超高速数字用户线 (vdsl) 技术能够以高达 52 mb/s 的速度传输信息。所使用的高频频段(高达20 mhz)提出了许多当前dsl中不存在的挑战,其中包括频谱分配,fext(远端串扰)噪声环境中的传输,rf干扰源。我们在这里讨论与vdsl技术部署相关的问题。
1. 简介
vdsl能够提供与电缆调制解调器相当的数据速率。光纤用于将数据传输到住宅区;从那里数据通过现有的铜缆基础设施传输。目前正在美国(ansi t1e1)、欧洲(etsi)和国际电信联盟(itu)努力为这项技术制定标准。使用的宽频率带宽(高达20 mhz)带来了一些技术挑战。下面介绍最重要的问题,因为它们将在标准化委员会中进行讨论。
2. vdsl 部署配置
由于双绞线上高频信号衰减较大,vdsl的部署仅限于距离信号源小于4500英尺的环路长度。图 1 显示了两种可能的配置。对于靠近中心局 (co) 的客户,vdsl 可以通过 co 的铜缆部署(图 1a),这种配置称为光纤到交换 (fttex)。对于更远的客户,光纤运行到光网络单元(onu),使用现有基础设施从该单元分发数据(图1b)。此配置称为光纤到机柜 (fttcab)。
图 1a. fttex 配置
图 1b. fttcab 配置
目前的频谱分配建议也使用vdsl下游的adsl下行频段。从adsl和vdsl之间的串扰的角度来看,图1中的两种配置之间存在细微差异。在fttex情况下,vdsl的存在不会影响adsl性能,因为vdsl功率谱密度(psd)小于adsl psd。相反,同一粘合剂中存在adsl可能会对vdsl性能产生严重影响。在fttcab配置中,情况正好相反。来自onu的vdsl信号可能会为adsl下游信号产生不可接受的噪声水平,因为它在从co到onu的路径上会严重衰减[1]。
3. 数据速率和频谱分配
表1描述了美国考虑用于标准化的一些数据速率。
表 1:vdsl 数据速率
轮廓 非对称服务
数据速率 对称
服务
下游
兆字节/秒 上游
兆字节/秒 每个方向
mb/s
短环(1500英尺) 51.84
6.48
25.96
38.88 4.32 19.44
中环(3000英尺) 25.92 3.24 12.96
19.44 2.43 9.72
12.96 1.62
6.48
长环路(4500英尺)
6.48 1.62
预计将在美国市场占据主导地位的非对称服务包括视频分发(包括高清电视)和互联网应用。在欧洲,人们对针对业务应用程序的对称服务更感兴趣。在每个服务类别中,数据速率取决于从客户驻地到onu(co)的距离。
选择频分复用(fdm)作为分离上行和下游数据传输的多路复用方法。对于非对称业务,下行和上行数据速率之间的比率接近10:1,因此大部分带宽应分配给下游。对于对称服务,带宽应平均分配给两个方向。标准的要求是两种类型的服务应在同一根电缆上共存。在这些条件下,没有频谱分配方法可以同时优化非对称和对称服务数据速率。
一种解决方案是定义两个频谱分配:一个针对非对称服务进行优化,同时将某些对称数据速率作为次要目标;另一个更倾向于对称服务。此外,由于短环配置文件需要相当大的带宽,因此认识到很难将它们与其他服务容纳在同一活页夹中。这就是为什么标准化工作目前集中在中环配置文件上的原因;这种光谱分配也适用于长环路情况。国际电联内部原则上就频谱分配达成了协议,该频谱分配包含4 khz至138 mhz频率范围内的12个频段(两个下行和两个上游)。图2显示了北美[2]的这种频谱分配示例。2500/22 mb/s 非对称服务的范围为 3 英尺,1700/13 mb/s 对称服务的覆盖范围为 13 英尺。为了在较长的环路上降低数据速率,可以使用第一个上游/下游频段。未来分配12 mhz以上的频谱将允许在短环路上传输更高的数据速率。
图2.vdsl北美频率规划
4. 桥接水龙头
图3显示了具有桥接抽头的环路及其在不同抽头长度下的衰减,l = 0, λ/4, 5λ/4, 101λ/4,其中λ是波长。最短桥接抽头在通道特性中产生深度零点。对于vdsl频谱计划,如图2所示,这种桥接抽头将显著降低下游2通道中的数据速率。下行和上行数据速率之间的比率将受到短桥抽头的显著影响。较长的桥接抽头的影响较小,因为反射波被线路中的损耗衰减。仍然存在snr损耗,因为发射的信号功率在插入点的线路和桥接抽头之间分配。不同之处在于,在长桥抽头上,snr损耗在两个方向之间均匀分布。这就是为什么etsi标准没有桥接抽头规定的原因;但是,它们仍然是美国标准要求的一部分。
图3.桥接抽头环路的幅度响应。
5. 串扰噪声源
图4显示了双绞线上的串扰噪声源。近端串扰(next)噪声是在相反方向传播的信号之间产生的。next与功率为1.5时的频率成正比。由于输入信号在接收器输入端衰减,因此只有一个这样的干扰源会显著降低vdsl性能。该噪声源可以通过为上行和下游方向分配不同的频段来控制(图 2)。
图4.双绞线串扰噪声源。
远端串扰(fext)噪声是在电缆中沿同一方向传播的信号之间产生的。fext是vdsl中主要的串扰噪声源。其功率谱密度:
psdfext = klƒ2 |hch(ƒ)|2 ≅ kl f e–(2 lα(f))
取决于频率f,两个信号并行运行的电缆段长度l,以及通道传递函数hch(f)。由于通道传递函数是l的指数函数,因此对于较大的l值,fext噪声的功率谱密度较小,对于低l值,fext噪声的功率谱密度相对较高。在上游方向(图4),发射器tx4us比tx2us和tx3us更接近onu。tx4us 将在对 2 和 3 中注入相对高水平的 fext 噪声。来自这些对的上行信号在注入fext噪声的点处严重衰减。结果是,在上游方向,来自靠近onu(co)的源的fext噪声将显着降低远离onu的源的snr,并置在同一粘合剂中。解决方案包括根据发射器位置到onu(co)的距离来降低发射功率。此问题在下游方向不存在(所有发射器都位于 onu/co)。
6. 射频干扰
欧洲和美国标准都允许在vdsl频谱内使用六个相对较窄(100-200-khz)的业余无线电频段。vdsl 信号与业余无线电台的信号之间可能存在重大干扰。原因包括屏蔽不当(缺乏),高频时电话线平衡减少(可低至10-30db)以及使用未扭曲的引入线。这些干扰源存在三个问题:
出口抑制。通过将无线电业余频段中vdsl信号的功率谱密度限制为80 dbm/hz,可以限制这些频段中的vdsl干扰。
入口抑制。vdsl 接收器输入端的业余无线电信号干扰可高达 0 dbm。在转换为数字信号之前,最好衰减这种干扰,否则需要能够处理信号和干扰信号的高分辨率adc。
业余无线电信号是一种非平稳信号,其特征是开/关周期。消除该信号在数字域中的影响(甚至衰减)并非易事。
7. 行代码
向标准组织提交了三项关于线代码的提案:
单载波调制(qam),将输入数据分成两个流,其调制同相正弦波和正交正弦波,这种方法目前在大多数调制解调器中使用。必须注意的是,对于如图2所示的频段分配,每个上游和下游方向都需要两个这样的系统。
离散多音调制(dmt),将频段分成大量通道;每个单独的通道都使用 qam 调制。一种有效的编码/解码方法是在发射器上使用ifft和在接收器上使用fft;它还确保了载体之间的正交性。这种调制方法用于adsl。
滤波多音(fmt)调制[3]可以看作是其他两种方法的组合。调制是通过将数据分成几个流来实现的,每个流都应用于滤波器组的一个输入。由于实现的复杂性,通道的数量比dmt少得多。尖锐的滤波器可以消除qam中使用的保护带。线性或决策反馈均衡器对于消除码间干扰(isi)是必要的。
下面根据vdsl的具体问题对qam和dmt调制进行了比较。在大多数情况下,读者将能够推断fmt的结果。
dmt 信号具有高斯幅度分布。15 db的峰均比(par)是将削波降低到可接受的水平所必需的。适应如此高的信号峰值需要扩展发射器缓冲器的范围,并增加模拟前端的功耗。单载波调制的一些优势已经丧失,因为线路信号是两个qam通道的总和(见图2)。
每个方向需要两个qam发射器/接收器用于单载波调制;dmt 需要帧同步和监督;并且定时恢复更加困难。因此,这两种方法的复杂性大致相同。
循环前缀/后缀(dmt调制)和保护带(qam)引起的数据速率损耗相似。
射频出口。为了将落在发射频带内的每个无线电业余频段的发射psd降低到-80 dbm/hz,单调制系统需要陷波滤波器。这些滤波器使均衡更加困难。在dmt系统中,不使用落在业余无线电频段内的箱子。作为一般观察,dmt调制在控制整个vdsl频谱的psd方面具有更大的灵活性,可能会转化为更高的性能。
8. 结论
vdsl 允许使用现有的双绞线传输高达 52 mb/s 的高数据速率。标准组织就使用138 khz至12 mhz频率范围内的四个频段(两个用于上游,两个用于下游)的频分复用达成协议。频谱分配的细节尚未确定。fext噪声是主要的串扰损伤。它需要在上游方向断电。短桥抽头可以显著改变上行和下游数据速率之间的比率,这就是etsi标准中未指定它们的原因;但是,它们仍然是美国标准的一部分。最后,t1e1和etsi同意在现行标准中包括所有三个线路代码。从长远来看,这些标准可能会演变为最有能力面对vdsl带来的困难技术问题的行代码。
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