Voice over xDSL 02112015 wzor

Tomasz Rogowski Bogdan Miazga Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechnika Wrocławska

Voice over xDSL STRESZCZENIE W referacie przedstawiono przegląd zagadnień dotyczących przekazywania głosu w systemach xDSL. Zwrócono szczególną uwagę na problemy związane z dostarczaniem cyfrowych usług szerokopasmowych przez linię abonencką (parę miedzianą) z zachowaniem ciągłości istniejących usług telefonicznych klasy POTS, jak również kierunki ewolucji do całkowicie cyfrowej, zunifikowanej usługowo, szerokopasmowej pętli abonenckiej.

WSTĘP Pod pojęciem xDSL (Digital Subscriber Line) kryje się cała rodzina rozwiązań technicznych cyfrowego dostępu abonenckiego, wykorzystująca istniejące, skręcane pary miedziane. Obejmuje ona obecnie kilkanaście odrębnych technologii o różnych przepływnościach i zasięgach. Powstawanie kolejnych standardów jest rezultatem rozwoju technik przetwarzania i transmisji sygnałów cyfrowych realizowanych na symetrycznych parach miedzianych. Oprócz wykorzystania istniejącej infrastruktury sieci dostępowej, ogromną zaletą technik xDSL jest możliwość współistnienia, bez wzajemnego zakłócania się, usług szerokopasmowych i tradycyjnych usług telefonicznych klasy POTS (Plain Old Telephone Services) lub ISDN (Integrated Services Digital Network). RODZINA ROZWIĄZAŃ xDSL Techniki DSL można podzielić na trzy grupy: symetryczny DSL (m.in. IDSL), asymetryczny DSL (ADSL) i VDSL. Przegląd istniejących technologii przedstawiono na rysunku 1. Taka różnorodność rozwiązań pozwala oferować usługi transmisji głosu i danych dla bardzo zróżnicowanych grup użytkowników. ROZWIĄZANIA xDSL

SDSL

standard

IDSL HDSL HDSL2

ADSL

VDSL

warianty

standard

warianty

SDSL MDSL G.SHDSL

ADSL RADSL G.LITE

CDSL EZ-DSL

DSL (Digital Subscriber Line) IDSL (ISDN DSL) HDSL (High Speed DSL) MDSL (Multirate DSL)

standard

warianty

VDSL

?

RADSL (Rate Adaptive DSL) CDSL (Consumer DSL) VDSL (Very High DSL) SDSL (Symetric/Single Pair DSL) EZ-DSL (Easy/splitterless DSL)

Rys. 1. Standardy i warianty rozwiązań xDSL.

Najbardziej rozpowszechnioną w Europie techniką cyfrowego dostępu abonenckiego jest IDSL. Rozwiązanie to jest dedykowane dla użytkowników korzystających głównie z usługi telefonicznej (POTS) lub zbyt oddalonych od węzła dostępowego lub centrali telefonicznej, aby istniała obecnie możliwość zastosowania ADSL lub HDSL. Pozwala ono również abonentom, którzy wykorzystywali dotychczas ISDN wyłącznie dla połączeń głosowych, realizować usługi transmisji danych (np. dostęp do sieci Internet) bez dodatkowych inwestycji w wyposażenie abonenckie (CPE - Customer Premises Equipment). Typowe przepływności oferowane w tej technice wynoszą 128 kbit/s (2B) lub 144 kbit/s (2B + D na dostępie BRA) w symetrycznym dupleksie. Rozwiązania SDSL o większych przepływnościach (np. HDSL, MDSL) są bardziej atrakcyjne dla klientów biznesowych i pozwalają na realizację usług zdalnego dostępu (np. telepraca, wideokonferencje, telenauczanie itp.). Przepływności do 1,5 Mbit/s od i do klienta (np. telepracownika), pozwalają na kreowanie połączeń typu LAN z usługami VPN. Zdalni pracownicy mają wówczas zapewniony dostęp do usług sieci korporacyjnej i zasobów serwerów przez szybkie i symetryczne łącza. Dla użytkowników Internetu bardziej odpowiedni dostęp do zasobów zapewnia ADSL. Technika ta może zaspokajać potrzeby dużego rynku odbiorców domowych, a asymetryczny charakter połączeń jest idealny do korzystania z usług WWW (World Wide Web) lub VoD (Video on Demand). Standardowa wersja ADSL zapewnia przepływność do 8 Mbit/s do użytkownika (downstream) i do 640 kbit/s od użytkownika (upstream), a wersja bezspliterowa odpowiednio 1,5 Mbit/s i 640 kbit/s. W wyniku dużego zainteresowania użytkowników i bogatej oferty sprzętowej, technika ta jest w stanie konkurować z rozwiązaniami oferowanymi przez modemy kablowe. Cyfrowa pętla abonencka o bardzo dużej przepływności VDSL (Very high data rate DSL) należy do najszybszych technologii z rodziny xDSL wykorzystujących pojedynczą parę miedzianą. Poza udostępnianiem usług oferowanych przez ADSL i SDSL, rozwiązania VDSL pozwolą operatorom telekomunikacyjnym na transmisję szerokopasmową, m. in. sygnałów telewizji wysokiej rozdzielczości HDTV (High Definition Television). Standardy dotyczące VDSL są wciąż opracowywane. Możliwości transmisyjne rozwiązań xDSL i przykładowe aplikacje przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Możliwości transmisyjne rozwiązań DSL. Technologia

Przepływność w kierunku do abonenta

Przepływność Przykładowe w kierunku od aplikacje abonenta

Modemy analogowe V.22, V.34, V.90

1,2 kbit/s do 56 kbit/s

symetryczne, asymetryczne

ADSL (Asymmetric

Digital Subscriber Line)

1,544 Mbit/s do 6 km odległości 2,028 Mbit/s do 5,2 km odległości

od 16 do 640k bit/s

wymiana danych dostęp do sieci Internet, usługi multimedialne

6,312 Mbit/s do 4 km odległości 8,448 Mbit/s do 3 km odległości

IDS (ISDN DSL)

128 kbit/s, 144 kbit/s do 10 km

symetryczne

usługi ISDN

SDSL (Symmetric (Single) SDL)

od 160 kbit/s do 2,3 Mbit/s

symetryczne

dostęp E1 do LAN, WAN

G.lite SDL

1,544 Mbit/s, ADSL bez spliterów

640k bit/s

dostęp do sieci Internet

HDSL (High bit rate DSL)

n x 64 kbit/s do 2,028 Mbit/s, E1

symetryczne

dostęp E1 do LAN, WAN

VDSL (Very high bit rate DSL)

12,96 Mbit/s do 1,5 km odległości

symetryczne, asymetryczne

dostęp do sieci Internet, usługi multimedialne, HDTV

25,82 Mbit/s do 1km odległości 51,48 Mbit/s do 350 m odległości

WSPÓŁISTNIENIE PRZEKAZU GŁOSU I DANYCH W PĘTLI ABONENCKIEJ Sieci cyfrowe z integracją usług ISDN o przepływnościach 128 kbit/s (BRA) i 2,048 Mbit/s (PRA), rozwijane głównie w Europie, stały się pierwszą techniką cyfrowego przekazu głosu w sieci dostępowej. Chociaż poszczególne techniki xDSL wykorzystują inne metody transmisji danych i głosu, dostarczają użytkownikowi podobnych usług telekomunikacyjnych. W związku z tym mogą one rywalizować między sobą o „głos klienta”, koegzystować obok siebie (np. ISDN + ADSL) lub dążyć do integracji zapewniając użytkownikowi dostęp do sieci szerokopasmowej BISDN (Broadband ISDN) opartej na protokole ATM (Asynchronous Transfer Mode). Rysunek 2 przedstawia możliwości współistnienia na łączu abonenckim technologii ISDN i ADSL. POTS

A

ADSL (up) 0 4

40

ADSL (down) (DMT, CAP) 100

f [kHz] 1100

A ADSL (down) (DMT, CAP)

ISDN (4B3T)

0

120

f [kHz] 1100

A ISDN (2B1Q) 0

ADSL (down) (DMT, CAP) 80

f [kHz] 1100

DMT - Discrete Multitone Technology CAP - Carrierless Amplitude and Phase Modulation

Rys. 2. Różne warianty świadczenia tradycyjnej usługi telefonicznej z wykorzystaniem techniki xDSL. Dostęp podstawowy (64/128 kbit/s) w sieci cyfrowej ISDN-BRA (IDSL) można zrealizować wykorzystując dowolny rodzaj mediów (para miedziana, światłowód lub łącze radiowe), a w celu zwiększenia długości łącza stosuje się regeneratory sygnału. Ponadto istnieje możliwość agregowania sygnałów cyfrowych i transmisji informacji poprzez sieci optyczne na dowolne odległości. Dostępna jest również aplikacja sieci ISDN pozwalająca na bardziej efektywną współpracę z siecią Internet – usługa AO/DI (Always On / Dynamic ISDN). W tym rozwiązaniu dynamiczna alokacja kanałów B do jednoczesnej obsługi połączeń telefonicznych, telefaksowych, czy internetowych eliminuje problem zajętości łącza cyfrowego w kierunku do i z sieci z możliwością utrzymania trwałego połączenia do sieci Internet w kanale D. Sposób działania usługi AO/DI ilustruje rysunek 3.

SIEĆ PAKIETOW A (INTERNET) Telefon 2 kanały B 128 kbit/s Telefax

aplikacja AO /DI

NT

kanał D 16 kbit/s

Serwer SIEĆ PSTN

Komputer

1

2

3

4

5

6

7

8

9

*

8

#

Telefon ISDN

Rys. 3. Usługa VoDSL realizowana w środowisku ISDN wykorzystująca AO/DI. Istotną zaletą rozwiązań xDSL (z wyjątkiem IDSL) jest możliwość przesyłania informacji ze znacznie większymi szybkościami sięgającymi nawet 50 Mbit/s w kierunku do abonenta i około 2Mbit/s w kierunku sieci. Głównym ograniczeniem wykorzystania technik xDSL jest odległość pomiędzy abonentem, a węzłem dostępowym lub centralą. Stosowanie regeneratorów w rozwiązaniach xDSL (z wyjątkiem rodziny SDSL) nie jest praktycznie możliwe, głównie z powodu bardzo wysokiej ceny. Integracja techniki ISDN i xDSL pozwala na zachowanie zalet obydwu rozwiązań: przekazu głosu z zachowaniem jakości dostępnej w sieci komutacji kanałów niezależnie od odległości oraz dostępność szerokiego pasma dla usług transmisji danych. Co więcej metodę tę można stosować także do wydzielenia połączeń głosowych POTS z przekazów ADSL z zachowaniem możliwości korzystania z dotychczasowych usług telefonicznych. - splitter tradycyjny (xDSL/POTS, xDSL/ISDN) para miedziana

rozgałęźnik (splitter) MODEM xDSL

FG FD

U

Komputer NT

Telefon

S - splittery rozproszone para miedziana POTS

- bez splittera (xDSL over POTS) para miedziana POTS

FG

MODEM xDSL

FD

FG

Komputer Telefon

MODEM xDSL Komputer Telefon

Rys. 4. Rozwiązania wyposażeń abonenckich udostępniających POTS na łączach xDSL.

Dynamiczny rozwój technologii DSL powoduje powstawanie wielu niespójnych rozwiązań. Ta różnorodność jest przyczyną problemów z integracją dostępnych urządzeń na poziomie technicznym i usługowym. W technologii xDSL do wydzielenia strumienia ADSL stosuje się filtry górnoprzepustowe, a do wydzielenia kanału POTS lub ISDN filtrów dolnoprzepustowych. Filtry te mają, w zależności od rozwiązania i producenta, różne charakterystyki przenoszenia i częstotliwości graniczne. Rozwiązania wyposażeń abonenckich udostępniających POTS na łączach xDSL ilustruje rysunek 4. VOICE OVER DSL (VoDSL) Pierwsze opracowania komercyjne technologii xDSL (Bellecore), wprowadzone w USA, były przeznaczone wyłącznie do świadczenia usługi VoD z przepływnością 1,5 Mbit/s i skomprymowanych sygnałów audio i wideo – 64 kbit/s. Pozytywne doświadczenia z testów i eksploatacji tych sieci pozwoliły rozszerzyć zakres oferowanych usług, nie tylko o połączenia głosowe, ale również o usługi pakietowe. W rozwiązaniu firmy Bellecore zastosowano dyskretną modulację wielotonową DMT (Discrete Multitone Technology), uznaną w 1995 roku za międzynarodowy standard (ANSI, ETSI, ITU). Alternatywnym sposobem modulacji sygnałów szerokopasmowych stosowanym w xDSL jest CAP (Carrierlees Amplitude and Phase Modulation). Zastosowanie modulacji CAP umożliwia teoretycznie nieograniczone szybkości transmisji dzięki zwiększaniu ilości punktów znamiennych (konstelacji sygnałów), ale pojawiają się techniczne problemy z zapewnieniem wymaganego, minimalnego stosunku S/N. Stosowane w rozwiązaniach xDSL techniki modulacji przedstawiono na rysunku 5. 2B1Q

U

CAP

DMT A

+3

10

+1

11

-1

01

-3

00

duobity informacji

punkty konstelacji (16) f [kHz]

podnośne

Rys. 5. Przykłady modulacji stosowanych w xDSL. Technika ADSL, podobnie jak wszystkie pokrewne rozwiązania DSL, zapewniają bardzo elastycznie usługi transportowe dla aplikacji takich jak: dostęp do sieci Internet, dostęp do sieci LAN, telewizja kablowa, teleedukacja, itp. Zdecydowanie najważniejszą obecnie aplikacją kształtującą rozwój xDSL jest usługa VoDSL. Technologia konwersji połączeń głosowych do formatu pakietów, multipleksacja i ich transmisja przez pojedynczą parę miedzianą pozwala na zmniejszenie kosztów połączeń telefonicznych dla klientów z sektora małego biznesu i użytkowników domowych. Rozwiązania DSL są dedykowane dla sieci pakietowych i pozwalają aplikacjom VoDSL na wykorzystanie dodatkowej przepływności dostarczanej przez łącza DSL zarówno dla dodatkowych kanałów głosowych, jak i danych. Rozwiązanie takie pozwala świadczyć różnorodne usługi (w przeciwieństwie do usług tylko głosowych lub tylko transmisji danych) na pojedynczej pętli abonenckiej. Dodatkowo aplikacja VoDSL pozwala na dynamiczne zagospodarowanie dostępnych zasobów. Oznacza to, iż połączenia głosowe zajmują pasmo tylko w czasie aktywności rozmówców, a w przeciwnym przypadku pasmo jest dostępne dla innych aplikacji,

np. głosowych lub dostępu do sieci Internet. Aby rozwiązania VoDSL cieszyły się zainteresowaniem abonentów muszą oferować usługę wraz z wszystkimi funkcjami dodatkowymi, pozwalać na wykorzystanie posiadanych przez klienta urządzeń końcowych oraz gwarantować jakość świadczonej usługi na poziomie porównywalnym z POTS. Wprowadzenie usługi VoDSL wymaga rozbudowy i doposażenia sieci telekomunikacyjnej o następujące elementy: 1. Zintegrowane urządzenie dostępowe (IAD) dostarczające interfejsów pomiędzy DSL, a sieciowym wyposażeniem abonenckim. 2. Multiplekser linii DSL (DSLAM). 3. Węzeł dostępowy (Access Data Switch) separujący ruch pomiędzy siecią transmisji danych i PSTN. 4. Brama głosowa (VG) realizująca funkcje konwertera sygnalizacji i danych (analogowych, cyfrowych) pomiędzy siecią pakietową i PSTN. Na rysunku 6 przedstawiono architekturę VoDSL.

Sieć pakietowa transmisji danych (Packet Backbone Network)

Access Data Switch

Sieć telefoniczna PSTN

Brama głosowa (Voice Gateway) Centrala końcowa (Class 5 Switch) DSLAM xDSL

DSLAM - DSL Access Multiplexer IAD - Integrated Access Device CPE - Customer Premises Equipment

CPE IAD

głos

dane

Rys. 6. Architektura VoDSL. Obecnie ADSL Forum rozważa dwa alternatywne protokoły transportowe dla implementacji usługi VoDSL: IP (Internet Protocol) i ATM. W związku z tym, że protokół IP aktualnie nie posiada mechanizmów zapewniających QoS (Quality of Service), preferowane są, rozwiązania oparte na protokole ATM (ALL2), który oferuje dojrzałe mechanizmy QoS. Poza tym szacuje się, że około 90% zainstalowanych urządzeń DSLAM używa protokołu ATM do komunikacji z węzłami dostępowymi (Access Data Switch), co pozwala na zastosowanie jednej technologii sieciowej w obszarze dostępowym oraz w rdzeniu sieci. Do sterowania i sygnalizacji w architekturze VoDSL proponowane są protokoły: H.323, H.248 i SIP (Session Initiation Protocol).

PODSUMOWANIE Można zauważyć, iż jednym z głównych kierunków rozwoju technologii xDSL jest dążenie do dostarczania usług głosowych i transmisji danych poprzez jeden zunifikowany interfejs, co jest zgodne z koncepcją sieci BISDN. Usługa VoDSL pozwala na konwergencję środowiska PSTN i transmisji danych w obrębie sieci dostępowej. Zastosowanie tego rozwiązania jest w stanie znacząco obniżyć koszty dostępu do sieci, gdyż wykorzystuje istniejące zasoby kablowe, oferuje skalowalne pasmo dla transmisji danych oraz głosu i nie wymaga od abonenta dodatkowych inwestycji związanych z wymianą urządzeń końcowych. BIBLIOGRAFIA [1]. Koletka B., ISDN czy ADSL, Nowoczesne technologie w sieciach teleinformatycznych, 1/2001. [2]. Urbanek A. Przekaz głosu w DSL, NetWorld 5/2001. [3]. Technologie sieci rozległych, Vademecum teleinformatyka, NetWorld, 2001. [4]. Voice over Digital Subscriber Line (VoDSL), The International Engineering Consortium, www.iec.org. [5]. Voice-over-Digital Subscriber Line (VoDSL) Service-New Revenue from Existing Infrastructure, The International Engineering Consortium, www.iec.org. [6]. Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), The International Engineering Consortium, www.iec.org.