodnost. Rednainduktivnost predstavlja ukupnu sopstvenu induktivnost dva provodnika, dok je šantnakapacitivnost posledica blizine dva provodnika. Redna otpornost je rezultat konaèneprovodnosti provodnika parice, a šantna provodnost postoji zbog dielektriènih gubitaka uizolacionom materijalu izmeðu dva provodnika. Model segmenta telefonske pariceprikazan je na Sl.1.Iako je modelovanje na osnovu fizièkih karakteristika poželjno, veãinu danasdostupnih modela èine empirijski modeli [2]. Ovi modeli su izvedeni empirijski na282

osnovu merenja velikih sekcija homogenih kablova i ekstrakciji njihove ekvivalentnedvoprilazne mreže pomoãu èetiri primarna podužna parametra. Meðutim, ovi modeli nisuu stanju da daju realni impulsni odziv te stoga njima nije moguãe analizirati telefonskekablove u vremenskom domenu. Takoðe, ovi modeli ukljuèuju i izvesni grešku kaoposledicu nepreciznosti u eksperimentalnom merenju primarnih parametara na nižimfrekvencijama. Ipak, njihov glavni nedostatak predstavlja èinjenica da nisu bazirani nafizièkim karakteristikama bakarne parice.Sl.1. Segment telefonske parice modelovan transmisionom linijomUpravo iz tih razloga u referenci [3] je predložen analitièki izveden modeltelefonske parice. Model najpre polazi od aproksimacije telefonske parice preko dvaparalelna žièana provodnika i uniformnog skin efekt modela primenjivog za proraèunpodužne induktivnosti i otpornosti samo na visokim frekvencijama. Žièani provodnici supreènika d, a njihovi centri su na meðusobnom rastojanju D. Specifièna provodnost, ,,provodnika je ó, a relativna dielektrièna konstanta izolacionog materijala r j r (Sl.2).Proraèun primarnih parametara po ovom modelu je prikazan u referencama [4,5].Sl.2. Presek telefonske pariceUzimajuãi u obzir neuniformnu raspodelu struje za proraèun impedanse žièanihprovodnika, kakva je ona u stvarnosti na žicama kružnog popreènog preseka, moguãe jedobiti nove poboljšane širokopojasne modele za proraèun podužne induktivnosti iotpornosti [3]:01L' f cosh D/ d 2R ( ) '() ( ) ' ( ) s f Ber q Ber q Bei q Bei q D / d (1)222 fd '() '() 2 Ber q Bei q D / d 10D 8D n (ln 2)2 d 283

R' f f 4Rs2d Ber(q)Bei'( q) Bei(q)Ber'( q)D / d22Ber'( q) Bei'( q) 2 D/ d 1(2)Parametar R s u jednaèinama (1) i (2) predstavlja površinsku otpornost koja jefrekvencijski zavisna na sledeãi naèin: f R s f / (3)Oznake Ber i Bei predstavljaju realni i imaginarni deo Bessel-ove funkcijenultog reda Jo(j -1/2 q). Parametar q može se proraèunati na sledeãi naèin:q d f / 2(4)Treãi èlan u jednaèini (1) predstavlja dodatnu induktivnost koja se javlja kaoposledica upredanja žièanih provodnika èime se formira helikoidna struktura. Pri tomeparametar n u treãem èlanu predstavlja broj upredanja parica po jedinici dužine. Ostaladva primarna podužna parametra se proraèunavaju na naèin:C'G' f f 284,r 01cosh D / d22coshf1,,0rD / dU zavisnosti od primarnih parametara po jedinici dužine, sekundarni parametriparice, kompleksna karakteristièna impedansa Z c i kompleksna konstanta prostiranjaã=á+jâ, mogu se proraèunati kao:Z c f [ R' f j2f L' f ] /[ G' f j2f C' f ] f [ R' f j2f L' f ][G' f j2f C f '] (7) (8)Proraèun spektralne gustine snage signalaSegment telefonske parice dužine l može biti modelovan kao dvoprilazna mreža,gde su napon V 1 i struja I 1 na levom prilazu povezani sa naponom V 2 i strujom I 2 nadesnom prilazu preko tkz. ABCD modela: cosh( l)Z 0 sinh( l)V1A B V2A B , 1(9)I sinh( l)cosh( l)1 C D I 2 C D Z 0Vrednosti A, B, C i D zavise jedino od sekundarnih parametara, a nezavisni suod završne impedanse. Uneti gubici mogu biti proraèunati na sledeãi naèin:HilossZ S ( f ) Z L ( f )( f ) (10)Z ( f )( CZ ( f ) D) AZ ( f ) BsLL(5)(6)

gde su Z s ( f ) i Z L ( f ) ulazna i završna impedansa na krajevima petlje. Spektralnagustina snage (Power spectral density - PSD) signala na prijemu je:gde je S x ( f ) PSD signala koji se prenosi.2852S p ( f ) S x ( f ) H iloss ( f )(11)Proraèun spektralne gustine snage preslušavanjaPreslušavanje predstavlja primarni izvor šuma u DSL sistemima.U svrhuprocene performansi DSL sistemima, spektralna gustina snage preslušavanja, S n ( f ) ,mora biti proraèunata, u veãini sluèajeva korišãenjem modela prezentiranih u referenci[6]. Preslušavanje je modelovano kao aditivni Gauss-ov šum i ako je spektralna gustinasnage ometajuãeg signala ( f ) , onda je spektralna gustina snage preslušavanja:gde je H f 2S dS f S f H f 2xtalk d xtalk(12)x talk prenosna funkcija snage preslušavanja i može se proraèunati nasledeãi naèin u zavisnosti od tipa preslušavanja:H NEXT2 0.6141. 5 f , N N *0.8536*10 ( f /1Hz) (13)2 0.6 2H f , L,N N K f L H f , L 2FEXT channelgde je L dužina linije, f Lometajuãih parica, aFEXT (14)H channel , je prenosna funkcija ometene petlje, N je brojK FEXT je konstanta koja za evropske kablove iznosi:4.51 19.5K FEXT 10 10(15)2MHz kmProraèun kapacitetaZa ADSL i drugu generaciju VDSL (VDSL2), DMT (Discrete Multi Tone)tehnologija modulacije sa više nosilaca je standardizovana. U DMT sistemima, diskretnaFourier-ova transformacija se koristi da bi se više uskopojasnih signala kombinovalo ujedan širokopojasni signal. Za svaki uskopojasni kanal (svaki podkanal ili ton), signal išum se mogu smatrati belim u okviru tog dela frekvencijskog opsega. Zbog ove osobine,ukupni kapacitet prenosa podataka se može proraèunati kao suma kapaciteta prenosa zasve pojedinaène kanale:K111SNRkC Ck log 2 (1 )(16)TkK0KkKpri èemu je 1/T kapacitet prenosa simbola za svaki podkanal, SNR k je srednja vrednostodnosa signal-šum u k-tom podkanalu, a à je ukupno ogranièenje Shannon-ovogkapaciteta za željenu verovatnoãu greške. Ako poðemo od pretpostavke da je spektarsignala i šuma ravan u okviru svakog kanala, odnos signal-šum SNR za svaki kanal možebiti aproksimiran kao:S p ( f k )SNRk (17)S ( f )0nk

gde je f k pod-nosilac tj. centralna frekvencija za svaki podkanal. Ako DMT sistem imamarginu šuma ili ako se koristi kodiranje, onda se margina i pojaèanje usled kodiranjamogu ukljuèiti u okviru à faktora na sledeãi naèin:( P egde je P ) konstanta koja se odnosi na Shannon-ov limit (za verovatnoãu greške od( e10 -7 ova konstanta je približno ( P e ) 9. 89 ), m je margina šuma (tipièna vrednost5-6 dB), a c se odnosi na pojaèanje dobijeno kodiranjem (u sluèaju trelis kodiranjatipièna vrednost se kreãe od 3 dB do 5 dB).) 3. Softver za karakterizaciju telefonskih paricaU cilju proraèuna parametara bakarne parice i procene performansi ADSLservisa, realizovan je odgovarajuãi softver. Za izradu softvera korišãena je moguãnostkreiranja grafièkog korisnièkog interfejsa u programskom paketu MATLAB. Analitièkimodel opisan u sekciji 2, baziran na fizièkim karakteristikama i elektromagnetskimsvojstvima telefonske parice je implemetiran u softver. Kao ulazne parametre zaodabranu izlaznu karakteristiku potrebno je uneti karakteristike telefonske parice koje suprikazane na Sl.2. Izlazne karakteristike mogu biti: primarni i sekundarni parametriparice, prenosna funkcija, uneti i povratni gubici, broj bitova po kanalu, spektralnegustine snage signala i preslušavanja i kapacitet prenosa kao što je prikazano u vidupadajuãeg menija na osnovnom ekranu softvera na Sl.3.cm(18)Sl. 3. Osnovni ekran realizovanog softvera286

U sluèaju da se za izlaznu karakteristiku odabere PSD i kapacitet prenosa, osimpomenutih karakteristika parice kao ulazne parametre je potrebno uneti i dužinu linije zaprenos, marginu sistema, verovatnoãu greške i pojaèanje kodiranja. Za procenukapaciteta prenosa neophodno je znati koji sistemi mogu ometati prenos na liniji odinteresa. Kao posebnu moguãnost softver daje poreðenje modelovanih i merenih rezultataza karakteristiku od interesa4. Numerièka analizaU cilju ilustracije moguãnosti realizovanog softvera opisanog u sekciji 3,analizirana je dostupna telefonska parica sledeãih fizièkih dimenzija: d=0.65 mm iD=1.35 mm. Provodnici parice su od bakra specifiène provodnosti ó=5.65·10 7 S/m.Realni deo relativne dielektriène konstante izolacionog materijala jer 2. 4 . Da bi severifikovali modelovani parametri, izvršena je eksperimentalna analiza parice ufrekvencijskom opsegu do 10 MHz na naèin koji je detaljnije opisan u referenci [5].Poreðenje modelovanih i merenih rezultata za neke od izlaznih karakteristika za odinteresa su prikazane na Sl.4-6. Numerièka analiza je izvršena za ADSL servis ufrekvencijskom opsegu do 1.104 MHz.Na Sl.4 su prikazane spektralne gustine snage signala i šuma i kapaciteti prenosaza ADSL servis sa FDD i EC tehnikama raspodele kanala, respektivno. Kapacitetiprenosa koji se procenjuju i za modelovane i za merene rezultate se proraèunavaju zasistem koji ima verovatnoãu greške BER=10 -7 i marginu od 6 dB. Dužina linije jel=1000 m. Za FDD tehniku, karakteristike dobijene za modelovane parametre suprikazane plavom i zelenom bojom za realni i imaginarni deo respektivno, dok su merenekarakteristike ilustrovane crvenom i svetloplavom bojom. Kapaciteti prenosa dobijeniprema analitièkom modelu su 6.50 Mbit/s za download i 883 kbit/s za upload smerprenosa, dok se na osnovu merenih rezultata dobijaju brzine prenosa od 5.92 Mbit/s i 804kbit/s za download i upload smer prenosa, respektivno. Za EC tehniku kapaciteti prenosaiznose 7.74 Mbit/s i 1090 kbit/s za modelovane rezultate odnosno 7.08 Mbit/s i 993 kbit/sza merene rezultate, za download i upload smerove prenosa, respektivno.Sl.5 i Sl.6 prikazuju broj bitova po kanalu za FDD i EC tehnike raspodelekanala. Za FDD tehniku (Sl.5), plavom bojom su prikazani modelovani, a zelenom bojommereni rezultati. Za prenos podataka u upload smeru se koriste kanali od 8 do 27 a udownload smeru prenosa se koriste kanali od 36 do 256. Za EC tehniku (Sl.6),modelovani rezultati su prikazani crvenom i plavom bojom, dok su svetloplavom izelenom bojom prikazani rezultati dobijeni na osnovu merenih rezultata za upload idownload smer prenosa, respektivno. Kod ove tehnike, kanali 8-31 se koriste za upload, akanali 8-256 za download smer prenosa.Na Sl.7 je prikazana zavisnost brzina downstream i upstream smera prenosa zaADSL servis od dužine linije. Može se primetiti da je za dužinu linije od dva kilometra,kapacitet prenosa umanjen na vrednosti 4 Mbit/s. Za veãe dužine linija, performanseservisa su još drastiènije umanjene što ukazuje da je primena ADSL servisa uglavnomrezervisana za kraãa rastojanja. Za upload prenos, kapacitet prenosa je umanjen sa 850kbit/s za liniju od 500 metara na 400 kbit/s za liniju dužine 4000 metara.,287

Sl. 4. Spektralne gustine snage signala i šuma i kapacitet (FDD tehnika raspodelekanala)Sl 5. Broj bitova po kanalu (FDD tehnika raspodele kanala)288

Sl. 6. Broj bitova po kanalu (EC tehnika raspodele kanala)Sl.7. Zavisnost kapaciteta ADSL prenosa od dužine linije289

6. ZakljuèakU ovom radu je prezentovana procena performansi telefonske parice kao kljuènekomponente za ADSL servis. U svrhu modelovanja parice, korišãena je teorijatransmisionih linija i poboljšani analitièki model koji je baziran na fizièkim ielektromagnetnim karakteristikama same parice. Proraèuni spektralnih gustina snagesignala i presušavanja kao i kapaciteta prenosa su bazirani na ITU-T preporukama. Ovepreporuke su, zajedno sa poboljšanim analitièkim modelom, implementirane uodgovarajuãi softver namenjen za procenu kvaliteta ADSL servisa. Verifikacija softveraje izvršena poreðenjem modelovanih i eksperimentalno dobijenih rezultata za dostupnutelefonsku paricu. Korišãenjem razvijenog softvera operateri servisa mogu dobitikvalitetnu procenu performansi na postojeãim telefonskim paricama, ne samo kada je reèo ADSL tehnologiji veã i ostalim DSL tehnologijama baziranim na DMT modulaciji.Literatura[1] P.F.Combes, Microwave Transmission for Telecommunications, John Wiley & Sons,1991.[2] P.Golden, H.Dedieu and K.Jacobsen, Fundamentals of DSL Technology, AuerbachPublications, Taylor & Francis Group, 2006.[3] J.J.Yoho, Physically-Based Realizable Modeling and Network Synthesis ofSubscriber Loops Utilized in DSL Technology, PhD Thesis, Faculty of the BradleyDepartment of Electrical and Computer Engineering, Virginia Polytechnic Instituteand State University, USA, 2001.[4] Mila Stojanoviã, Aleksandar Atanaskoviã, Mladen Ranðeloviã, Nebojša Donèov,Bratislav Milovanoviã, “Karakterizacija telefonskih parica za potrebe xDSL servisa”,ETRAN 2006, Vol. 2, Beograd, Srbija, pp. 325-328, 2006.[5] Bratislav Milovanoviã, Mladen Ranðeloviã, Aleksandar Atanaskoviã, NebojšaDonèov, “Softverska realizacija i eksperimentalna verifikacija modela xDSLkablova“, POSTEL 2006, Beograd, Srbija, pp. 277-287, 2006.[6] ITU-T G.996.1 (06/1999), Test procedures for digital subscriber line (DSL)transceivers, ITU-T Recommendation, 1999.[7] S.E.Lyshevski, Engineering and Scientific Computations Using MATLAB, JohnWiley & Sons, 2003.Abstract – In this paper, procedure for estimation of ADSL service performances ispresented. This procedure is based upon improved analytical model which, calculatingskin effect, twisting effect and other physical and electromagnetic parameters of twistedpair, describes primary parameters per unit length in frequency band of interest. Thismodel and models of crosstalk between twisted pairs in telephone cable, implemented insoftware developed in MATLAB programming environment, enable calculations ofimportant characteristics for estimation of ADSL service quality, such as number of bitsper single channel and transmission data rate. Software capabilities are illustrated on anexample of available twisted pair by comparing modelled and measured results.Keywords – ADSL, software, twisted pair, transmission data rate.SOFTWARE FOR ESTIMATION OF ADSL SERVICE QUALITYBratislav Milovanoviã, Mladen Ranðeloviã, Aleksandar Atanaskoviã, Nebojša Donèov290