SHDSL.bis Extended — выжать из меди максимум!

В 1996 г., когда впервые заговорили о xDSL, был популярен лозунг: «xDSL — это временная технология на ближайшие 40 лет». Прошло уже более десятка лет, и мы видим, что технологии xDSL заняли лидирующие позиции в области широкополосного доступа (ШПД) — ADSL2+ и VDSL2, а также в транспортных сетях как более дешевая альтернатива оптике (SHDSL.bis). Данная статья посвящена второй из упомянутых технологий — симметричной цифровой абонентской линии (SHDSL).

В настоящее время SHDSL применяется не столько на абонентском участке (сети доступа), сколько на «последней миле» транспортной сети. Типовые приложения SHDSL на сегодня:

• организация цифровых трактов к сельским и малым городским АТС (замена ИКМ-30);
• организация каналов Ethernet в дополнение к Е1 для обеспечения доступа в Интернет в удаленных (сельских) населенных пунктах;
• подключение учрежденческих АТС (бизнес-абонентов);
• организация диспетчерской и технологической связи вдоль трубопроводов, автодорог и других протяженных объектов.

В последние годы у некоторых специалистов могло сложиться впечатление, что развитие симметричных технологий SHDSL остановилось. Однако, это не так! Потребителям, в связи с развитием новых услуг — Triple Play, видеоконференции, видеонаблюдение, — как никогда ранее стали важны такие параметры оборудования SHDSL, как скорость и «дальность». Ведь, как и раньше, SHDSL является единственной недорогой альтернативой прокладке оптического кабеля, установке радиорелейной системы или радиомоста.

Новые технологии линейного кодирования

Разработчики оборудования откликнулись на новые потребности. Появилось оборудование, использующее технологию SHDSL.bis Extended, где применяется модуляция PAM-64 и PAM-128, обеспечивающая скорость до 15 Мбит/с по одной паре.

В современной аппаратуре предусмотрена также возможность выбора линейного кодирования, позволяющая максимизировать скорость передачи при минимизации вероятности возникновения ошибок в зависимости от того, какая линия используется. Например, в длинной линии велико затухание, особенно высоких частот. Но если помех мало, то в этом случае можно выбрать кодирование «большей плотности» (например, PAM-128, вместо PAM-64). Сигнал PAM-128 обладает более узким, по равнению с PAM-64, спектром. Следовательно, верхняя граничная частота спектра оказывается ниже. В итоге, в линии сигнал PAM-128 «теряет» меньше мощности, чем сигнал PAM-64.

В условиях небольших шумов это позволяет добиться большей дальности (или большей скорости при заданной дальности) передачи. Другой пример: линия не очень длинная, но зашумленная. В этом случае можно выбрать кодирование «меньшей плотности», например PAM-64 вместо PAM-128, тогда «расстояние между уровнями кодирования оказывается больше» и сигнал становится менее подвержен влиянию помех.

Одним из примеров реализации новой линейной технологии является модем FlexDSL Orion3 производства ГК «НАТЕКС». При разработке использован богатый опыт эксплуатации систем передачи предыдущего поколения, где применялась технология SHDSL.bis. Установлены десятки тысяч модулей на различных линиях связи, в том числе под так называемый «школьный» проект. При разработке и эксплуатации систем SHDSL.bis было выявлено, что производители чип-сетов «по умолчанию» предполагали, что область применения xDSL — только абонентские линии. По-этому, первые версии чип- сетов работали не оптимально на кабелях сельской (например КСПП) и магистральной (например МКС) связи. Однако лидер отечественного SHDSL-рынка настоял на решении проблемы. Теперь «Extended SHDSL» работает так же хорошо на магистральных, зоновых и сельских линиях связи. Естественно, плодами этой многомесячной работы пользуется сегодня не только «Натекс», но и все остальные производители оборудования.

Существующие чипсеты «Extended SHDSL» обладают рядом параметрических ограничений вследствие того, что их архитектура разрабатывалась и отлаживалась во времена скоростей SHDSL.bis (4,6 или 5,7 Мбит/с). «Extended» (11 и 15 Мбит/с) был реализован на уровне firmware с небольшими косметическими изменениями базового кристалла. Из-за этих ограничений передача трафика (особенно TDM) «в лоб» (как описано в документации на чип-сет) проблематична, а иногда и невозможна. Богатый опыт, приобретенный во времена разработки первого отечественного SHDSL модема Orion (2 Мбит) и систем Megatrans, позволил решить данные проблемы.

Новые возможности

Современные системы SHDSL обеспечивают передачу по одной, двум и четырем парам (с независимыми скоростью передачи и типом модуляции в каждой паре). Отсюда вытекают новые возможности применения.

Возможность работы в конфигурациях «точка — много точек» (см. рис. 1).

Рис. 1. Схемы применения систем SHDSL.bis Extended в режимах объединения пар и «точка — много-точек»

Возможность работы по нескольким парам кабеля и, следовательно, увеличение пропускной способности линии связи пропорционально числу используемых пар (т.е. в два и четыре раза, до 30 и 60 Мбит/с соответственно). При этом важно, что помимо стандартного для чипсета режима работы Multi-pair, ведущими производителями используются частные технологии, при которых повреждение одной из пар (или сбой в передаче в одной из пар) не ведет к потере связи всей линии. То есть, передача по остальным парам продолжается (в отличие от M-pair). Более того, пользователь может назначить, что более приоритетно для передачи — какой из потоков Е1 или трафик Ethernet. В этом случае при обрыве одной из пар (и, как следствии, уменьшении пропускной способности канала) передача более приоритетного трафика будет сохранена, а при восстановлении связи в проблемной паре автоматически возобновится передача и низкоприоритетного трафика.

Для отечественных сетей актуален вопрос замены устаревших систем передачи, использовавших четверку или работавших по двухкабельной схеме. Системы SHDSL, поддерживающие дистанционно питаемые регенераторы и служебную связь, обеспечивают такую замену.

Возможность работы в приложении типа «кольцо» (рис. 2).

Рис. 2. Работа систем SHDSL в кольцевых топологиях

Помимо «классического» набора интерфейсов, состоящего из нескольких интерфейсов Е1 и Ethernet, наиболее «продвинутые» системы имеют дополнительные модули интерфейсов типа Nx64 (V.35/V.36/X.21), RS232, RS485/RS422. В совокупности с дополнительными модулями, такими как входы/выходы сухих контактов, real-time clock и независимая память для хранения журнала событий, такое SHDSL-оборудование может широко использоваться для построения систем технологической и промышленной связи.

Развитие Ethernet-приложений в SHDSL

Все больше приложений требуют интерфейс Ethernet. При этом, помимо пропускной способности (как уже упоминалось — до 60 Мбит/с по четырем парам), важными функциональными требованиями являются поддержка QoS с несколькими уровнями приоритетов, функция балансировки трафика между парами, VLAN и Q&Q, Port based VLAN. В лучших системах SHDSL столь широкий набор функциональности Ethernet обеспечивается не столько применением стандартного решения на стороне сетевого интерфейса (что позволяет использовать опыт, технологии и надежность от производителя switch-fabric), сколько комбинацией стандартного решения и обработки Ethernet-трафика встроенным обеспечением в центральном процессоре модема и программируемой логике. За счет этого достигается не только большой набор функциональности, но и высокая гибкость, а также возможность адаптации системы к потребностям пользователя. Стоит сказать, что львиная доля работы над ПО модема затрачивается как раз на разработку Ethernet-подсистемы.

Система электропитания

В электросвязи система организации бесперебойного электропитания всегда оставалась вопросом номер один. Естественно, на длинных линиях с большим числом регенераторов, система передачи должна поддерживать дистанционное питание (рис. 3)

Рис. 3. Работа ЦСП с большим числом регенераторов

Например, в ЦСП Orion3, система подачи дистанционного питания позволяет организовать дистанционное питание в различных конфигурациях: по 4 направлениям (по 120 В), по 2 направлениям (по 200 В). Отличительная особенность — режим питания по фантомной схеме +/- 175 В. в этом режиме возможна организация питания до 12 регенераторов в полусекции (т.е. всего до 25 пролетов). Система ДП соответствует самым высоким требованиям по безопасности и обеспечивает отключение опасного напряжения в случае любой аварийной (обрыв/КЗ) или опасной для персонала (касание провода) ситуации. В целях заботы о производственном и ремонтном персонале модули линейного окончания снабжены индикатором разряда выходных емкостей.

Стоит отметить, что в результате упорной работы удалось достичь очень высокого КПД преобразователей напряжения регенераторов. Уникальное техническое решение узла центрального процессора регенератора обеспечило беспрецедентно высокое соотношение показателя «производительность/потребляемая мощность». Благодаря вышеупомянутым решениям удалось почти вдвое снизить энергопотребление регенератора (при этом увеличив производительность обработки трафика в 3 раза)! Это не только помогло достичь заданной цели запитать 12 регенераторов, но и позволило в итоге иметь напряжение дистанционного питания на 12,5% ниже, чем в большинстве других ЦСП.

Система служебной связи

Система служебной связи обеспечивает связь между ОУП и всеми НУП в пределах полусекции ДП независимо от работоспособности системы. На регенераторах возможно выделить поток Ethernet. С применением дочерней платы — принять сигнал датчиков телеметрии или выдать сигналы управления телемеханикой.

Устойчивость к мешающим воздействиям и надежность

Система защиты от мешающих воздействий является одним из основных вопросов при работе по медным линиям связи, так как они подвержены таким опасным влияниям как разряды атмосферного электричества, наведенная ЭДС от близлежащих линий электропередач, электрической тяги ЖД, коммутационных процессов в соседних парах кабеля. В случае протяженных систем с множеством дистанционно питаемых регенераторов требования к техническим решениям, используемых в системе защиты, повышаются многократно.

Казалось бы, что тут сложного? Отраслью электросвязи накоплен огромный опыт эксплуатации систем с ДП и множеством регенераторов, в мире эксплуатируется уже сотни миллионов медных линий xDSL. Однако, опыт показал, что все не так просто. Технические решения, применяемые в защите, в современной экономической реальности должны удовлетворять четырем основным требованиям:

• эффективно защищать оборудование;
• быть миниатюрными (т.е. оборудование защиты не должно занимать более определенного процента площади платы или объема изделия);
• быть не дорогими;
• не «мешать» полезному сигналу (не уменьшать максимальную длину регенерационного участка вследствие поглощения полезного сигнала элементами защиты).

Решение задачи по защите заключается в максимально эффективном удовлетворении всех четырех требований. К сожалению, каждое из них является «антагонистом» по отношению к трем другим. Например, технические решения, применявшиеся в «до-xDSLьную» эпоху, неплохо защищают оборудование и очень дешевы (поэтому используются большинством производителей), однако громоздки и ощутимо снижают дальность передачи. Более того, в ходе многомесячных исследований, которые проводились как на базе отечественных и зарубежных измерительных лабораторий, так и на специально построенном испытательный стенде, был получен обескураживающий результат. Оказалось, что в случае применения дистанционного питания, современные решения, рекомендованные производителями чипсетов и современных элементов защиты, отличающиеся удовлетворительной стоимостью, сверхминатюрностью и не мешающие сигналу, не работают должным образом. Оборудование они не защищают! Это становится не таким удивительным, если вспомнить, что и решения для защиты, и сами чипсеты разрабатывались в первую очередь для последней мили и абонентского оборудования.

Однако многомесячный труд не прошел даром. Лабораторные испытания Orion3 показывают, что разработчикам удалось решить эту задачу. Мы надеемся, что будущий опыт эксплуатации подтвердит это. Стоит сказать, что при разработке Orion3, помимо прочих, ставилась задача в 4 — 5 раз увеличить MTBF (в том числе и за счет системы защиты). Данная задача решается также применением индустриальных компонентов с расширенным температурным диапазоном работы и сроком службы.

Дальнейшее развитие

Безусловно, в будущем потребность в скорости передачи будет расти. Если еще несколько лет назад скорость 128 кбит/с считалась «широкополосным доступом», то сегодня скорость 10 Мбит/с уже с трудом удовлетворяет потребности.

Нет сомнений, что медь в этой «гонке» наверняка проиграет оптике и радио. Однако, миллионы и миллионы километров медного кабеля еще рано списывать в утиль. Из «40 лет» господства xDSL прошла лишь третья часть…

Выше мы рассказали о том, как совместные усилия разработчиков чипсетов и систем передачи SHDSL.bis Extended позволили «выжать максимум» из существующей медной инфраструктуре на межстанционном участке. Технологии VDSL2 позволяют дать меди «вторую жизнь» и на абонентской линии. Новые технологии, такие как IMS, позволяют кардинально изменить представление о решении «проблемы последней мили», давая абоненту возможность выбора между технологиями передачи — xDSL, оптический Ethernet или радиодоступ 3G/4G.

На очереди у разработчиков SHDSL стоят новые задачи, такие как реализация дополнительных интерфейсов (в том числе USB). В новых настольных и регенераторных модулях будут установлены слоты для SFP, т.е. можно будет строить смешанные системы «медь-оптика».

Журнал «Вестник связи», №09 2009 г.