A.D.S.L – Banda Ancha
Tabla de Contenidos

Introducción

Standards

Restricciones

Modulación

Detección y corrección de Errores
Introducción -
Conexión de datos via modem POTS
WWW
PSTN network
modem
Access server
+ modem pool
Comunicación modem-modem en banda POTS a traves de la red PSTN!


Las frecuencias dentro de la banda vocal se transmiten a través
de una conexión conmutada de la red PSTN
La banda vocal se utiliza tanto para comunicaciones vocal como
para comunicaciones de datos via modem (fax, V.32, V.90, …)
Introducción - Comunicación via POTS vs no-POTS
Espectro de línea telefónica local
Otras frecuencias usadas por tecnologías DSL:
Banda Vocal
ISDN > hasta 80kHz
usada por
ADSL > hasta 1,1MHz
modems POTS
(V.32, V.90, …)
300Hz



3400Hz
Frequency (fHz)
Las tecnologías DSL usan frecuencias fuera de la banda vocal
para modular información sobre la misma línea telefónica
ISDN provee una conexión de 160 kbps sobre su línea local
ADSL provee una conexión de alta velocidad sobre su línea local
Introducción - Soluciones ofrecidas por ADSL
PROBLEMA
Bitrate de modems
analógicos limitado a 56
kb/s
PSTN no apropiada
para tráfico de datos a
alta velocidad
SOLUCIÓN
ADSL - modem
Redirección del
tráfico de datos hacia
red específica
network (B-ISDN)
Introducción - ADSL
ADSL : Asymmetric Digital Subscriber Line
Customer Premises
Central Local
hasta 8,1 Mb/s
Downstream
Unshielded Twisted Pair (UTP)
Upstream
hasta 800 kb/s
0 - 5,4 km
Introducción - Espectro de ADSL
Upstream
Downstream
POTS
POTS
±8Mbps
Par de
Cobre
ADSL
±800kbps
300Hz
30kHz
3400Hz


125 kHz 164 kHz
138 kHz
1,1 MHz
ADSL usa frecuencias de hasta 1,1 MHz sobre la línea telefónica
Estas frecuencias NO se solapan con la banda POTS.Por lo tanto
permiten hacer comunicaciones vocales simultáneas
Introducción - POTS splitter (PS)
S
F
P
I
L
L & I
T
T
R
T
O
E
R


UTP hacia LEX
Las bajas frecuencias usadas por ADSL pueden “molestar” en el
espectro audible y necesitan ser filtradas antes de alcanzar el
teléfono
Con los cuelgues y descuelgues del teléfono la impedancia de la
línea cambia lo cual impacta sobre la comunicación del modem
ADSL
Introducción - Voz/Datos sobre DSL?
Standard ADSL
ADSL with “derived” voice
Datos
ADSL CPE
ADSL
PS
POTS


VoDSL CPE
PS
Datos
Línea Telefónica
ADSL
 
Línea POTS “lifeline” Línea Telefónica
ADSL es apropiado para todo tipo de comunicaciones (voz y
datos)
La evolución marcha hacia un bucle totalmente digital (Full
Digital Loop - FDL):

Eliminación de la línea POTS “lifeline” (y splitter)
Introducción - Visión general de ADSL
Proveedores de
Servicio
Proveedores de Acceso
Usuarios finales
PSTN
POTS
ISP
POTS
Corporaciones
LT
ATM
voz
NT
PS
AS (BRAS)
LT
PS
datos
ADSL
modem pool
Comunicación ADSL modem-a-modem
Conexión ATM PVC
Conexión de datos Extremo-a-Extremo
Standards
Standards - ANSI

ANSI T1.413 Edición 1


Primer especificación de ADSL aparecida en 1995. No era
demasiado clara
ANSI T1.413 Edición 2

1995
1998
Segunda especificación ADSL y basada en ATM tal cual se usa
actualmente
Standards - ITU-T

ITU-T G.dmt o G992.1





ITU-T G.lite o G992.2



Especificación de la ITU-T la cual está basada en el standard
ANSI T1.413 Edición 2 más un protocolo de handshaking extra
Anexo A: especifica la operación sobre la banda POTS
Anexo B: especifica la operación sobre ISDN
Anexo C: especifica la operación para la banda ISDN Japonesa
Especificación de la ITU-T que es una especie de ANSI T1.413
Edición 2 reducida, más un protocolo de handshaking extra
Está basada en recomendaciones realizadas por el UAWC
workgroup (Microsoft, Compaq & Intel)
ITU-T G.hs o G994.1

Especifica el procedimiento de handshaking para transreceptores
DSL
POTS
Standards - Espectro
UP
POTS
30kHz
G.dmt Anexo A
DOWN
138kHz
1,1MHz
UP
G.lite
DOWN
548kHz
30kHz
ISDN
UP
138kHz
G.dmt Anexo B
DOWN
1,1MHz
Restricciones
Restricciones - Atenuación vs. frecuencia
Atenuación
(dB)
0
1 km
20
R=
2km
3km
40
4km
60
Diámetro del
Cable = 0,5mm²
80
10 KHz
Banda POTS
100 KHz
1 MHz
Frecuencia
(Hz)
xd
Seff
Restricciones - Atenuación debido a la distancia
Central Local
R=
xd
Seff
Cable UTP, ø = 0,5 mm2
4 km : Pérdida de 32dB a 150 kHz
5 km : Pérdida de 55dB a 150 kHz
Pulso transmitido
Pulso recibido
Restricciones - Característica de Velocidad vs. Distancia
10
ADSL Downstream
Mbit/s
8
6
4
2
0
0
1
2
3
Kbit/s
1000
4
5
6
km
ADSL Upstream
800
600
400
200
0
km
0
1
2
3
4
5
6
Restricciones - Bridged taps
1
2
3
Eco
Eco
Señal
Principal
Atenuación (dB)
Atenuación
incrementada
debido a Bridged
Tap
Frecuencia (Hz)
Restricciones - Crosstalk
Rx
Tx
Rx
Tx
Tx
Near End Crosstalk
Tx
Rx
Rx
Far End Crosstalk
Rx
Rx
Tx
Tx
Rx
Para ADSL no existe Near End Crosstalk, sólo Far End Crosstalk!
POTS
Restricciones - Crosstalk AoP & AoI
UP
30kHz
G.dmt Anexo A
DOWN
NEXT
138kHz
1,1MHz
ISDN
UP
138kHz


G.dmt Anexo B
DOWN
1,1MHz
Cuando AoP (ADSL over POTS) y AoI (ADSL over ISDN) residen
en el mismo multipar habrá NEXT.
Algunas frecuencias del transmisor downstream de una línea AoP
se solapan con las frecuencias de recepción de una línea AoI
Restricciones - Velocidad de Datos


Pregunta: Cómo poder aumentar la velocidad de datos y respetar a su
vez la restricción sobre la velocidad de símbolos ? (Nyquist)
Bits
symbols
bits
sec
sec
symbol
Respuesta: Incrementando el número de bits por símbolo vía
diferentes técnicas de modulación, por ejemplo QAM.
Bitrate => velocidad expresada en bits por segundo (bps)
Symbolrate => velocidad expresada en baudios
Restricciones - Restricción del ancho de banda (Nyquist)
Tiempo(segundos)
Ts
Período de
Símbolo
Para un dado ancho de banda W (en Hz), la máxima cantidad de
símbolos/segundo (Rs en baudios) esta limitada de modo de evitar
interferencias entre símbolos (ISI)



Cada símbolo corresponde a un número determinado de bits.
Para hacer esto es necesario que la tecnología actual sea capaz
de distinguir entre un símbolo y otro
Por otro lado el período de símbolo es el período de la más baja
frecuencia a utilizar
Restricciones - Shannon-Hartley: Capacidad vs. Distancia
Capacidad
Mb/s
25
20
15
10
8,1 Mb/s
5
6 Mb/s
2 Mb/s
km
1
2
3
4
Long. De Cable UTP
5
6
Modulación
Modulación -
QAM
Un Símbolo esta representado por una variación de amplitud & fase para una
frecuencia particular
y = A . sen (2 f.t + )
Constelación
Datos Transmitidos =
A
0111
3
A
2
1
0101 0001

0011
0110
0100
0000
1110
1100
1000
1101
1001 1011
0010
0
t
-1
1010
-2
-3
1111
0,5
1
1,5
Longitud de Símbolo (Ts)
2
2,5
3
4 bits/símbolo
>> QAM-16
Modulación - QAM
Un Símbolo esta representado por una variación de amplitud & fase para una
frecuencia particular
y = A . sen (2 f.t + )
Constelación
Datos Transmitidos = 1001
A
0111
3
A
2
1
0101 0001

0011
0110
0100
0000
1110
1100
1000
1101
1001 1011
0010
0
t
-1
1010
-2
-3
1111
0,5
1
1,5
Longitud de Símbolo (Ts)
2
2,5
3
4 bits/símbolo
>> QAM-16
Modulación -
QAM
Un Símbolo esta representado por una variación de amplitud & fase para una
frecuencia particular
y = A . sen (2 f.t + )
Constelación
Datos Transmitidos = 1001 0000 1111
A
0111
3
A
2
1
0101 0001

0011
0110
0100
0000
1110
1100
1000
1101
1001 1011
0010
0
t
-1
1010
-2
-3
1111
0,5
1
1,5
Longitud de Símbolo (Ts)
2
2,5
3
4 bits/símbolo
>> QAM-16
Modulación - El ruido y QAM
Constelación
Riudo Parásito
3
1001
2
1
Misma frecuencia
 Amplitud
 Fase
3
1
0
-1
-1
-2
-2
-3
-3
0,5
Transmisión
1
0101
0110
0100
0000
1110
1100
1000
1101
1001 1011
0001
0011
1011
2
0
0111
0,5
Recepción
1111
1
0010
1010
Modulación - QAM vs. SNR
QAM
S N R (d B ) p ara un
-7
BER<10
4
Q A M -16
2 1,8
6
Q A M -64
2 7,8
8
Q A M -256
3 3,8
9
Q A M -512
3 6,8
10
Q A M -1.024
3 9,9
12
Q A M -4.096
4 5,9
14
Q A M -16 .38 4
5 1,9
B its/sím b o lo
La tabla se puede usar de dos formas :
(a) Cuál es el SNR mínimo requerido para modular N bits sobre una
portadora
(b) Cuántos bits pueden modularse con un dado SNR de Y dB
Modulación DMT- Discrete Multi Tone

En ADSL se modulan multiples frecuencias portadoras usando
Quadrature Amplitude Modulation

Estas frecuencias están espaciadas en forma constante y para
cada portadora se mide el SNR para determinar el máximo QAM
posible de obtener

La composición de todas las frecuencias es puesta sobre la línea

Este principio se denomina Discrete Multi Tone (DMT)
Modulación - Discrete Multi Tone example
QAM-4 f1
QAM-16 f2
QAM-4 f3
 = DMT
Ts (Symbol Time)
1 Símbolo DMT
Modulación - DMT y ADSL

El espectro usado para ADSL se divide en 255 portadoras

Estas portadoras están separadas cada 4,3125 kHz

Para la dirección upstream se usan las portadoras 7 a 29

Para la dirección downstream se usan las portadoras 38 a 255

Sobre cada portadora se mide el SNR y con este valor se
determina el QAM



Mínimo  QAM-4  2bits/símbolo
Máximo  QAM- 16384  14 bits/símbolo
Período de Símbolo para cada portadora : 250 s
Modulación - DMT y ADSL
0
7
29
38
255
Modulación - DMT vs. Características de Línea
atenuación
Caracteristicas de Línea
Característica del
filtro ADSL
Interferencia a
cierta
frecuencia
frecuencia


7
29
38
255
4 30
125
165
1100
portadora
frecuencia (kHz)
Modulación - # bits / portadora
Bits/portadora
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Máximo valor por portadora debido a medición de SNR en la
inicialización
Posible valor de trabajo inicial
Portadoras
Modulación - Bitswapping

Luego de la inicialización se usará un QAM menor que el posible en
la mayoría de las portadoras.



El SNR medido en la inicialización determina el máximo QAM
posible, por ejemplo: QAM-4096 corresponde a 12bits/símbolo >>>
QAM usado en dicha portadora: QAM-1024 (10bits/símbolo)
Esto resulta en bits extra que pueden ser ubicados en dicha
portadora.
Durante showtime (operación del modem) el SNR se mide en todas
las portadoras a intérvalos regulares (default 10 seg).


Si el SNR sobre una cierta portadora se degrada, resultando en un
menor QAM, los bits de esa portadora serán reubicados en otras
portadoras donde el QAM es mayor que el actualmente usado.
Los modems intentarán desparramar sobre la mayor cantidad de
portadoras posible los bits a realocar.
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Interferencias reducen el SNR sobre un
determinado grupo de portadoras
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
portadoras
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Un menor SNR reduce nuestro max QAM
soportado (es decir la cant. de bits sobre
estas portadoras)
Max. bits/portadora
portadoras
Affected frequencies
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Un menor SNR reduce nuestro max QAM
soportado (es decir la cant. de bits sobre
estas portadoras)
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
portadoras
Affected frequencies
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
portadoras
Modulación - Bitswapping explicado
Bits/portadora
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
El margen de ruido es repartido sobre todo el espectro
Max. bits/portadora
bits/portadora usados
actualmente
portadoras
Modulación - Modems en Comunicación
ADLT DMT FRAME
(ATU-C)
ADNT DMT FRAME
(ATU-R)
DOWN
modulación
DOWN
demodulación
Unshielded Twisted Pair
UP
demodulación
UP
modulación
2 señales análogicas (UP,DOWN) viajando en direcciones opuestas sobre el UTP

El ATU-R se engancha con la portadora piloto en el sentido
downstream (PLL)

Cuanto mejor es el enganche mejor será el SNR global!
Modulación - ADSL Superframe
DMT Símbolo
DS 1

.....
DS 67
DS 68
SS 69
SUPERFRAME
17 ms
un símbolo DMT es la sumatoria de todos los símbolos individuales
de cada portadora.
Un data symbol se usa para transmitir información (datos).
Símbolo de Sincronización (SS):


DS 4
Data Symbol (DS):


DS 3
Símbolo DMT:


DS 2
Un SS se transmite luego de 68 DS para asegurar sincronización
y para detectar una posible pérdida de trama.
Período de símbolo ADSL (Ts):


Ts=17ms/69 = 246,377 s
Ts=17ms/68 = 250 s (período de símbolo para el plano de datos!)
Detección y corrección de Errores
Detección y Corrección de Errores

La elección de usar un modo de corrección o detección requiere
un análisis de sus pros y contras !



Se elige la habilidad de detectar Y corregir errores introduciendo
la posibilidad de generar más errores,
O se elige la habilidad de detectar un mayor número de errores
sin la posibilidad de corregirlos pero con la certeza de que no se
introducen errores adicionales.
Algunos mecanismos switchearán de modo corrección a modo
detección tan pronto como se detecten errores ! (por ejemplo
ATM)

Esto se debe a que los errores tienen por naturaleza la
característica de presentarse en ráfagas y nunca vienen solos !!!
Reed Solomon (modo corrección)
Código RS(255,239)
Byte
1
2
3
4
Distancia : n-k+1
d= 255-239+1
d=17
Corrección: (d-1)/2
c=(17-1)/2
c=8
Vector de
mensaje
de k bytes
Vector de
código de
n bytes
239
240
254
255
Con 16 bytesde redundancia, el
código RS puede corregir hasta 8
bytes erroneos por vector de código
n - k bytes
de
redundancia
Overhead por Corrección de Errores = 16/255 = 6.3 %
Reed Solomon
Distancia = 15-11+1= 5 Corrección = (5-1)/2= 2
Vector de Mensaje Ctrl
Datos a ser transmitidos
Ráfaga de Errores
Datos Transmitidos
Más de 2
Bytes
Perdidos
Datos Perdidos
Datos Recibidos
Modo Entrelazado (Interleaved)
Vector de
Ctrl
Mensaje
Datos a ser transmitidos
Block 0
Block 1
Block 2
Block 3
Block 4
Ráfaga de Errores
6 bytes perdidos
1 Byte
erróneo
por block!
Block 0
Corrección
Block 1
Ctrl Corrección
Block 2
Ctrl Corrección
Datos Transmitidos
Block 3
Ctrl Corrección
Datos Recibidos
Ctrl Corrección
Ctrl
Código Trellis

La codificación de Trellis es otro mecanismo de detección y
corrección de errores que es opcional para ADSL.

Principio de funcionamiento del Trellis =>




mirando los datos en forma completa uno puede detectar y
corregir errores, es análogo a la detección y corrección de
errores en el lenguaje hablado:
Ejemplo:
datos transmitidos:
the water is wet and cold
datos recibidos:
the water is let and cold
Mirando sólo la palabra let no podemos decir que está equivocada!
Mirando la información antes y después de la palabra podemos
decir con seguridad que debería ser wet en lugar de let.
ADSL & Reed Solomon
Símbolo DMT
DS 1
DS 2
DS 3
DS 4
.....
DS 67
DS 68
SS 69
SUPERFRAME
17 ms





Se asume que el código Trellis no está siendo usado!!
1 Data symbol corresponde a una palabra Reed Solomon de 255
Bytes.
Algunos bytes en la palabra RS son overhead para framing
usados para comunicación entre modems (EOC, AOC, IB, CRC).
Si RS no se utiliza los datos aún pasan por el codificador RS !
La máxima velocidad downstream ADSL para datos:

con Reed Solomon:
(255-16-1) x 8bits/byte x 4000 symb/seg = 7,616 Mbits/seg

sin Reed Solomon:
(255-1) x 8bits/byte x 4000 symb/seg = 8,128 Mbits/seg
Ganancia de Código

Habíamos visto que para obtener un BER menor a 10-7 para una
constelación QAM específica se necesita un determinado SNR.



Si el SNR es menor que el requerido el BER se torna muy alto
Introduciendo detección y corrección de errores se reduce el
BER debido a que se corrige una cantidad de los errores
producidos en la línea.
Este mecanismo genera una ganancia de código que resulta en un
menor SNR requerido para alcanzar una cierta constelación.



Trellis introduce una ganancia de código de aprox. 5,5dB.
Reed Solomon introduce una ganancia de código de aprox. 4dB.
Trellis & RS juntos introducen una ganancia de aprox. 9dB.
S N R fo r B E R = 1 E -7
B its /s ym b o l
Q AM
uncoded
T re llis
RS
T re llis + R S
4
Q AM -1 6
2 1 ,5
16
1 7 ,5
1 2 ,5
6
Q AM -6 4
2 7 ,5
22
2 3 ,5
1 8 ,5
Ganancia de Código (Cont.)

Mecanismos de Detección y corrección aplicados:
Fo rwa rd E rro r
C o rre cti ng co de
Peer M o d em
sup p o rt s
T re l l i s c o d i ng
N O T re l l i s c o d i ng
F A ST
D o w nst re a m
T re l l is
RS
U p st re a m
T re l l is
-
D o w nst re a m
T re l l is + RS + in t e r le a v in g
RS + in t e r le a v in g
U p st re a m
T re l l is + RS + in t e r le a v in g
RS + in t e r le a v in g
IN T E R L E A V E D
Velocidades ADSL
Framing overhead
1 hasta 6 Bytes
1/2bit por
portadora + 4 bits
Attainable
line rate

Reed Solomon
overhead
Max. 255 Bytes
Máxima velocidad ATM posible
Velocidad ATM actualmente usada
Used line rate


ATM data
ATM used rate


1B
ATM attainable rate


Trellis
overhead
Velocidad de línea ADSL actualmente usada
Attainable line rate

Máxima velocidad alcanzable de línea ADSL basada en el SNR
medido
Glosario

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): Línea de abonado digital asimétrica

ANSI (American National Standard Institute): Instituto nacional americano de
estándares

AoI (ADSL over ISDN): Servicio ADSL sobre línea ISDN

AoP (ADSL over POTS): Servicio ADSL sobre línea POTS

AS (Access Server): Servidor de acceso

ATM (Asynchronous Transfer Mode): Modo de transferencia asincrónico

bps (bits per second): Velocidad expresada en bits por segundo

BRAS (Broadband Remote Access Server): Servidor de acceso remoto de banda
ancha

CPE (Customer Premises Equipment): Equipos propiedad del usuario, normalmente
modem ADSL, PC, Splitter

DMT (Discrete Multi Tone): Modulación por múltiples tonos discretos

ISDN (Integrated Services Digital Network): Red digital de servicios integrados
Glosario

ISI (Inter Symbol Interference): Interferenca entre símbolos

ISP (Internet Service Provider): Proveedor de servicio de Internet

ITU (International Telecommunications Union): Unión Internacion de
Telecomunicaciones

LEX (Local Exchange): Central telefónica local

NEXT (Near End Cross Talk): Cross Talk en extremo cercano o lado central

POTS (Plained Old Telephone Service): Servicio telefónico clásico

PSTN (Public Switched Telephone Network): Red pública de telefonía conmutada

QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Modulación por amplitud en
cuadratura

SNR (Signal to Noise Ratio): Relación señal/ruido, normalmente expresada en dB

UTP (Unshielded Twisted Pair): Par trenzado sin blindaje
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ADSL Banda Ancha - Alohados Viajes y Turismo