Referáty

Slaboproudý obzor 22 Roč. 70 (2014) Číslo 3

Videokomunikácie v konvenčných telefónnych sieťach

1 Úvod Prvé dátové komunikácie po klasických telefónnych sieťach

(PSTN) boli realizované pomocou analógových modemov (modulátor-demodulátor), ktoré umožňovali tieto komunikácie s bitovou rýchlosťou 19,2 až 56 kbit/s. Následne s použitím ISDN DSL technológii možno zvýšiť tieto rýchlosti na strane domového účastníka (PSTN) až na rýchlosť 144 kbit/s pre potreby jeho pripojenia do ISDN siete [1]. Vo všeobecnosti DSL (Digital Subscriber Line) technológie [2] umožňujú širokopásmové dátové komunikácie pomocou obyčajných (klasických) telefónnych liniek, vytvorených dvojicou skrú-tených (twistovaných) medených drôtov privádzaných do domov, úradov, atď. xDSL označuje rôzne druhy DSL ako napr. ADSL (Asymetric DSL), IDSL (ISDN DSL), HDSL (High bit rate DSL), VDSL (Very high bit rate DSL), RADSL (Rate Adaptive DSL) a SDSL (Symmetric DSL) [3]. Tieto sú používané na spájanie z telefónnych ústredni do domov alebo úradov, ale nie pre spájanie medzi telefónnymi ústredňami. Z nich najviac používané v domoch a malých úradoch sú ADSL a VDSL technológie. xDSL sú založené na sofistiko-vaných moduláciách a predpokladajú použitie krátkych (menej ako 6 km) klasických medených telefónnych liniek (twistové páry) z domu do centrálnych telefónnych uzlov (CTU). Preto xDSL sa nevzťahuje na fyzické spojenia (linky), ale na dvojicu modemov.

2 Princíp DSL technológie Ako je vidno z obr. 1, prvý (DSL modem) z nich je

umiestnený v mieste účastníka a ten druhý (DSLAM-DSL Access Multiplexer) v CTU.

Obr. 1. Umiestnenie modemov pri realizácii DSL spojenia.

DSL modem, resp. DSL vysielač, ako sa ten často nazýva, je pripojený do osobného počítača účastníka napr. prostredníctvom USB portu. DSLAM nazývaný tiež ako prístupový poskytovateľ (Access Provider) akceptuje požadované spojenia od rôznych účastníkov a spája ich do jedného vysokokapacitného spojenia do Internetu. Zároveň DSLAM vykonáva IP smerovanie (routing) a dynamické prideľovanie IP adries.

3 ADSL technológie Ohraničením pre dátovú komunikáciu s vyššími bitovými

rýchlosťami v konvenčných telefónnych sieťach nie sú frekvenčné vlastnosti skrútených medených párov, ale použité

filtre v centrálnych telefónnych uzloch. Tieto filtre obmedzujú frekvenčné pásmo na 3,3 kHz, čo zodpovedá jednému rečovému kanálu (signálu). V prípade ich vylúčenia, skrútený medený pár dosahuje šírku frekvenčného pásma až niekoľko MHz. ADSL uskutočňuje asymetrickú dátovú komunikáciu, t.j. príjem dát účastníka z CTU s vyššou bitovou rýchlosťou (prichádzajúce dáta) ako on ich (odchádzajúce dáta) môže vysielať do CTU. Táto asymetria je naviac kombinovaná s trvalým prístupom na Internet [4] bez potreby vyzvonenia tejto dátovej služby, ako je to pre rečovú komunikáciu. Obvyklá potreba účastníka telefónnej siete je prijímať väčšie množstvo údajov ako ich vysielať. Potom ADSL vysiela účastníkovi (do jeho počítača) viac ako 1 Mbit/s (1,5 až 6,1 Mbit/s), ale na druhej strane len do 640 kbit/s (16 až 640 kbit/s) v oboch smeroch, čo je postačujúce pre jeho dátový kanál na vyžiadanie si vhodnej širokopásmovej služby, ako je napr. video na zákazku [5]. Týmto sa účastníkom konvenčných telefónnych sieti umožňujú videokomunikácie s pohyblivým videom pri zachovaní konvenčnej analógovej telefónie (včítane faxu) a bez potreby výrazných zmien v telefónnej sieti na strane účastníka [6]. Pritom na rozdiel od káblových modemov s niekoľkými účastníkmi na jednom koaxiálnom kábli, tak ADSL modemy umožňujú ponechať každému účastníkovi jednu telefónu linku s ktorou je priamo pripojený do CTU.

a)

b)

Obr. 2. a) Rozdelenie úplného frekvenčného pásma pre ADSL, b) rozšírenie frekvenčného pásma pre prenos video údajov z Internetu do osobného počítača účastníka.

Ako je vidno z obr. 2a úplne frekvenčné pásmo od 0 do 1100 kHz pre ADSL je pomocou FDM (Frequency Division Multiplex) rozdelené do troch subpásiem. Prvé od 0 do 4 kHz je rezervované pre analógovú rečovú telefóniu, druhé od 25 kHz do 138 kHz pre dátový kanál na vysielanie požiadavky a nakoniec zvyšné pásmo až do 1100 kHz pre prijímanie video údajov z Internetu do osobného počítača

Slaboproudý obzor Referáty

Roč. 70 (2014) Číslo 3 23

účastníka. V prípade použitia techniky odrazového potláčania (echo cancellation) môže byť toto pásmo pre príjem video údajov rozšírené, ako to vidno z obr. 2b. Odrazy (echá) sú signály generované lokálnym vysielačom, ktoré sa vedú do lokálneho prijímača vplyvom väzby medzi medenými drôtmi. Potom potláčací obvod (echo conceller) dokáže potlačiť tieto odrazy, pretože tento pozná aký signál bol vysielaný a tento môže byť odčítaný od prijímaného signálu.

Vo všeobecnosti videokomunikácie pomocou ADSL [7] používajú štandardne kódované videosignály [8], [9] s vysokou kompresiou údajov, ale tieto nie sú chránené voči kanálovým poruchám pomocou linkových alebo sieťových kontrolných techník zvyčajne obsiahnutých v dátových komunikačných systémoch. Preto v ADSL modemoch sú zakomponované FEC opravné techniky na potláčanie chýb spôsobených impulzným šumom. Tiež môžu v nich byť zakomponované opravné techniky na symbolovom základe, ktoré redukujú chyby spôsobené spojitým šumom v telefónnych linkách.

ADSL modemy používajú kvadratúrnu amplitúdovú moduláciu (QAM) na ovplyvňovanie (moduláciu) nosného analógového harmonického signálu. Pritom rozlišujeme ADSL modemy s CAP (Carrier-less Amplitude Phase) alebo DMT (Discrete Multitone), ktoré sú založené na QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ale líšia sa v ich implementácii [3]. Pre CAP video údaje modulujú nosný harmonický signál, ktorý je potom prenášaný do prijímača účastníka pomocou telefónnej linky. Pritom samotný nosný signál je potlačený pred týmto prenosom, pretože nenesie žiadnu informáciu a môže byť obnovený v prijímači. Naopak pre DMT video údaje sú najprv zbierané a potom sú distribuované prostred-níctvom veľkého počtu malých individuálnych nosných signálov. DMT vytvára tieto zložky pomocou FFT (Fast Fourier Transform). CAP môže vytvoriť v procese modulácie od 4 do 1024 symbolov, pričom každý reprezentuje niekoľko rôznych bitov. Napr. pre CAP-4 s celkovým počtom štyroch možných symbolov, každý bude reprezentovať dva bity. Pritom nulová fáza by mohla reprezentovať dvojicu bitov 00, potom fáza 90° by predstavovala 01 a postupne fáza 180° by bola 10 až nakoniec fáza 270° bude 11. Vo viacej praktickom príklade CAP-16 bude používať 12 rôznych fáz a potom k nim pridá ďalšie štyri symboly pomocou opako-vania sa štyroch z týchto fáz, ale s polovičnou amplitúdou nosného harmonického signálu s tou istou frekvenciou. Takto sa získa 16 rôznych kombinácií, ktorým budú zodpovedať štvorice bitov od 0000 až 1111. Ak CAP-16 bude operovať s linkovou rýchlosťou napr.10000 symbolov za sekundu, tak tomu bude zodpovedať prenos dát s rýchlosťou 40 kbit/s.

4 VDSL technológie Telefónne spoločnosti vo svete riešili problém, ako

existujúce slučky skrútených medených párov použiť v ich širokopásmových dátových komunikáciách. Potom by okrem interaktívnych video služieb bolo možné pomocou nich privádzať k účastníkovi aj digitálnu televíziu. Hybridný vláknový koaxiál (HFC-Hybrid Fiber Coax) je spoločným prístupovým médiom veľmi vhodným pre rečovú telefóniu, interaktívne video služby aj dátové komunikácie s vysokou bitovou rýchlosťou (digitálna televízia) v tom istom čase [10]. Prívod optických vlákien priamo ku každému účastníkovi je stále drahou záležitosťou. Alternatívne a viac praktické riešenie je kombinácia optických sieťových jednotiek (OSJ)

s optickými vláknami a decentralizovaných konvenčných sieťových jednotiek (KSJ) s existujúcimi alebo novými medenými pármi (drôtmi). Takáto topológia je dobre prispôsobená pôvodnému rozloženiu CTU a účastníkov telefónnej siete, ako to vidno z obr. 3 a pre ňu je vhodná VDSL technológia.

Obr. 3. Topológia kombinácie OSJ a KSJ s umiestnením VDSL modemov.

Modem VDSL vysiela údaje s vysokou bitovou rýchlosťou cez krátke skrútené medené páry, pričom veľkosť tejto rýchlosti závisí od ich dĺžky. Maximálna bitová rýchlosť pre prichádzajúce dáta (downstream data) je od 51 Mbit/s do 55 Mbit/s cez medené linky s dĺžkou 300 m a je menšia ako 13 Mbit/s, ak táto dĺžka je väčšia ako 1500 m. Vzhľadom na asymetriu, podobne ako pre ADSL, bude pre odchádzajúce dáta (upstream data) maximálna bitová rýchlosť od 1,6 Mbit/s do 2,3 Mbit/s. Tieto dátové kanály sú vzájomne oddelené a tiež od základného telefónneho, ale aj ISDN pásma pomocou FDM, ako to vidno na obr. 4. Keď narastá potreba vyšších bitových rýchlostí pre odchádzajúce dáta, resp.väčšej symetrie medzi dátovými kanálmi v oboch smeroch, tak VDSL modemy môžu využiť techniky odrazového potláčania.

Obr. 4. Rozdelenie úplného frekvenčného pásma pre VDSL pomocou

FDM.

5 Záver V tomto referáte najprv uvádzame, že DSL technológie

umožňujú videokomunikácie pomocou klasických telefónnych liniek. Potom definujeme možné druhy a principiálne spojenie na báze DSL technológie. Z nich ADSL uskutočňuje asymetrickú dátovú komunikáciu, t.j. príjem dát telefónneho účastníka s vyššou bitovou rýchlosťou ako on ich môže vysielať. Toto je postačujúce pre jeho dátový kanál na vyžiadanie si vhodnej širokopásmovej služby, ako je napr. video na zákazku. Týmto sa účastníkom konvenčných telefónnych sieti umožňujú videokomunikácie s pohyblivým videom pri zachovaní konvenčnej analógovej telefónie a bez potreby výrazných zmien v telefónnej sieti na strane účastníka. Keď narastá potreba vyšších bitových rýchlostí pre odchádzajúce dáta, resp.väčšej symetrie medzi dátovými

Referáty

Slaboproudý obzor 24 Roč. 70 (2014) Číslo 3 kanálmi v oboch smeroch, tak ADSL modemy môžu využiť techniky odrazového potláčania. Pritom rozlišujeme ADSL modemy s CAP (Carrier-less Amplitude Phase) alebo DMT (Discrete Multitone), ktoré sú založené na QAM, ale líšia sa v ich implementácii. Nakoniec VDSL technológie, okrem interaktívnych video služeb, umožňujú privádzať k telefónnemu účastníkovi aj digitálnu televíziu. Pritom hybridný vláknový koaxiál (HFC - Hybrid Fiber Coax) je spoločným prístupovým médiom, veľmi vhodným pre rečovú telefóniu, interaktívne video služby ako aj digitálnu televíziu v tom istom čase.

Prof. Ing. Ján Mihalík, Ph.D.

Literatúra [1] Mihalík, J. Videokomunikácie v ISDN a ATM sieťach.

Slaboproudý obzor, 2014, roč. 70, č. 1, s. 18-22. [2] Goralski,W.: ADSL and DSL Technologies. New York,

NY: McGraw-Hill, 1998.

[3] Ramana Murthy, M. V. DSL: An Overview. MultiTech Software Systems India, 2006.

[4] Internetworking Technology Overview (chapter 15: Digital Subscriber Line), 1999, Pulse Supply. Dostupné z http:\\ www.pulsesupplly.com.

[5] Zhang, H, Lin, K. J. R. Multimedia Services over Digital Subscriber Lines. IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 17, 2000, p. 44-60.

[6] Merriman, P. Video over DSL Architecture. Alcatel Telecommunications Review, 2000, p. 250-257.

[7] David, L. Jones, P. E. DSL for Traffic Video. Mitretek Systems, US Department of Transportation, 1999.

[8] Mihalík, J. Štandardný videokodek H.263 a jeho porovnanie s H.261. Slaboproudý obzor, 2003, roč. 60, č. 1, s. 1-7.

[9] Mihalík, J. Štandardný videokodek H.264/AVC. Slaboproudý obzor, 2011, roč. 67, č. 4, s. 4-10.

[10] Farah, T. Gill, R. ENSC-835: Communication Networks. Comparison of WiMAX and ADSL by Streaming Audio and Video Content. Final Report, 2011.