Tài liệu Tìm hiểu về tổng xuyên nhiễu hỗn hợp trong hệ xdsl

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Trung Tuyến TÌM HIỂU VỀ TỔNG XUYÊN NHIỄU HỖN HỢP TRONG HỆ xDSL LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - Năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Trung Tuyến TÌM HIỂU VỀ TỔNG XUYÊN NHIỄU HỖN HỢP TRONG HỆ xDSL Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Viết Kính Hà Nội - Năm 2005 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần MỤC LỤC Trang CHƢƠNG I 4 CƠ SỞ VỀ XDSL 4 1.1 Các modem băng thoại và xDSL 1.2 Các chế độ truyền dẫn 6 10 1.2.1 Hƣớng 10 1.2.2 Đồng bộ 12 1.2.3 Kênh 12 1 2.4 Mô hình đơn và đa điểm 13 1.3 Các phƣơng thức điều chế dùng trong xDSL 14 1.3.1 Mã hoá băng gốc 14 1.3.2 Mã hoá băng thông 15 CHUƠNG 2 CÁC LOẠI XDSL 16 Lƣợc sử về xDSL 16 2.1 HDSL 18 2.2 ADSL 21 2.3 VDSL 26 2.4 Giới hạn thiết kế của xDSL 28 CHƢƠNG 3 31 Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 1 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần TRUYỀN DẪN TRÊN ĐÔI DÂY XOẮN 31 3.1 Mạch vòng nội hạt và đôi dây xoắn 31 3.2. Nhiễu 32 CHƢƠNG 4 44 CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP XUYÊN NHIỄU HỖN HỢP 44 4.1 Giới thiệu 45 4.2 Suy hao do xuyên nhiễu : nền tảng và các khái niệm. 47 4.3 Các phƣơng pháp tính tổng xuyên nhiễu đã biết 48 4.3.1 Phƣơng pháp lấy tổng xuyên nhiễu đơn giản 50 4.3.2 Phƣơng pháp tổng vòng 50 4.3.3 Phƣơng pháp mật độ phổ công suất trung bình 51 4.3.4 Phƣơng pháp FSAN 52 4.4 Các phƣơng pháp tổng hợp xuyên nhiễu mới 53 4.4.1 Phƣơng pháp giới hạn Minkowski (phƣơng pháp FSAN tổng quát)53 4.4.2 Phƣơng pháp sử dụng bất đẳng thức holder 55 4.4.3 Các phƣơng pháp tổng hợp xuyên nhiễu mới và thuộc tính P3 57 4.5 Một cách tiếp cận mới làm sáng tỏ phƣơng pháp FSAN 60 4.5.1 Cở sở toán học 62 4.5.2 Phân tích kết quả chính 63 4.5.3 Các kết quả phụ (các hệ quả) 65 4.5.4 Ví dụ 67 Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 2 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần CHƢƠNG 5 69 GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG FSAN XDSL CỦA FTW. 69 5.1 Mô tả chƣơng trình 70 5.2 Giới thiệu một vài ví dụ sử dụng công cụ mô phỏng xDSLsimu3. 80 5.3 Giới thiệu khả năng áp dụng vào mạng thực tế của Bƣu Điện Hà Nội.89 Các từ viết tắt được sử dụng trong luận văn 101 Tài liệu tham khảo 105 Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 3 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần CHƢƠNG I CƠ SỞ VỀ DSL Đầu thập kỷ 60 công nghệ số lần đầu tiên đƣợc sử dụng vào các đƣờng trung kế nối các trung tâm để giải quyết vấn đề nhiễu đƣờng dài do sự tích luỹ nhiễu trên đƣờng truyền dẫn tƣơng tự. Sở dĩ có sự thay đổi này là do các bộ lặp analog khuếch đại cả nhiễu và tín hiệu, nếu sử dụng các bộ lặp hiện đại nhất thì cũng có nhiễu phát sinh. Truyền dẫn số loại bỏ đƣợc sự tích luỹ nhiễu bằng cách tái tạo lại chính xác tín hiệu số ở mỗi bộ lặp. Việc áp dụng công nghệ số vào truyền dẫn cho phép đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn hoàn hảo ở bất kể khoảng cách nào. Các tổng đài điện thoại trung tâm đƣợc nối với nhau qua các đƣờng trung kế, mỗi đƣờng mang một số kênh thoại. Cho tới năm 1970, hầu hết trung kế analog đƣợc thay thế bởi trung kế số E1/T1. Kết quả là các tổng đài Tandem hoặc toll khi này đƣợc nối với nhau bởi các đƣờng trung kế số. Các nhà thiết kế hệ thống lại nhận ra rằng, sẽ không hiệu quả nếu tổng đài trung tâm thực hiện chuyển mạch từ trung kế số sang analog để chuyển mạch qua ma trận chuyển mạch analog truyền thống, sau đó lại chuyển ngƣợc lại sang số để truyền sang trung kế khác. Và đây là tiền đề cho sự xuất hiện hàng loạt các tổng đài số trung tâm! Cho tới cuối những năm 70, toàn bộ mạng trung kế đã đƣợc số hoá. Khi đó ngƣời ta đã dự đoán lƣu lƣợng dữ liệu số sẽ lớn hơn lƣu lƣợng thoại, và nó đã thực sự xảy ra vào giữa thập kỷ 90 (thế kỷ trƣớc). Toàn bộ công nghiệp điện tử chuyển sang số, các tổng đài nội hạt đƣợc điều khiển bởi các máy tính số, báo hiệu trung kế cũng đƣợc chuyển sang số (SS7). Làn sóng số hoá đã lấn tới các tổng đài nội hạt với sự xuất hiện các tổng đài số nhƣ Nortel DMS100, AT&T 5ESS, Siemens EWSD và AXE của Ericsson. Các tổng đài số này dừng lại ở đầu cuối analog, ở đây tín hiệu tƣơng tự đƣợc biến đổi sang số 64kbit/s và ngƣợc lại qua các bộ mã hoá và giải mã ở khối chuyển mạch đƣờng dây. Vào năm 1985, ISDN đã mở rộng phạm vi số hoá này đến khu vực khách hàng. Lần đầu tiên, dịch vụ số từ đầu cuối đến đầu cuối đã xuất hiện ở phạm vi rộng. ISDN cung cấp cho khách hàng cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Tiếp đến, ISDN băng rộng (B-ISDN) với chuyển mạch không đồng bộ ATM cũng đƣợc triển khai khi thông tin quang bắt đầu phát triển. Tuy nhiên B-ISDN cũng có những hạn chế riêng của nó. Và chính HDSL, ADSL đã mở ra cho thế giới dịch vụ truyền số liệu băng rộng chuyển mạch đƣợc một thị trƣờng rộng lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ trƣớc, thế giới viễn thông bao gồm thoại và ký tự. Trong thế giới đó thoại là phổ biến và ít cần đến DSL. Sau đó là sự xuất hiện của máy tính cá nhân (PC), các ứng dụng đa phƣơng tiện (âm thanh, hình ảnh, Video) và cuối cùng là Internet. Vào đầu thập kỷ 80, số lƣợng máy tính đã vƣợt quá số dân thế giới và vào giữa thập kỷ 90 thì các ứng dụng số trên Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 4 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần mạng công cộng đã vƣợt quá thoại. Mặc dù truy nhập Internet giờ đây là ứng dụng lớn nhất của các DSL, nhƣng việc triển khai các DSL bắt đầu từ lâu trƣớc khi Internet trở nên phổ biến. Việc phát minh ra các bộ vi xử lý có năng lực lớn, giá rẻ, sử dụng các công nghệ DSP mới đã cho phép áp dụng các thuật toán mà trƣớc đây chỉ dùng cho các ứng dụng đặc biệt nhƣ vũ trụ, quốc phòng. Các bộ DSP cho phép mã hoá và giải mã các tín hiệu hình ảnh chuyển động mầu sử dụng các thuật toán nén (MPEG1, MPEG2, JPEG và H.261) ở tốc độ DSL. Hội nghị truyền hình chất lƣợng cao đƣợc triển khai ở tốc độ 384 kbit/s, video giải trí ở tốc độ 1,5 Mbit/s. Sự lỗi thời của đôi dây xoắn điện thoại đã đƣợc phỏng đoán nhiều lần. Ngay từ những năm 80 nhiều chuyên gia trong ngành truyền thông đã tin rằng phần lớn đƣờng dây điện thoại bằng đồng sẽ sớm đƣợc thay thế bởi đƣờng cáp quang nối trực tiếp đến mỗi nhà thuê bao trong vài năm sau đó. Điều này cũng là dễ hiểu bởi truyền tải bằng cáp quang sẽ nhanh chóng và có giá thành rẻ. Tuy nhiên thực tế là mô hình cáp quang tới nhà thuê bao vẫn còn quá đắt mà các nhà cung cấp dịch vụ không muốn nói không với khách hàng. Các công ty điện thoại tập trung triển khai cáp quang tại những nơi đƣợc xem là kinh tế nhƣ các khu vực thƣơng mại, đến các bộ tập trung xa (DLC) phục vụ vài trăm thuê bao. Nhƣ vậy có thể nói "DSL là công nghệ quá độ, nhƣng quá độ trong 40 năm nữa". Cáp quang, vô tuyến, cáp đồng trục đã là phƣơng tiện để truyền tải nhiều ứng dụng. Không có một công nghệ truy nhập chung cho tất cả các vùng cũng nhƣ tất cả các ứng dụng. Tuy nhiên giờ đây, công nghệ DSL đã cho phép đƣờng dây điện thoại truyền tải các ứng dụng đa phƣơng tiện mà trƣớc đây cho rằng chỉ có cáp quang mới thực hiện đƣợc, đƣờng dây điện thoại là một phƣơng tiện kinh tế nhất để truyền tải nhiều loại hình dịch vụ viễn thông tới hàng triệu khách hàng. Điểm yếu cơ bản của DSL là không di động và hiệu quả quảng bá thấp. Với cơ sở hạ tầng sẵn có, ví dụ nhƣ điện thoại, sử dụng công nghệ thích hợp xét về mặt kinh tế là tốt hơn rất nhiều so với triển khai một cơ sở hạ tầng mới. Công nghệ đƣờng dây thuê bao số (xDSL) thực hiện truyền thông tin số qua đƣờng dây điện thoại. Đƣờng dây điện thoại, kể từ phát minh của Alexander Graham Bell vào năm 1875 giờ đây có thể truyền tín hiệu ở tốc độ hàng Mbit/s. Kỹ thuật DSL đã tạo ra một bƣớc ngoặt mới cho việc sử dụng đƣờng dây điện thoại. Đƣờng dây điện thoại trƣớc đây chỉ dùng để truyền 1 kênh điện thoại băng tần 3,4 kHz, giờ đây có thể truyền gần 100 kênh thoại số nén hoặc 1 kênh tín hiệu video với chất lƣợng tƣơng đƣơng truyền hình quảng bá. Kỹ thuật truyền dẫn số tốc độ cao qua đôi dây điện thoại yêu cầu phải có các bộ xử lý số tiên tiến để khắc phục sự suy giảm tín hiệu, xuyên nhiễu từ các đôi dây khác trong cùng 1 cáp, sự phản xạ tín hiệu, nhiễu tần số vô tuyến và các nhiễu xung. Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 5 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần Nhƣ ta đã biết, cƣờng độ tín hiệu điện bị suy giảm theo khoảng cách do điện trở của dây dẫn, khi hoạt động ở tần số càng cao thì sự suy giảm này càng lớn. Năng lƣợng tín hiệu tiêu hao trên đƣờng dây tăng lên khi tốc độ và khoảng cách tăng lên. Phạm vi của mạch vòng DSL bị hạn chế do tín hiệu quá yếu để có thể nhận biết đƣợc một cách chính xác. Các nhà thiết kế hệ thống sẽ phải sử dụng các kỹ thuật điều chế phức tạp, sử dụng các mức tín hiệu truyền cũng nhƣ phạm vi tần số hợp lý để kéo dài tối đa khoảng cách truyền dẫn. Đối với mỗi một phƣơng pháp truyền dẫn cụ thể, tốc độ truyền dẫn tối đa giảm khi độ dài tăng lên. Do đó có thể đạt đƣợc tốc độ truyền dẫn cao ở những mạch vòng ngắn và tốc độ thấp tƣơng đối ở các mạch vòng dài hơn. 1.1 Các modem băng thoại và DSL [1], [2] Các modem băng thoại lần đầu tiên đƣợc đƣa ra vào cuối thập kỷ 50 để truyền dữ liệu qua mạng điện thoại công cộng (PSTN). Từ "modem" xuất phát từ Modulator - Demodulator (bộ điều chế và bộ giải điều chế) Truyền dữ liệu qua mạng PSTN phải đƣợc điều chế bởi vì PSTN không truyền tần số dƣới 200Hz. Số liệu không điều chế yêu cầu truyền tần số tiến tới 0Hz. Trên thực tế, modem chuyển đặc tính tần số của số liệu giống với tín hiệu thoại để truyền qua mạng PSTN. Mạng PSTN truyền tín hiệu từ 200Hz tới 3.400Hz. Do đó, tín hiệu điều chế giống nhƣ một cuộc gọi thông thƣờng với mạng PSTN. Mô hình tham chiếu modem băng thoại đƣợc cho trong hình 1.1 CO Modem TALK / DATA TA LK PSTN CO RS CS TR RD TD CD Modem TALK / DATA TA LK RS CS TR RD TD CD Hình 1 . 1 Mô hình tham chiếu modem băng thoại Sau đây ta sẽ sơ lƣợc qua lịch sử phát triển của modem băng thoại. Một trong các modem đầu tiên, AT&T Bell 103 truyền song công không đồng bộ ở tốc độ 300bit/s sử dụng kỹ thuật khoá di tần FSK. Vài năm sau đó, modem Bell 202 tăng tốc độ lên 1200bit/s và sử dụng kỹ thuật FSK bán song công. Vào cuối năm 1973 Công ty Vadic đƣa ra VA3400, modem song công thực sự đầu tiên sử dụng PSK (khoá di pha). Vài năm sau nữa Bell 212 và CCITT V22 1200bit/s song công, sử dụng kỹ thuật PSK cũng đƣợc đƣa ra. Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 6 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần Năm 1981, V22bis có tốc độ 2400bit/s, song công V32 sử dụng mã hoá trellis và có tiến một bƣớc quan trọng là truyền thông tin theo hai hƣớng sử dụng cùng một tần số. Các modem trƣớc V32 sử dụng tần số phát khác tần số thu (FDM). V32 đạt đƣợc tốc độ 9.600 bit/s. Sau đó, V34 xuất hiện, tối ƣu hoá tần số sử dụng, dạng chùm, mã hoá theo kênh cho phép truyền tới tốc độ 28,8 kbit/s, song công. Năm 1995, modem V34 33,6kbit/s đƣợc dƣa ra thị trƣờng, modem này sử dụng độ rộng băng tần lên tới 3,6kHz. Về mặt kỹ thuật, lớn hơn độ rộng băng tần truyền thống là 3,4kHz. Tuy nhiên, V34 có thể hoạt động ở độ rộng băng tần thấp hơn bằng cách giảm tốc độ truyền. Truyền 33,6 kbit/s trong giải băng tần 3,6kHz, nhƣ vậy modem V34 truyền gần 10bit/s/Hz, thành công này đã đƣợc coi là tiến gần đền giới hạn lý thuyết của truyền số liệu trong băng thoại. Vào cuối năm 1996, các modem PCM 56kbit/s xuất hiện, đƣợc chuẩn hoá bằng tiêu chuẩn ITU V90. Modem PCM là không đối xứng bởi vì nó hỗ trợ tốc độ thu 56kbit/s (về phía khách hàng) và phát ở 33,6kbit/s. Trên thực tế, modem PCM rất hiếm khi đạt tốc độ trên 50kbit/s do hạn chế công suất truyền, các chuyển mạch trung gian và các suy giảm truyền dẫn nhƣ các cuộn cân bằng cáp. Khi có đƣờng truyền số trực tiếp (không chuyển đổi tƣơng tự) từ nguồn số tới modem PCM nối vào mạng của đƣờng dây thuê bao. tốc độ truyền modem PCM có thể vƣợt quá 33,6kbit/s bằng cách truyền trực tiếp tín hiệu số thành tín hiệu phát đi không bị ảnh hƣởng của nhiễu lƣợng tử hoá. Thu ph¸t DSL M¹ch vßng Thu ph¸t DSL Trung kÕ CO Ph¹m vi thuª bao DSL A Thu ph¸t DSL M¹ch vßng Thu ph¸t DSL CO Ph¹m vi thuª bao DSL B Hình 1 .2 Mô hình tham chiếu đầu cuối - đầu cuối DSL Cấu hình mạng modem PCM khác với PSTN của modem băng thoại thế hệ trƣớc. ở phía mạng, modem PCM phải có 1 đƣờng số nối trực tiếp tới bộ chuyển đổi tƣơng tự-số (CODEC) nối vào đƣờng dây điện thoại của ngƣời sử dụng modem PCM. Modem này hoạt động trên mạng PSTN nhƣ một cuộc gọi quay số thông thƣờng. Modem PCM giống DSL ở chỗ cần có một đƣờng nối số từ mạng tới giao diện thuê bao nhƣng khác mô hình DSL (xem hình 1.2) ở chỗ cuộc gọi đƣợc thực hiện giống nhƣ điện thoại thông thƣờng. Về mặt cấu Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 7 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần trúc modem PCM đƣợc coi là lai giữa DSL và modem băng thoại truyền thống. Modem PCM có thể sử dụng độ rộng băng tần tới 4kHz. Giới hạn cơ bản của Modem băng thoại là ở bộ CODEC đặt tại tổng đài nội hạt hoặc ở đầu cuối mạch vòng số (DCL). CODEC chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự trên đƣờng dây thoại sang tín hiệu số 64kbit/s bằng điều chế xung mã. Modem băng thoại sử dụng trong mạng PSTN không vƣợt quá 64kbit/s Ƣu điểm quan trọng của Modem là có thể triển khai ở khắp mọi nơi. Một Modem có thể nối tới bất cứ một đƣờng dây điện thoại nào và ngay lập tức có thể gọi tới hàng triệu đƣờng dây điện thoại khác đã có Modem nối vào. Các Modem rẻ hơn thiết bị DSL và dễ dàng lắp đặt. Tuy nhiên, nó chỉ làm việc với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ thấp phù hợp với khả năng của modem băng thoại. Nhƣợc điểm khác của modem là các cuộc gọi bị khoá dẫn tới trạng thái quá tải của tổng đài nội hạt, nó không có khả năng nối nhiều hƣớng cùng một lúc và tỷ lệ lỗi cao. Các hạn chế này của modem đã đƣợc DSL khắc phục. Sự khác biệt cơ bản giữa modem băng thoại và DSL là modem hoạt động trên toàn bộ đƣờng nối giữa hai đầu cuối của mạng PSTN, trong khi đó DSL chỉ hoạt động ở mạch vòng nội hạt. Nhƣ đã chỉ ra ở hình 1.1, đƣờng truyền dẫn modem băng thoại có thể bao gồm mạch vòng nội hạt cho ngƣời sử dụng A, chuyển mạch nội hạt, chuyển mạch trung kế, chuyển mạch nội hạt khác để nối tới ngƣời sử dụng khác, và cuối cùng là mạch vòng nội hạt cho ngƣời sử dụng B. Ngƣợc lại, đƣờng truyền dẫn DSL chỉ bao gồm một mạch vòng nội hạt từ địa điểm ngƣời sử dụng tới tổng đài nội hạt gần đó. Điểm phân biệt cơ bản khác giữa modem và DSL là DSL giữ thông tin ở dạng số từ cổng đầu cuối này đến cổng đầu cuối kia. Ngƣợc lại modem truyền tín hiệu số của ngƣời sử dụng qua PSTN ở dạng tƣơng tự. Với DSL, tín hiệu sẽ đƣợc tái tạo lại mỗi chặng qua mạng công cộng, do đó sự suy giảm tín hiệu tƣơng tự không bị tích luỹ ở mỗi chặng. Đối với khách hàng sử dụng mạch vòng số DLC hoặc hệ thống đầu cuối xa, DSL mở rộng từ khu vực khách hàng tới khu vực DLC (xem hình 1.3). DLC và DLC thế hệ mới (NGDLC) đƣợc dùng để phục vụ các khách hàng ở quá xa. Thiết bị DLC có thể đặt ở ngoài đƣờng hoặc dƣới lòng đất, nơi xa hoặc trong các toà nhà. Hệ thống DLC có thể nối từ 20 đến 2000 khách hàng vào 1 trung kế, nối tới chuyển mạch trung tâm CO. Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 8 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến PhÇn cßn l¹i cña m¹ng ®Çu cuèi ®Çu cuèi Trung kÕ Trung kÕ Trần Thu ph¸t DSL M¹ch vßng CO Thu ph¸t DSL DLC Ph¹m vi thuª bao DSL B Hình 1.3 Mô hình tham chiếu DSL có mạch vòng số DLC Một DSL bao gồm 1 đƣờng dây đồng trực tiếp nối từ thuê bao tới thiết bị mạng gần nhất. Một ngoại lệ của nguyên tắc này là bộ lặp trung gian đƣợc sử dụng để mở rộng phạm vi của DSL bằng cách lắp thiết bị thu phát lại ở giữa mạch vòng nội hạt (hình 1.4). Bộ lặp DSL nhận nguồn 1 chiều từ CO qua đôi dây cáp đồng cùng với dây truyền dữ liệu. PhÇn cßn l¹i cña m¹ng ®Çu cuèi ®Çu cuèi Trung kÕ Thu ph¸t DSL M¹ch vßng Repeater M¹ch vßng Thu ph¸t DSL CO Ph¹m vi thuª bao DSL B Hình 1.4 Mô hình tham chiếu DSL có sử dụng bộ lặp Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 9 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần Max 54 Mbit/s VDSL Max 7 Mbit/s VDSL 300 bit/s Bell 103 1200 bit/s Bell 202 2400 bit/s V.22 1955 1970 1981 64 kbit/s ISDN 1.5/2 Mbit/s HDSL 1986 1992 28.8 56 kbit/s kbit/s V.34 PCM 1993 1996 1997 1999 Hình 1.5 Tóm tắt lƣợc sử phát triển các modem băng thoại và DSL 1.2 Các chế độ truyền dẫn Có rất nhiều chế độ truyền dẫn, việc phân chia ra các chế độ truyền dẫn này dựa trên một vài quan điểm khác nhau. Việc sử dụng chế độ truyền dẫn nào lại phụ thuộc vào ứng dụng và đặc tính kênh truyền. Sau đây ta sẽ khảo sát qua các chế độ truyền dẫn hiện nay. 1.2.1 Hướng Truyền dẫn đơn công là truyền theo 1 hƣớng từ nguồn tới đích, ví dụ của truyền dẫn đơn công là phát thanh quảng bá, mạch chuông báo động. Hầu nhƣ tất cả ứng dụng DSL đều đòi hỏi truyền hai hƣớng. Do vậy, truyền dẫn đơn công thƣờng không sử dụng cho DSL. Tuy nhiên có thể mô tả T1 nhƣ một ví dụ của truyền dẫn đơn công khi quan niệm T1 bao gồm hai đƣờng đơn công Đơn công ngƣợc chiều nhau. Truyền dẫn bán song công truyền theo chu kỳ từ trạm A đến trạm B và ngƣợc lại. Vì vậy, tại mỗi thời điểm thông tin đƣợc chuyển theo 1 hƣớng (đơn công). Truyền dẫn hai hƣớng đƣợc thực hiện bằng các bộ thu phát ở hai đầu dây nhận biết ―đến lƣợt‖ và chuyển vai trò phát hoặc thu. ở các ứng dụng ban đầu của truyền dẫn bán song công, 1 bản tin đƣợc gửi trƣớc khi đƣờng dây ―đến lƣợt‖. Một số hệ thống DSL áp dụng bán song công cải tiến gọi là nén ghép kênh theo thời gian (TCM). TCM giảm thời gian luân chuyển còn vài ms. Các Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 10 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần ví dụ truyền dẫn bán song công là điện báo, phát thanh hai hƣớng sử dụng cùng tần số. Bán song công Truyền dẫn song công gửi thông tin liên tục theo hai hƣớng đồng thời. Ví dụ thoại truyền thống, modem băng thoại, ISDN cơ bản (ANSI T1. 601) và DSL. Hầu hết các dịch vụ DSL đòi hỏi truyền dẫn song công (có thể là đối xứng hoặc không đối xứng). Có 4 phƣơng thức song công khác nhau: song công 4 dây, triệt tiếng vọng, song công phân chia theo thời gian, song công phân chia theo tần số. Song công Song công 4 dây sử dụng hai đôi dây xoắn, mỗi đôi cho một hƣớng truyền. Song công 4 dây còn đƣợc gọi là ―đơn công đôi‖ bởi vì ta có thể quan niệm đây là hai kênh truyền dẫn đơn công. Nhƣợc điểm rõ ràng của phƣơng pháp này là cần tới 2 đôi dây thay vì một đôi nhƣ các phƣơng pháp khác. Song công 4 dây thƣờng đƣợc sử dụng trong một số modem HDSL hiện đại tốc độ 2,048 Mb/s với cự ly xấp xỉ khoảng 4km. Hai hƣớng truyền dẫn này thƣờng sử dụng hai đôi dây nằm trong các bó cáp khác nhau để tránh xuyên nhiễu. Song công triệt tiếng vọng cho phép đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu của song công 4 dây trên một đôi dây xoắn. Triệt tiếng vọng là dạng phổ biến nhất của ghép kênh trong DSL hiện đại, đƣợc chuẩn hoá để sử dụng trong ISDN, HDSL, ADSL. ―Tiếng vọng‖ có thể hiểu là sự xâm nhập của tín hiệu phát vào bộ thu đầu gần. Các bộ triệt tiếng vọng phải có khả năng loại bỏ tiếng vọng khoảng 50dB hoặc cao hơn đối với ISDN, khoảng trên 60dB đối với HDSL và trên 70dB đối với ADSL. Các mức độ triệt tiếng vọng đòi hỏi phải khác nhau là vì các dịch vụ DSL sử dụng các băng tần khác nhau, các dịch vụ sử dụng băng tần cao hơn thì tín hiệu cũng bị suy giảm nhiều hơn do vậy để đảm bảo tiếng vọng không vƣợt quá tín hiệu mong muốn thu đƣợc thì các dịch vụ DSL sử dụng băng tần cao hơn sẽ phải có bộ triệt tiếng vọng tốt hơn. Phƣơng pháp triệt tiếng vọng cho phép hai hƣớng sử dụng cùng một tần số. Ƣu điểm của cách này là ta có thể sử dụng đƣợc băng tần thấp nhất khi đó hạn chế Song công không đối xứng đƣợc suy hao tín hiệu và nhiễu tần số vô tuyến. Truyền song công không đối xứng đƣợc sử dụng cho thuê bao số không đối xứng. Thông tin truyền đồng thời theo hai hƣớng nhƣng tốc độ truyền từ ngƣời sử dụng đến mạng thấp hơn tốc độ truyền từ mạng về phía ngƣời sử Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 11 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần dụng. Điều này cho phép thu dữ liệu tốc độ cao trên đoạn đƣờng xa hơn, do giảm thiểu xuyên nhiễu đầu gần (NEXT) giữa các DSL. 1.2.2 Đồng bộ Truyền dẫn đồng bộ gửi các bit liên tục. Bộ thu DSL sẽ tách tín hiệu định thời từ dòng bit nhận đƣợc. Truyền dẫn đồng bộ và không đồng bộ có thể áp dụng cho truyền dẫn đơn công, bán song công và song công. Thông thƣờng các DSL sử dụng truyền dẫn đồng bộ. Đồng bộ Truyền dẫn không đồng bộ truyền các đơn vị (là các ký tự hoặc các khối) cùng với cờ báo sự bắt đầu của mỗi đơn vị. Nhƣ vậy theo định nghĩa này thì ATM đƣợc coi là truyền đồng bộ ở mức bit nhƣng không đồng bộ ở mức tế Không dồng bộ bào, do sự bắt đầu của mỗi tế bào ATM có thể là bất kỳ bit nào. 1.2.3 Kênh Các DSL phải chuyển tải nhiều hơn một kênh thông tin, trong đó mỗi kênh phải cho một ứng dụng và dịch vụ khác nhau. ISDN có 2 kênh cho thoại/dữ liệu, 1 kênh D cho báo hiệu và kênh khai thác đƣợc ghép vào (EOC) để vận hành và bảo dƣỡng. HDSL có 1 kênh lớn và 1 kênh EOC. ADSL có các kênh dữ liệu, 1 kênh EOC và 1 dải tách biệt cho dịch vụ thoại tƣơng tự. Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) là phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng nhất để chuyển tải nhiều kênh thông tin. Thông tin đƣợc đƣa vào các khung có chiều dài cố định và có số bit cố định dành cho mỗi kênh. Để giảm trễ, số bit ở mỗi kênh đƣợc chia thành một vài khối nhỏ hơn và sau đó đƣa vào các khung. Các khung này lại có thể tổ chức thành các siêu khung tạo thành kênh có tốc độ thấp (EOC là một ví dụ). Ngoài việc truyền ghép kênh thông tin theo một hƣớng, TDM còn sử dụng nhƣ phƣơng pháp song công, thông tin lần lƣợt đƣợc phát và thu. Trong DSL phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là truyền dẫn phân đoạn ―ping-pong‖ hay ghép kênh nén theo thời gian và gần nhƣ loại bỏ đƣợc hiện tƣợng tự xuyên nhiễu đầu gần NEXT vì bộ thu sẽ không nhận khi bộ phát đang phát. Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) đặt mỗi kênh một dải tần số riêng biệt. Vì vậy tất cả các kênh đều đƣợc gửi cùng một lúc. ADSL sử dụng FDM Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 12 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần bằng cách sử dụng tần số thấp cho thoại và tần số cao cho dữ liệu Thiết kế FDM cần cân nhắc giữa độ phức tạp thiết kế các bộ lọc và lƣợng phổ tần số cho các dải bảo vệ. Trên thực tế, FDM không đƣợc sử dụng nhiều do sự thay đổi trong suy giảm đƣờng truyền có thể dẫn đến việc không đảm bảo băng thông cho hai hƣớng. FDM là một phƣơng thức hạn chế ảnh hƣởng tự xuyên nhiễu đầu gần do băng tần hƣớng lên và hƣớng xuống không chồng lấn nhau Ghép kênh theo không gian chỉ đơn giản đặt mỗi kênh trên tập hợp tách biệt các dây. Sự đơn giản này chỉ thích hợp cho việc truyền các tín hiệu trên những khoảng cách vài cm, nhƣng giá thành của những dây này và các bộ thu phát bổ sung cho những dây này ngày càng đắt. Để giảm tối đa giá thành tổng thể, DSL chủ trƣơng đặt tất cả thông tin trên 1 đôi dây. Tuy nhiên, với một vài ứng dụng ta có thể sử dụng nhiều hơn một đôi dây để đạt đƣợc tốc độ cao hơn và khoảng cách lớn hơn ví dụ HDSL sử dụng 2 đôi dây (cho tốc độ 1,5Mb/s), 3 đôi dây (cho tốc độ 2Mb/s). 1 2.4 Mô hình đơn và đa điểm Các DSL là hệ thống truyền dẫn điểm nối điểm. Một bộ thu phát đƣợc nối vào mỗi đầu cuối của đôi dây. Một đầu có thể đặt tại công ty điện thoại ví dụ tại chuyển mạch trung tâm và đầu kia đặt tại phía khách hàng. So sánh với hệ thống đa điểm, truyền dẫn điểm nối điểm đơn giản, có độ tin cậy và bảo mật cao. Mô hình điểm nối điểm dành một dải thông nhất định cho mỗi thuê bao. Với hệ thống chuyển mạch thích hợp đặt ở trung tâm thì dung lƣợng cho mỗi thuê bao đƣợc duy trì không đổi khi số lƣợng nút trong mạng tăng lên. Hệ thống điểm nối đa điểm bao gồm trạm thu phát trung tâm (chủ) liên lạc với các cổng nối đa hƣớng. Các cổng này không trực tiếp liên lạc với nhau. Hệ thống truyền hình cáp đồng trục là một ví dụ điển hình cho mô hình truyền dẫn này. Trong mô hình đa điểm nối đa điểm các cổng có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Các hệ thống đa điểm thích hợp cho các khoảng cách ngắn còn hệ thống điểm nối điểm thích hợp cho các khoảng cách lớn hơn. Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 13 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần 1.3 Các phương thức điều chế dùng trong DSL 1.3.1 Mã hoá băng gốc Mã hoá băng gốc khác với mã hoá băng thông ở chỗ các mã hoá băng gốc cho phép truyền năng lƣợng tại DC, trong khi mã hoá băng thông truyền tại dải tần số khác DC (khác 0). Các mã hoá đƣờng dây băng gốc có trong các thế hệ DSL đầu tiên nhƣ: T1, ISDN, HDSL. 2B1Q Mã này đƣợc sử dụng nhiều trong ISDN, HDSL. Tên của mã, 2B1Q xuất phát từ việc gợi nhớ cách mã hoá ―2 bit/ một phần tƣ chu kỳ‖. Số các bit trong nhóm là b=2 và mỗi nhóm bit tƣơng ứng với một trong 4 giá trị mẫu dữ liệu nhƣ trong bảng ánh xạ sau đây. m 3 2 1 0 Tổ hợp bit 10 11 01 00 Mức tín hiệu (V) 2,7 0,9 -0,9 -2,7 PAM Điều chế biên độ xung, PAM là một sự khái quát hoá của 2B1Q, nó có M  2b , b  1,...,  . PAM mức 8 hay 3B1O có thể đƣợc sử dụng trong các hệ thống HDSL, HDSL-2, tốc độ ký hiệu của HDSL-2 3B1O là 517,3kHz và do vậy tốc độ dữ liệu của modem này là 1,552 Mb/s. AMI Mã chuyển dấu kế tiếp, AMI đƣợc sử dụng trong các đƣờng dây T1,E1. Hàm điều chế cơ bản phụ thuộc vào các ký hiệu dữ liệu quá khứ, trong đó bit ‗1‘ gây ra đảo cực +1 hoặc -1, ‗0‘ không làm thay đổi, hay ta có ánh xạ sau: 1  1,0  0 . [16] Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 14 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần 1.3.2 Mã hoá băng thông Mã hoá băng thông đƣợc sử dụng nhiều trong DSL, loại mã hoá này không có năng lƣợng tại hoặc gần mức DC. QAM Điều chế biên độ cầu phƣơng QAM, là phƣơng pháp điều chế hai chiều, N=2. Sử dụng hai hàm cơ bản: 1  t   2 2   t  cos  2 f ct  và  2  t     t  sin  2 f ct  . T T Đối với truyền dẫn liên tục, QAM đƣợc thực hiện nhƣ sau: x t   2  x1,k t  kT  cos  2 fct   x2,k t  kT  sin  2 fct  T k Các xung QAM chịu sự suy yếu nghiêm trọng khi áp dụng trên các đƣờng dây DSL, do vậy, QAM thƣờng đƣợc sử dụng trong truyền dẫn modem băng thoại khi mà ở đó các đặc tính đƣờng dây có ít sự biến động trên các băng tần nhỏ từ 3 đến 4 kHz. CAP Điều chế biên độ/pha không sóng mang, CAP là một sự cải tiến của QAM. Cũng với hai hàm cơ bản nhƣ trong điều chế QAM, nhƣng sóng mang đƣợc loại bỏ trƣớc khi truyền, truyền dẫn liên tục CAP đƣợc thể hiện nhƣ sau: x t   2  x1,k t  kT  cos  2 fc t  kT   x2,k t  kT  sin  2 fc t  kT  . T k DMT Đa tần rời rạc, DMT là hệ thống đa sóng mang sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp và truyền dẫn song song đồng thời. Phƣơng pháp này có thể sử dụng FDM để truyền trên các băng con. Mã hoá đa kênh đòi hỏi phải có tính trực giao giữa các băng con và phép biến đổi Fourier nhanh là một ứng dụng tuyệt vời để tạo và giải điều chế các sóng mang trực giao này. Phƣơng pháp này chia giải thông thành các phần nhỏ hơn. Theo chuẩn T1.413 của ANSI, DMT chia băng thông thành 256 kênh nhỏ, mỗi kênh có độ rộng 4 kHz. Các kênh này đƣợc điều chế độc lập từ 0 đến tối đa 15b/s/Hz, điều này cho phép lên tới tối đa 60 kb/s trên mỗi băng con. ở tần số thấp, khi suy hao đƣờng dây thấp và tỷ lệ SNR cao, thông thƣờng mật độ sử dụng sẽ cao hơn so với khu vực tần số cao. DWMT(Discrele Wavelet Multitone) là một lƣợc đồ mã hoá dựa trên ý tƣởng của DMT, nó cũng chia kênh truyền thành các kênh nhỏ để sử dụng những phần phổ tần số không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu. Trong khi DMT sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh để mã hoá đa kênh thì DMWT lại sử Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 15 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần dụng thuật toán biến đổi Wavelet. Đây là một cải tiến của DMT nhằm tối ƣu hoá việc sử dụng phổ tần số. CHUƠNG 2 CÁC LOẠI xDSL Lược sử về DSL Ta có thể quan niệm rằng các đƣờng trung kế T1, E1 và các đƣờng dịch vụ dữ liệu số DDS cũng là các DSL. Mặc dù hệ thống E1, T1 ban đầu chỉ sử dụng làm trung kế giữa các trung tâm chuyển mạch (CO), sau này đã đƣợc mở rộng ra khu vực khách hàng. Đến ngày nay, các trung kế CO đã đƣợc truyền dẫn trên cáp quang hoặc viba nhƣng vẫn còn khá lớn các hệ thống T1, E1 chạy trên cáp thuê bao đến khu vực khách hàng. Một đƣờng truyền T1, E1 có 4 dây, 2 dây truyền thông tin đến khách hàng và 2 dây còn lại truyền thông tin từ phía khách hàng về. Truyền dẫn T1, E1 trên đƣờng dây thuê bao đã thể hiện một số nhƣợc điểm: giá thành cao, tốn thời gian lắp đặt và để giảm xuyên nhiễu đầu gần thì hai hƣớng thu và phát phải nằm ở hai bó cáp khác nhau nhƣ vậy phải cần hai bó cáp riêng biệt. Đƣờng dây T1 đƣợc thiết kế với mức suy hao tối đa là 15dB ở tần số 772 kHz cho CO (CO tới bộ lặp đầu tiên), suy hao tối đa 36dB từ bộ lặp tới bộ lặp và suy hao 22,5dB từ bộ lặp cuối cùng đến khách hàng. T1 sử dụng mã đƣờng dây AMI, so với các tiêu chuẩn ngày nay là không hiệu quả, AMI gửi 1bit/1baud, bên cạnh đó T1 còn sử dụng mức tín hiệu truyền dẫn cao do đó gây một mức xuyên nhiễu khá lớn sang các hệ thống khác trong phạm vi dải tần 100kHz đến 2MHz. ISDN BRI Mạng số đa dịch vụ ISDN đầu tiên hình thành vào năm 1976, tham vọng ban đầu của ISDN là đƣa ra một mạng thống nhất cho truyền dữ liệu và thoại. Để Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 16 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần phát triển hệ thống truyền dẫn, chuyển mạch, báo hiệu và khai thác ISDN đòi hỏi phải có sự nỗ lực rất lớn về tiền của và công sức. ISDN tập trung vào các dịch vụ thoại và chuyển mạch gói tốc độ thấp, tuy nhiên đây lại chính là nhƣợc điểm của nó. Mạng ISDN không thích hợp với mạng chuyển mạch gói tốc độ cao và thời gian chiếm giữ lâu mà nó lại là đặc tính của truy nhập Internet. BRI truyền tổng cộng 160 kbit/s thông tin số đối xứng trên mạch vòng có độ dài xấp xỉ 5500 m (18 kft) (hoặc suy hao 42 dB ở tần số 40 kHz). BRI đƣợc phân thành 2 kênh B 64 kbit/s, một kênh D 16 kbit/s và 16 kbit/s cho khung và điều khiển đƣờng dây. Kênh B có thể là chuyển mạch kênh hoặc chuyển mạch gói. Kênh D mang báo hiệu và gói dữ liệu ngƣời sử dụng. Một phần kênh dành cho hoạt động khai thác bảo dƣỡng (EOC) và các bit chỉ thị đƣợc chứa trong 8 kbit/s ở phần mào đầu. EOC truyền các gói dữ liệu về trạng thái đƣờng dây, các bộ thu phát. Truyền dẫn ISDN cơ bản điều chế dữ liệu bằng cách sử dụng xung 4 mức để biểu thị 2 bit nhị phân (2B1Q). Dữ liệu đƣợc truyền 2 hƣớng đối xứng sử dụng mạch sai động để triệt tiếng vọng. Kỹ thuật truyền dẫn trong băng cơ sở 2B1Q đơn giản gửi 160 kbit/s sử dụng dải tần 80 kHZ tức 2bit/1Hz. Các hệ thống BRI có thể làm việc trên mạch vòng có đoạn cầu rẽ và có tổng suy hao nhỏ hơn 42 dB ở tần số 40 kHz (yêu cầu mạch vòng không sử dụng cuộn cảm cân bằng). Đường dây bổ sung Thiết bị thu phát BRI có thể đƣợc sử dụng cho các ứng dụng phi ISDN nhƣ hệ thống đƣờng dây số bổ sung (DAML). Hệ thống DAML cho phép một mạch vòng truyền 2 mạch thoại. Xem hình 2.1. Các bộ mã hoá ở mỗi đầu hệ thống chuyển 64 kbit/s BRI kênh B truyền thống thành giao diện thoại tƣơng tự. Hệ thống DAML sử dụng công nghệ BRI có độ dài mạch vòng tối đa 5,5 Km, nếu dựa trên HDSL có thể truyền nhiều hơn 2 đƣờng thoại trên một đôi dây. POST POST ChuyÓn m¹ch néi h¹t Voice CODEC Voice CODEC Thu ph¸t DSL M¹ch vßng Thu ph¸t DSL Voice CODEC Voice CODEC 1 2 3 4 5 7 8 6 9 8 # * 1 2 3 4 5 7 8 6 9 8 # * CO Hình 2.1 Hệ thống đƣờng dây số bổ sung (DAML) IDSL Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 17 Luận văn tốt nghiệp cao học Trung Tuyến Trần Một ứng dụng phi ISDN khác của bộ thu phát BRI là IDSL (ISDN DSL), các kênh đối xứng BRI (128 kbit/s hoặc144 kbit/s) đƣợc kết hợp lại thành một kênh truyền dẫn gói dữ liệu giữa bộ định tuyến và máy tính của khách hàng. Phần lớn các dạng IDSL sẽ làm việc với ISDN NT tiêu chuẩn ở đầu cuối khách hàng. Khi này bộ chuyển mạch ISDN nội hạt sẽ đƣợc thay thế bởi bộ định tuyến gói. Cấu hình này đƣợc sử dụng cho truy nhập Internet. Các dịch vụ trên là điểm xuất phát cho sự bùng nổ của gia đình xDSL sau này. Sau đây ta sẽ xem xét qua gia đình xDSL đã phát triển trong thời gian qua. xDSL HDSL ADSL VDSL ChuÈn Më réng ChuÈn Më réng HDSL HDSL2 MVL SDSL MDSL IDSL ADSL 1-Meg modem CDSL EZ-DSL RADSL G.lite 2.1 HDSL Khái niệm ban đầu về HDSL (đƣờng dây thuê bao số tốc độ cao) xuất hiện vào năm 1986 ở phòng thí nghiệm AT&T Bell và Bellcore. Các thiết kế thiết bị thu phát HDSL về thực chất là thiết kế cho ISDN cơ bản ở mức cao hơn. Hệ thống HDSL mẫu xuất hiện năm 1989. Thiết bị HDSL đầu tiên đƣợc Bell Canada đƣa vào hoạt động vào năm 1992 do Công ty Tellabs Operation Inc sản xuất. Nhu cầu cho HDSL ngày càng rõ rệt khi hệ thống truyền dẫn El và T1 không chỉ còn đƣợc sử dụng nhƣ mục đích nguyên thuỷ là để nối liên đài cùng với sự dự đoán về việc phát triển nhanh chóng của các đƣờng dây riêng nối từ trung tâm chuyển mạch đến khách hàng. Hệ thống truyền dẫn Tl/El sử dụng các đôi dây điện thoại có giá thành rất cao. Phƣơng pháp truyền dẫn sử dụng El/T1 có năng lƣợng tín hiệu phát cao ở tần số từ 100 KHz tới hơn 2MHz, điều này đòi hỏi cần phải kết hợp các đƣờng dây Tl/El thành một nhóm tách biệt với nhiều dịch vụ khác. Ngoài giá thành đắt khi lắp đặt và bảo dƣỡng, các đƣờng dây Tl/El còn cần vài tuần để cung cấp dịch vụ tới khách Lớp K9D1 - Đại Học Công Nghệ 18