Kapitel 2: Technologien im Überblick

2.4. ADSL-Übertragungstechniken

2.4.1. Trennung von Downstream- und Return-Kanälen

Da wir auf einer Leitung simultane duplex Übertragung realisieren möchten, d.h. gleichzeitig in beide Richtungen über ein Medium übertragen wollen, wollen wir uns nun mit verschiedenen Methoden zur Trennung der verschiedenen Kanäle auseinandersetzen.

Frühe ADSL-Systeme verwendeten das sogenannte Frequency Division Multiplexing (FDM) zur Kanaltrennung, wie es in Bild 2.4.1.1. gezeigt wird.

Bild 2.4.1.1. ADSL Kanaltrennung

Der schmalbandige Kontrollkanal verwendet i.a. den Frequenzbereich direkt oberhalb der Sprachfrequenzen, die für die Telefonie verwendet werden. Der breitbandige downstream-Kanal schließt sich an und belegt die höheren Frequenzen. Der für die Übertragung eingesetzte Frequenzbereich wird i.a. auf 1 MHz beschränkt, indem man mehrere Bits durch ein Symbol kodiert. In Bild 2.4.1.1. wird die Frequenzverteilung eindimensional dargestellt, in der Realität könnte das auch anders sein, um max. Performance zu erzielen.

Da Kupfer im unteren Frequenzbereich bessere Übertragungseigenschaften als im oberen aufweist, versucht man den Kontrollkanal mit dem downstream-Kanal zu überlappen. Dies kann man z.B. durch asymmetrische Echokompensation erreichen, durch die Störungen zwischen forward- und return-Kanal modelliert und aufgehoben werden können.

Nach dem ADSL-Standard ist es möglich, in der set-up-Phase zwischen FDM oder Echokompensation zu wählen. Da Echokompensation für DMT-ADSL-Transceiver neu ist, haben jedoch viele Anbieter diese Option nicht vorgesehen. Durch den zusätzlichen Aufwand der Echokompensation soll eine Leistungssteigerung von 2dB erreicht werden. Die Vorteile der Echokompensation kommen erst dann voll zur Geltung, wenn die Bandbreite des Kontrollkanals ausgedehnt wird. Dadurch erzwingt eine FDM-Implementation für den downstream höhere Frequenzen und ist damit störanfälliger. In diesem Fall würde sich eine FDM-Implementation reichweitenbegrenzend auswirken. Es soll auch nicht verschwiegen werden, daß bei Echokompensation eine weitere Störung, bekannt als self-NEXT (Near End Cross Talk), auftreten kann.

Über die verschiedenen Übertragungsmethoden, die für ADSL eingesetzt werden, wollen wir uns im folgenden einen Kurzüberblick verschaffen:

2.4.2. Die Quadratur Amplituden Modulation (QAM)

Die Quadratur-Amplituden-Modulation zählt zu den Einträger-Bandpaßübertragungs-verfahren, d.h. die Signale werden frequenzversetzt in einem höheren Frequenzbereich übertragen. Ein Bandpaßsignal wird i.a. durch Modulation eines Basisbandsignals mit einem Sinus-Träger erzeugt. Bei der QAM wird - wie der Name schon ausdrückt - Amplitudenmodulation verwendet. Die prinzipielle Arbeitsweise von QAM sieht so aus, daß ein Trägersignal mit einem Symbolstrom moduliert wird.

Bild 2.4.2.1. Prinzipielle Struktur des Senders und des Empfängers bei Bandpaßübertragung mit einem Träger (QAM) [24], [12]

Bei diesem Verfahren wird der Datenstrom in zwei Datenströme mit jeweils der halben Übertragungsrate gesplittet und dann einem orthogonalen Trägerpaar aufmoduliert. Die Verwendung der beiden orthogonalen Träger - einer Sinus- und einer Cosinus-Funktion - erklärt auch die Bezeichnung "Quadratur"-Amplituden-Modulation.

Das Prinzip dieses Verfahrens wird in Bild 2.4.2.1. dargestellt. Der obere Teil des Bildes stellt den ADSL-Sender dar. Dieser beinhaltet einen Scrambler, einen Leitungskodierer, einen Sendefilter, einen Modulator und einen D/A-Wandler. Ein zu übertragenes Signal wird nach dem Verwürfeln in einem Demultiplexer in zwei Teilsignale aufgeteilt. Diese Teilsignale durchlaufen anschließend Leitungscodierer, die eine Bit-nach-Symbol-Kodierung vornehmen. Anschließend werden sie im Modulator mit der Frequenz fo multipliziert. Der eine Pfad wird mit einem Cosinus, der andere mit einem Sinus moduliert. Beide Signale werden anschließend addiert und nach einer D/A-Wandlung über einen Sendefilter auf eine Zweidrahtleitung gegeben.

Beim Empfänger wird das Signal zunächst in einem Empfangsfilter bandbegrenzt und nach einer A/D-Wandlung mit einem Cosinus- bzw. Sinusträger gleicher Frequenz wie beim Sender multipliziert.

Für jeden der beiden Pfade ergeben sich nun jeweils ein Basisbandanteil, ein Term mit der Frequenz fo und einer mit der Trägerfrequenz 2fo. Der nachfolgende Entzerrer macht die Verzerrung des Leiterpaares rückgängig und filtert die Frequenzenanteile fo und 2fo heraus, so daß wieder das ursprüngliche Basisbandsignal vorliegt. Dieses wird für den jeweiligen Pfad getrennt detektiert und decodiert. Zuletzt werden die beiden Teilsignale im Multiplexer wieder zu einem Signal zusammengefaßt.

2.4.3. Die Carrierless Amplitude/Phase Modulation (CAP)

Die CAP zählt ebenso wie die QAM zu den Einträger-Bandpaßübertragungsverfahren. Der Name deutet schon die Besonderheit des Verfahrens an: es wird eine trägerlose Amplituden-/Phasenmodulation durchgeführt, d.h. durch geschickte Wahl der Trägerfrequenz wird die Übertragung derselben verhindert. Ein weiterer Unterschied zur QAM liegt darin, daß Modulation und Demodulation im Sender und Empfänger in einem Paar von digitalen Filtern stattfindet. Bild 2.4.3.1. verdeutlicht die Arbeitsweise der CAP.

Wie bereits erwähnt, werden hier keine orthogonalen Trägerfunktionen verwendet, sondern die Teilströme durch die Verwendung zweier digitaler Transversalfilter moduliert. Diese beiden Filter haben als Impulsantworten Hilbertpaare, d.h. Antworten mit denselben Amplitudencharakteristika aber einer Phasenverschiebung von /2. Das zu übertragende Signal wird durch die Addition der beiden Filterausgaben gebildet. Nachdem das Signal eine D/A-Wandlung erfahren hat und einen Sendefilter passiert hat, wird es auf die Zweidrahtleitung gelegt.

Der Empfänger muß hier eine Ausgleichfunktion bereitstellen. Die Struktur des Equalisers sieht im Prinzip genauso aus wie bei der QAM.

Bild 2.4.3.1. CAP ADSL-Transceiver [24]

2.4.4. Discrete Multi-Tone Modulation (DMT)

Die DMT zählt zu den sogenannten Mehrträger-Bandpaßübertragungsverfahren. Mehrträgerverfahren unterscheiden sich von Einträgerverfahren dadurch, daß mehrere Trägerfrequenzen zur Übertragung eingesetzt werden. Der Übertragungskanal wird also in n Teilkanäle unterteilt, die i.a. die gleiche Bandbreite aufweisen. Im einfachsten Fall wird jedem dieser Teilkanäle das gleiche Modulationsschema - und damit die gleiche Übertragungsbitrate - zugeordnet.

Bild 2.4.4.1. CAP/QAM und DMT Modulation [12], [24]

Diese Vorgehensweise ist allerdings nicht immer sehr geschickt, da man hier die schlechten Übertragungseigenschaften von Kupfer in höheren Frequenzlagen außer Acht läßt. Deshalb legt man in der Praxis die Bitrate des jeweiligen Teilkanals entsprechend seines Störbelages fest. Dadurch ist eine optimale Nutzung des Übertragungsmediums Kupfer möglich.

DMT kann man sich im Prinzip als eine Reihe von nebeneinanderliegenden, parallel und gleichzeitig arbeitenden QAM-Systemen denken (Bild 2.4.4.1.). Dabei arbeitet jedes QAM-System mit der zu einem DMT Teilkanal korrespondierenden Trägerfrequenz. Der Transmitter moduliert Daten, indem er Töne bestimmter Frequenzen erzeugt, diese zusammenfaßt und als "DMT Symbol" über die Leitung schickt.

Bei ausreichend kleiner Teilkanalbandbreite ist die Dämpfung über einem einzelnen Teilkanal als konstant anzusehen. Außerdem müssen bei der Verwendung von DMT i.a. im Empfänger keine Entzerrer eingesetzt werden, sondern nur einfache Kanalverstärker, da der Einfluß der nichtlinearen Phase des Kabels auf das übertragene Signal in einem Teilkanal vernachlässigbar ist.

Das Mehrträger Modulationsverfahren setzt Orthogonalität zwischen den verschiedenen Teilkanälen voraus. Dies kann man z.B. durch die Verwendung von Fast Fourier Transformation (FFT) Methoden erreichen. Bild 2.4.4.2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines DMT-ADSL-Transceivers.

Bild 2.4.4.2. DMT-ADSL-Transceiver [24]

Wie bereits erwähnt, kann die Anzahl der Bits, die über einen Teilkanal gesendet werden, bei DMT variieren. Diese adaptive Fähigkeit erhöht die Performance, da bestimmte störanfällige Frequenzen bestimmter Übertragungsmedien einfach ausgespart werden können. Das folgende Bild (Bild 2.4.4.3.) zeigt die Verteilung der Bits auf die verschiedenen Teilkanäle bzw. Frequenzen.

Bild 2.4.4.3. Verteilung der Bits auf die verschiedenen Teilkanäle bzw. Frequenzen [24]

2.4.5. Was ist VDSL ?

2.4.5.1. Einleitung

Im Teilnehmeranschlußbereich lassen sich die Nutzungsmöglichkeiten vorhandener Netze durch die Einführung von Hybridnetzen, bestehend aus Glasfaser und Kupferleitungen, unter Verwendung leistungsfähiger Very High-bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL) Transceiver weiter verbessern. In einem solchen hybriden Anschlußnetz, bei Kupferleitungslängen zwischen 100m und 500m, läßt sich die Übertragungskapazität weit über 2,048 Mbit/s steigern.

Beim Aufbau von Hybridanschlußnetzen werden i.a. mehrere Ansätze verfolgt. Man unterscheidet zwischen Fibre To The Curb (FTTC), Fibre To The Neighborhood (FTTN), Fibre To The Basement (FTTB) und Fibre To The Home (FTTH).

Die meisten Konzepte zur Einführung optischer Teilnehmeranschlüsse verfolgen die Strategie, den optischen Netzabschluß möglichst nahe an oder in den Wohnbereich zu führen. Bei FTTC befindet sich der Netzabschluß am Straßenrand. Von hier werden die Einzelteilnehmer über relativ kurze Kupferleitungen an das optische Netzwerk angeschlossen. Bei FTTB und FTTH wird der Netzabschluß direkt in die Gebäude gelegt und nur noch die Gebäudeverkabelung selbst mit Kupferleitungen realisiert. Da FTTH in der Regel noch zu teuer ist, bietet sich eine attraktive Alternative in Form von FTTN an. Bei dieser Strategie werden in der Nachbarschaft sogenannte Optical Network Units (ONUs) installiert, die mittels Glasfaser verkabelt sind, und die sogenannte letzte Meile durch existierende Kupferleitungen überbrückt. Durch die Heranführung der Glasfaser bis zum Kabelverzweiger, einem Schaltpunkt im Teilnehmeranschlußnetz, kann die mit Kupferkabel zu überbrückende Distanz in Deutschland in 90% auf weniger als 500m reduziert werden [8], [11].

2.4.5.2. Was VDSL alles können soll ...

VDSL befindet sich gerade in der Definitionsphase. Obwohl es noch nicht so weit gediehen ist wie ADSL, lassen sich bereits jetzt einige grundsätzliche Entwurfsziele herausstellen.

Betrachten wir zunächst die zu erwartenden Übertragungsraten. Man diskutiert zur Zeit downstream-Übertragungsraten von 51,84 Mbit/s, 25,92 Mbit/s und 12,96 Mbit/s. Vielfache dieser Übertragungsraten ergeben die in SONET bzw. SDH gebräuchliche Übertragungsrate von 155,52 Mbit/s. Wie bereits aus der Diskussion von ADSL bekannt, nimmt die Übertragungsreichweite mit zunehmender Datenübertragungsrate ab. Für VDSL ergeben sich folgende Werte:

downstream Übertragungsrate	Übertragungsreichweite
12,96 - 13,8 Mbit/s	1,5 km
25,92 - 27,6 Mbit/s	1,0 km
51,84 - 55,2 Mbit/s	0,3 km

Tabelle 2.4.5.2.1. downstream Übertragungsrate in Abhängigkeit von der Leitungslänge [8]

Die angestrebten upstream-Übertragungsraten lassen sich i.a. in drei Bereiche einteilen:

• 1,6 - 2,3 Mbit/s
• 19,2 Mbit/s
• wie downstream

Diese hohen Übertragungsraten lassen sich für größere Distanzen nur durch asymmetrische Übertragungsraten erzielen. Symmetrische Konfigurationen sind u.U. für sehr kurze Leitungen realisierbar. Da die meisten Multimedia- und Videoanwendungen in der Regel asymmmetrische Übertragungsraten erfordern, ist dies allerdings keine allzu große Einschränkung. Wie bereits ADSL wird auch VDSL daher vorwiegend für Videoanwendungen eingesetzt. Dadurch ergibt sich bei der Wahl geeigneter Fehlerfunktionen eine kleine Einschränkung. Komprimierte Video-Signale sind ebenso wie Echtzeitsignale nicht für die klassischen Fehler-Korrekturstrategien in der Datenkommunikation geeignet. Daher wird in VDSL eine Forward Error Correction (FDE) mit genügend Interleaving zur Korrektur aller durch Impulse bestimmter Dauer verursachten Störungen durchgeführt.

2.4.5.3. VDSL Technik

VDSL baut im wesentlichen auf den selben technischen Grundlagen wie auch ADSL auf. VDSL ist jedoch von seiner Struktur her nicht so komplex wie ADSL, da weitaus weniger dynamische Leitungsparameter beachtet werden müssen.

Übertragungsmethoden

Für VDSL wurden 4 Übertragungsmethoden vorgeschlagen, von denen einige bereits bei der ADSL-Diskussion vorgestellt wurden:

• CAP (Carrierless AM/PM)
• DMT (Discrete Multitone)
• DWMT (Discrete Wavelet Multitone)
• SLC (Simple Line Code)

Kanaltrennung

VDSL Systeme werden anfänglich Frequency Division Multiplexing (FDM) zur Trennung von down- und upstream sowie zur Abschirmung beider Kanäle gegenüber dem Telefondienst bzw. ISDN verwenden. Echokompensation wird vielleicht für neuere Geräte mit symmetrischen Datenübertragungsraten erforderlich.

Forward Error Control

Für die Fehlerkontrollfunktionen wird eine Form der Reed Soloman Kodierung mit optionalem Interleaving zur Korrektur von durch Impulsstörungen verursachten Fehlern eingesetzt. Die Fehlerkorrektur wird sehr ähnlich der für ADSL in T1.413 definierten Form sein. Eine noch nicht geklärte Frage ist, ob für den FEC-Overhead payload-Kapazität oder out-of-band Signalisierung verwendet wird. ADSL verwendet hier out-of-band Signalisierung.