3.2 ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber Line ).

3.2.1 Wstęp.

Bezkonkurencyjna do niedawna technologia ISDN z trudem odpiera ataki ze strony nowych modemów 56k. Tymczasem nie jest to kres możliwości linii telefonicznych - modemy ADSL pozwalają uzyskać zwiększone ponad stukrotnie transfery danych. Istnienie skrótu ADSL jest najlepszym dowodem na to, że nawet Andy Grove i Bill Gates czasami się mylą. Przed niespełna rokiem szef Intela i założyciel Microsoftu wypowiedzieli się na temat przyszłości wymiany informacji. Obydwaj zgodnie twierdzili wówczas, że przepustowość łączy telefonicznych stanowi wąskie gardło całego światowego systemu teleinformatycznego. Okazuje się , że nikt nie chce brać na siebie odpowiedzialności za żółwie tempo w jakim informacje wyświetlane są w oknie przeglądarki WWW. Sposobem uniknięcia problemów związanych z przepustowością, przynajmniej na ostatnim odcinku łączącym internautów z siecią, jest asymetryczna cyfrowa linia abonencka. Wykorzystując starą infrastrukturę (okablowanie) pozwala osiągnąć wspomniane wcześniej transfery dochodzące do 9 megabitów na sekundę. Opracowano już wiele odmian tej technologii (xDSL), jednak żadna z nich nie jest tak obiecująca jak ADSL. Pierwsze wersje systemu ADSL (nazwane później ADSL-1) umożliwiały transmisję w kierunku do abonenta z przepustowością 1.5 Mbit/s ( 1664 kbit/s w paśmie dupleksowym) przy długości pętli abonenckiej ok. 5,5 km. Przeznaczone były głównie do transmisji ruchomych obrazów skompresowanych za pomocą algorytmu MPEG-1 i umożliwiał odtwarzanie jednego strumienia wideo jakości VHS. Jednak niektóre sekwencje ruchomych obrazów (np. relacje sportowe) dają po kompresji strumień danych o większej przepustowości, poza tym użytkownik może wymagać dostępu do więcej niż jednej usługi równocześnie. Wprowadzono więc system ADSL-2. Posiadał on zwiększoną przepustowość (dla 3 km przy długości pętli ok. 3.5 km). Używany dzisiaj termin ADSL jest utożsamiany z systemem ADSL-3. Umożliwia on transmisję sygnałów z przepustowością do ok. 9 Mbit/s w kierunku "w dół" (do abonenta) oraz do ok. 1 Mbit/s w kierunku "w górę" (kanał zwrotny od abonenta).

Przepustowość 8 Mbit/s (simpleks) przeznaczona jest do wykorzystania w Europie i umożliwia transmisję czterech rozgłoszeniowych kanałów wideo o przepustowości 2 Mbit/s. Podane wyżej wartości dotyczą przepustowości danych użytkownika (payload.) Całkowita szybkość transmisji w łączu jest nieco większa i dla sygnału o przepustowości 8,192 Mbit/s wynosi ok. 9 Mbit/s. Należy zaznaczyć, że zastosowanie systemu ADSL nie jest ograniczone do pary miedzianej. Obecnie prowadzone są prace nad możliwością wykorzystania systemu ADSL w sieciach z kablem koncentrycznym oraz bezprzewodowych.

3.2.2 Zarys technologii.

Ogólne informacje na temat ADSL

Modem ADSL można sobie wyobrazić jako zespół wielu klasycznych modemów naraz, równocześnie transmitujących dane. Rozwiązanie takie, w przeciwieństwie do zastosowania jednego szerokopasmowego kanału, daje większą odporność na zakłócenia. W wypadku występowania silnych zakłóceń w określonych pasmach częstotliwości transmisja jest spowalniana (bądź nawet całkowicie wyłączana!) jedynie w kanałach odpowiadających tym częstotliwościom, pozostałe kanały natomiast pracują bez zmian. Sumaryczne spowolnienie transmisji jest zatem o wiele mniejsze, niż gdyby odnosiło się ono do całego pojedynczego kanału. Ponieważ modem ADSL nie używa pasma 0-4 kHz, równocześnie z transmisją danych możliwe jest całkowicie niezależne wykorzystywanie na tej samej linii telefonu (dla zwykłego modemu jest to oczywiście niemożliwe, a w przypadku ISDN wymaga przeznaczenia na transmisję danych tylko jednego z dostępnych użytkownikowi dwu kanałów, czyli ograniczenia się do przepustowości 64 kb/s).

Modem ADSL i telefon przyłączone są do linii za pośrednictwem tzw. splittera prostego filtru rozdzielającego pasmo częstotliwości odbieranego sygnału: sygnały o częstotliwościach poniżej 4 kHz trafiają do telefonu, powyżej do modemu. Analogiczny splitter separuje sygnał na wejściu centrali, kierując niskie częstotliwości do jej części "telefonicznej", wysokie zaś - do przyłączonego na stałe do danej linii modemu ADSL, a następnie do multipleksera (tzw. DSLAM), poprzez który modemy dołączone są do sieci transmisji danych.

Z powyższego opisu wynika, że dla skorzystania z ADSL nie wystarczy modem. Niezbędne są odpowiednie działania ze strony operatora telekomunikacyjnego – doprowadzenie sieci transmisji danych do centrali oraz wyposażenie linii abonenckiej od strony tejże centrali w splitter i modem. Hamuje to w pewnym stopniu możliwości rozpowszechniania się nowej technologii, gdyż najpierw operatorzy telefoniczni muszą poczynić odpowiednie inwestycje. ADSL nie wyprze też całkowicie z użytku normalnych modemów ani ISDN. Nie można bowiem przez ADSL, w przeciwieństwie do zwykłego modemu, połączyć się z dowolnym innym komputerem wyposażonym w analogiczny modem. Można to zrobić jedynie z sieci transmisji danych, do której przyłączona jest centrala i dostępne w niej serwery. Wystarczy to, rzecz jasna, do zrealizowania dostępu do Internetu jednak abonent ADSL będzie w wyborze providera Internetu dosyć ograniczony - analogicznie zresztą jak użytkownik posiadający dostęp do Internetu poprzez telewizję kablową. Ta ostatnia postrzegana jest zresztą jako główny potencjalny konkurent dla ADSL.

Przy szybkościach transmisji zapewnianych przez ADSL zupełnie realne jest wszak zrealizowanie w tej technologii transmisji obrazu telewizyjnego. Dopiero ADSL daje zatem szansę zrealizowania prawdziwie zintegrowanej sieci telekomunikacyjnej, mieszczącej w sobie transmisję dźwięku, obrazu i danych jest to coś, co obiecywała, lecz czego nie była w stanie do końca zrealizować z uwagi na zbyt małą prędkość transmisji, sieć ISDN.
 
 

Przekaz asymetryczny.

Technologia ADSL jest jedną z propozycji cyfrowych technologii DSL umożliwiających szerokopasmowy dostęp abonentów do publicznych sieci telekomunikacyjnych i Internetu. Stanowi etap przejściowy w sytuacjach, gdzie już istnieje tradycyjna abonencka sieć miedziana (skrętka linii telefonicznej), a budowa od podstaw nowoczesnych światłowodowych linii opartych na technologiach FTTL - przy braku sieci hybrydowej HFC (Hybrid Fiber Coax) - nie jest uzasadniona ekonomicznie. Podstawową cechą ADSL jest zróżnicowanie przepływności łącza w zależności od kierunku transmisji. W kierunku dosyłowym do abonenta (downstream) pasmo jest zwykle dziesięciokrotnie szersze niż w przeciwnym kierunku - "w górę" (upstream), w stronę sieci. Jest to spowodowane dominacją usług o charakterze rozsiewczym (telewizja, telewizja interaktywna, wideo) nad stosunkowo niewielkim ruchem generowanym przez abonenta, a związanym z interakcją tych usług.

Szybki postęp w technologiach telekomunikacyjnych doprowadził do powstania wielu wersji sieci ADSL - różniących się zasięgiem i przepływnością informacji - powiększających stopniowo zakres aplikacji dostępnych przez sieci ADSL.
 
 

Chronologicznie pierwszą wersją sieci w tej technologii, nazwaną później ADSL-I, była sieć abonencka o przepływności 1,536 Mb/s (T1) lub 2,048 Mb/s (El), z kanałem zwrotnym 16 kb/s i działająca w zasięgu 4,8 km. Odmianą tej wersji jest symetryczne łącze SDSL (Symmetric DSL) o dwukierunkowej (duplex) przepływności 384 kb/s, o maksymalnym zasięgu 5,4 km (rys.1), zastępowane coraz częściej sieciami cyfrowymi o większej szybkości. Transmisja cyfrowa w tych sieciach umożliwiała przekaz głosu, dźwięku i obrazów z kompresją uzyskiwaną w standardzie MPEG-1 (filmy, obrazy wideo, przeglądanie, przewijanie, cofanie, stop klatka), o jakości porównywalnej z obrazami uzyskiwanymi z magnetowidu. W 1992 r. pojawiła się technologia drugiej generacji ADSL-2, umożliwiająca przekazy w kierunku abonenta z szybkością 3,072 Mb/s lub 3,096Mb/s i kanałem zwrotnym 64 kb/s w stronę sieci. Jednak nie wzbudziła ona szerszego zainteresowania abonentów. Rozwinięciem tej wersji jest współczesna jej odmiana, ADSL-3, działająca z maksymalną przepływnością w kierunku dosyłowym 6,144 Mb / s (wersja europejska 8,448 Mb / s) i kanałem powrotnym o szybkości do 576 kb / s. W sieciach ADSL-3 są stosowane zarówno standardy MPEG-1 (1,5 Mb/s), jak też strumienie MPEG-2, umożliwiające uzyskiwanie obrazów o telewizyjnej jakości. Zasięg poprawnego odbioru sygnału w sieci jest ściśle związany z przepływnością uzyskiwaną w poszczególnych odcinkach dwuprzewodowej skrętki miedzianej (przekrój przewodów) i w zależności od producenta urządzeń DSL zawiera się w granicach od 2,5 km do 4,5 km (typowo 3,6 km), przy zmianach przepływności od 1,5 Mb/s do 8 Mb/s.

Organizacja ADSL Forum zapowiada znaczne poszerzenie przepływności w sieciach cyfrowych DSL przez wprowadzenie kolejnej, asymetrycznej technologii VDSL (Very high speed DSL), umożliwiającej transmisję sygnałów telewizyjnych wysokiej rozdzielczości HDTV (High Density TV). Przewidywane szybkości transmisji VDSL, wynoszące: 12,96 Mb/s, 25,96 Mb/s i 51,84 Mb/s, mają dostarczać usługi multimedialne abonentom znajdującym się w zasięgu 1,5 km od aktywnych punktów dystrybucyjnych sieci. W przeciwnym kierunku, do sieci transportowych SDH/ATM, ma być zapewniona szybkość z zakresu 1,6-26 Mb / s.
 
 

3.2.3 Usługa POTS a ADSL.

Zasadniczą cechą technologii ADSL jest dostawa cyfrowych usług szerokopasmowych przez istniejącą abonencką linię telefoniczną (skrętkę miedzianą), z zachowaniem ciągłości dotychczasowych analogowych usług telefonicznych klasy POTS. Ta popularna i najstarsza usługa zajmuje naturalne pasmo przenoszenia w kanale o szerokości około 4 kHz (dokładniej pasmo w zakresie częstotliwości 300-3400 Hz), najniższa natomiast częstotliwość cyfrowych przekazów ADSL w paśmie przenoszenia "w górę" zaczyna się od około 25 kHz. Pasmo ochronne o szerokości ponad 20 kHz (rys. 9), rozdzielające usługi analogowe od cyfrowych, stanowi od strony technicznej wystarczającą zaporę przed wzajemną interferencją różnych technologii przenoszenia. Rozdzielanie i łączenie sygnałów analogowych i cyfrowych dokonuje się w sprzęgaczach (splitter) umieszczanych po obydwu stronach łącza ADSL i wyposażonych w aktywne filtry pasmowe o odpowiednich charakterystykach przenoszenia .

Funkcje tego zespołu sprzęgającego są rozbudowane. Dwa urządzenia sprzęgające tworzą inteligentny filtr krzyżowy, który oprócz funkcji separujących umożliwia wyrównywanie poziomów sygnałów, testowanie, rozpraszanie mocy, wzmocnienie odporności na szumy kanałowe i zapobieganie interferencji międzykanałowej. Szczególnie ciężkie warunki pracy sprzęgaczy (przesłuchy do kanału cyfrowego) powstają w czasie dekadowego wybierania numerów i generowania sygnałów dzwonienia - nieraz o znacznej mocy widmowej sygnału transmitowanego w torze analogowym. Dodatkowym utrudnieniem jest rygorystycznie wymagana stabilna praca toru analogowego POTS, nawet w przypadku awaryjnego odłączenia lub uszkodzenia modemu szerokopasmowego, a także w przypadku odcięcia zasilania tych urządzeń.

U abonenta urządzenie sprzęgające jest instalowane alternatywnie: bądź wewnątrz modemu ADSL, bądź - ze względu na bezpieczeństwo i w celu podwyższenia dyspozycyjności toru analogowego - jako wolno stojące. W centrali systemu komutacyjnego z powodu ograniczonej przestrzeni montażowej sprzęgacze są zwykle integrowane z modemem lub multiplekserem ADSL, tworząc jedną strukturę fizyczną obsługującą pojedynczego abonenta lub grupę abonentów.

3.2.4 Prędkość transmisji.

ADSL to skrót od Asymmetric Digital Subscriber Line czyli asymetryczna cyfrowa linia dostępu. W przypadku ADSL mamy do czynienia z dwoma modemami podłączonymi do linii telefonicznej, czyli do pary miedzianych przewodów. Dane przesyłane są asymetrycznie z prędkościami zależnymi od kierunków transmisji: do użytkownika z maksymalną prędkością 9 Mb/s do providera z prędkością do 800 kb/s. W ten sposób informacje transmitowane są prawie 140 razy szybciej niż w sieci ISDN i niemal tak szybko jak w lokalnej sieci Ethernet. Przez bardzo długi okres sieć telefoniczna uznawana była za nieprzystosowaną do komunikacji szerokopasmowej i przesyłania dużych strumieni danych. Nowe modemy 56k transmitują po drucie telefonicznym 56 kilobitów na sekundę (przynajmniej w kierunku do użytkownika), a nie jest to bynajmniej granica możliwości sieci telefonicznej. Kanał telefoniczny przenosi pasmo od 300 do 3300 Hz i tylko taki zakres częstotliwości ma do swojej dyspozycji modem. Całe pasmo leżące powyżej tego zakresu jest niewykorzystywane i zostaje wytłumione. Pasma telefonicznego nie ograniczają zatem cienkie, niedostatecznie ekranowane przewody miedziane, ale urządzenia teletransmisyjne działające w centralach telefonicznych.

Szybkość transmisji ADSL zależy jednak bardzo mocno od odległości pomiędzy modemami. Dla przykładu, jeden pełny kanał telewizji cyfrowej wymaga strumienia danych o przepustowości 6 Mb/s, a najbliższy węzeł sieci nie może być oddalony od mieszkania abonenta o więcej niż 1,5 km. Do realizacji usług typu wideo na żądanie ("video-on-demand") wystarcza już sieć o przepustowości 1,5 megabitów na sekundę. Odległość od najbliższego węzła takiej sieci może wynosić w tym przypadku nawet 5,5 km. Mniejsze znaczenie mają odległości pomiędzy poszczególnymi węzłami sieci, ponieważ łącza między nimi posiadają znacznie większą przepustowość.

Najważniejszym plusem tego rozwiązania jest to iż dwudrutowe linie doprowadzone są do każdego z 700 milionów abonentów telefonicznych na całym świecie.Tak więc ADSL potrafi zmienić dotychczasową sieć dostępu ograniczoną do głosu tekstu i grafiki niskiej rozdzielczości w ścieżkę komunikacyjną dla prawdziwie interaktywnych multimediów. Możliwe zatem staje się podłączenie tych abonentów do wielu nowych usług, takich jak szybki dostęp do internetu , wideo na żądanie, zakupy domowe czy zdalny dostęp LAN, co stanowi wyzwanie dla firm telekomunikacyjnych.

Zgodnie z obowiązującymi normami modem ADSL powinien mieć możliwość pracy z prędkościami wyszczególnionymi w tabeli 2.
 
 
 

Tabela2.Normy przepływności w technologii ADSL.

Jednakże prędkość przesyłania danych nie zależy wyłącznie od możliwości samego modemu. Trzeba bowiem wziąć pod uwagę, że sygnał jest przesyłany po dwużyłowym kablu miedzianym, którego tłumienność dla częstotliwości 300 kHz może dochodzić do 90 dB, co decyduje, że maksymalna przepływność systemu jest determinowana przez rodzaj i stan techniczny kabla. Obrazuje to tabela 3. oraz rysunek 2.
 
 
 

Tabela3. Przepływność w zależności od średnicy i długości kabla.
 
 

Rysunek 2.

Najważniejszą cechą modemów ADSL jest to, że w momencie inicjacji połączenia modem sam rozpoznaje linię i decyduje o optymalnej prędkości transmisji. Duża asymetria prędkości transmisji (od i do abonenta) jest wynikiem budowy i specyfikacji sieci dostępowych. Kabel prowadzony od abonenta zbiega się , w miarę odległości, w coraz większe wiązki przewodów. Sytuacja taka sprzyja sprzęganiom sygnałów , które to zwiększają się w miarę odległości i wzrostu widma częstotliwości przesyłanego sygnału (ADSL wykorzystuje widmo do 1,1 MHz). Sytuację taką próbuje się poprawić przez odpowiednie splecenie par miedzianych , w praktyce jednak przenikanie sygnału pomiędzy kablami zawsze istnieje. Okazuje się, że sprzężenia są dużo mniejsze jeżeli prześlemy sygnały niesymetryczne. W tym przypadku jest to cecha nie przeszkadzająca w istnieniu systemu, który stworzony został w celu dostarczenia usług wymagających dużych przepływności w kierunku abonenta natomiast małych w kierunku odwrotnym. Dotyczy to zarówno usług takich jak wideo na żądanie, zakupy domowe jak i również szybkiego dostępu do Internetu. W każdym z wymienionych przypadków kanałem zwrotnym abonent wprowadza swoje żądania i kontroluje tylko strumień danych płynących w kanale do użytkownika.
 
 

3.2.5 Struktura sieci z wykorzystaniem modemów ADSL.
 
 

Rysunek 3

Wykorzystanie sieci telefonicznej do przekazów cyfrowych jest najtańszym sposobem szerokopasmowego dostępu, oznacza jednak tworzenie heterogenicznej sieci telekomunikacyjnej współpracującej z techniką światłowodową w wyższych warstwach systemów transportowych (ATM, SDH/SONET). W żadnym przypadku przepływność tego ostatniego odcinka pętli abonenckiej nie może być niższa niż 2 Mb / s (Europa).

Architektura asymetrycznej sieci dostępowej ADSL zakłada wykorzystanie istniejącej infrastruktury kablowej (rys. 3) w postaci skrętki miedzianej, w której transmisja przebiega równocześnie w obu kierunkach na jednej parze przewodów. Brak zatwierdzonych standardów europejskich dla szerokopasmowej sieci dostępowej klasy DSL powoduje stosowanie przez producentów wielu niespójnych metod kodowania, multipleksacji i transmisji cyfrowej w przewodowych liniach telefonicznych.

Dla istniejących kabli miedzianych, w zależności od przekroju przewodu, możliwe jest przesłanie sygnału cyfrowego (DSL) do abonenta oddalonego nawet do 4,8 km z nominalną przepływnością binarną 2 Mb/s (E1). Zwiększanie tej szybkości powoduje prawie liniowe skracanie zasięgu sieci, aż do kilkuset metrów przy maksymalnej przepływności 622 Mb/s, osiąganej w czteroparowej nieekranowanej skrętce miedzianej (okablowanie SISTIMAX SCS - AT&T).

Do działania systemu ADSL konieczne są dwa modemy na dwóch końcach miedzianej linii dostępowej. Jeden z nich znajduje się u abonenta i podłączony zostaje do niego pojedynczy PC lub lokalna sieć komputerowa. Istnieje również możliwość podłączenia set-top-box’a, który jest urządzeniem pomiędzy siecią, a zwykłym lub cyfrowym odbiornikiem telewizyjnym. Drugi modem znajduje się w stojaku w najbliższej centrali telefonicznej. Na końcach linii abonenckiej znajdują się również POTS Splittery. Są to urządzenia działające na zasadzie filtru, a ich zadaniem jest odseparowanie zwykłej usługi telefonicznej od reszty danych przepływających przez linię. Bardzo ważną bowiem zaletą technologii ADSL jest to, że normalna usługa telefoniczna działa zupełnie niezależnie od reszty systemu, nawet w przypadku uszkodzenia modemów. Modem w centrali poprzez interfejs np. ATM pobiera dane z różnych serwerów (wideo, WWW, itd...) i rozdziela na poszczególnych użytkowników. Oczywiście rozwiązania techniczne poszczególnych elementów są inne dla różnych firm.