S-38.116 Teletietotekniikka
Esitelmä

ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line

					Ilari Lehti
					39098T
					ilari.lehti@hut.fi
					1996-05-08

Sisällysluettelo

1 Johdanto	
2 Kapasiteetti	
3 Tekniikka	
3.1 Alikanavajako	
3.2 Kehysrakenne	
3.3 DMT	
3.4 QAM	
3.5 CAP (Carrierless AM/PM)	
4 Sovellukset	
5 VDSL	
6 Tulevaisuus	
7 Yhteenveto	

Lyhenne- ja termiluettelo

ADSL		Asymmetric Digital Subscriber Line

Bearer Channel	Välityskanava, jota käytetään siirtämään dataa ADSL-yhteydellä.

CAP		Carrier amplitude and phase modulation
		Yksi kolmesta ADSL:n modulaatiotavasta.

DMT		Discrete Multitone Coding
		Yksi kolmesta ADSL:n modulaatiotavasta.

HDSL		High data rate Digital Subscriber Line
		ADSL-tyylinen siirtotapa usealla johdinparilla keskusten välillä.

Kehys		Kehys koostuu riveistä aikariippuvaa signaali-informaatiota

VDSL		Very high rate Digital Subscriber Line
		ADSL:ää lyhyempien kaapelipituuksien siirtotekniikka.

QAM		Quadrature Amplitude Modulation
		Yksi kolmesta ADSL:n modulaatiotavasta.

1	
 Johdanto

ADSL-tekniikan keksi J.W. Lechleider vuonna 1989. Sillä tarkoitetaan yleiseen televerkkoon kehitettyä siirtojärjestelmää, jolla välitetään asiakkaalle laajakaistaiset palvelut puhelinverkon tilaajajohtoa käyttäen. ADSL:ää käytetään mm. kuvanvälitys- ja multimediasovellutuksissa. ADSL:ssä on yksi suurinopeuksinen kanava keskittimeltä tilaajalle, sekä pienempinopeuksinen kanava tilaajalta keskittimeen. Yksi tilaajakaapelipari välittää molempien suuntien liikenteen. [3] ADSL:stä on olemassa ANSI:n standardi T1E1.4/94-007.

2	 Kapasiteetti

ADSL on optimoitu puristamaan mahdollisimman suuri kapasiteetti kuparikaapelista. Kun samalla on säilytettävä luotettava ja ennustettavissa oleva suorituskykytaso, on tällaista järjestelmää suunniteltaessa ensiarvoisen tärkeää ymmärtää häiriölähteiden ja topologioiden merkitys linjan hyvyyteen. Puhelinyhtiöillä ei ole varaa siihen, että liian usein huomataan vasta asennuksen jälkeen linjan olevan liian heikko ADSL-liikenteeseen. Paikan päällä suoritettavilla alustavilla kenttäkokeilla saavutetaan melko hyvä kuva mahdollisista yhteyksistä. Lisävarmuutta voidaan saada tilastollisin ja matemaattisin menetelmin. [2]

ADSL-järjestelmän malli on esitetty kuvassa 2.1.

ATU-C	ADSL-siirtoyksikkö keskuspäässä
ATU-R	ADSL-siirtoyksikkö tilaajalla
POTS	Plain Old Telephone Service
SM	Service Module, tekee päätelaitteen sovittamisen
T-SM	ATU-R:n ja SM:n välinen liitäntäpinta
U-R	Siirtoväylän liitäntäpinta asiakkaan päässä
U-C	Siirtoväylän liitäntäpinta keskuspäässä
V	ATU-C:n ja kytkentäkenttien välinen looginen rajapinta

Kuva 2.1  ADSL järjestelmän malli [4]

ADSL-järjestelmä koostuu tilaajan vastaanottoyksiköstä ATU-R ja keskuspään liikennöintilaitteesta ATU-C. Rajapintojen U-C ja U-R välillä on yksi tilaajajohdinpari. Tilaajakaapeli välittää sekä ADSL-järjestelmän datan, että normaalin puheliikenteen (POTS). Tätä varten nämä kaksi erotetaan tilaajapäässä ennen ATU-R:ää. T-SM rajapinnan kautta kytketään erilaiset kontrollilaitteet ATU-R:ään. V-rajapinta on looginen rajapinta tilaajakaapelin lähetyslaitteen (ATU-C) ja kytkentäverkon välillä. [3]

ADSL-tekniikkaa kehitettäessä asetettiin järjestelmässä käytettävien tilaajakaapelien maksimipituudeksi 18 000 jalkaa eli 5.5 km. Myöhemmin tehdyissä testeissä on havaittu, että systeemi toimii myös tätä pidemmillä tilaajayhteysväleillä liikennöintiparametreja huonontamalla. ADSL-yhteydelle on asetettu vaatimukseksi vähintään 10-7 BER-taso. Tähän päästään käyttämällä virheenkorjaavaa koodausta, josta syntyy systeemiin noin 5 - 10 % lisäkuorma. [3]

ADSL-modeemit tarjoavat sekä Euroopan että Pohjois-Amerikan järjestelmiin sopivia siirtonopeuksia. Tarjolla on erinopeuksisia ja -tasoisia laitteita. Minimikonfiguraatio tarjoaa 1.5 tai 2.0 Mb/s downstream-kanavan ja 16 kb/s duplex-kanavan. Parhaimmat nyt valmistettavat modeemit kykenevät 6.1 Mb/s ja 64 kb/s nopeuksiin. Tuotteita, joiden downstream-kapasiteetti yltää 9 Mb/s:iin ja duplex-kapasiteetti aina 640 kb/s:iin asti, tulee ilmeisesti tämän vuoden kuluessa. Molempien suuntien kanavat on mahdollista jakaa useaksi pienempinopeuksiseksi kanavaksi. [1]

Downstream-kanavan nopeus riippuu lukuisista tekijöistä, esim. yhteysvälin pituus, johtimen paksuus ja ylikuuluvuusherkkyys. Vaimennus kasvaa linjanpituuden ja taajuuden kasvaessa, ja alenee johtimenpaksuuden kasvaessa (Taulukko 2.1).

Nopeus	Johtimen paksuus	Etäisyys	
1.5 tai 2 Mb/s	0.5 mm	5.5 km	
1.5 tai 2 Mb/s	0.4 mm	4.6 km	
6.1 Mb/s	0.5 mm	3.7 km	
6.1 Mb/s	0.4 mm	2.7 km	

Taulukko 2.1  Maksimaalisia tilaajakaapelipituuksia [1]

Kun halutaan päästä vielä pidempiin yhteyksiin, on turvauduttava kuituun. Kun nämä DLC-järjestelmät (Digital Loop Carrier) tulevat käyttöön, puhelinyhtiöt voivat tarjota yhteyksiä käytännöllisesti katsoen kaikkialle varsin lyhyessä ajassa. [1]

Tilanne tilaajakaapeleiden osalta ei ole läntisessä Euroopassa niin paha kuin esimerkiksi Yhdysvalloissa, jossa tilaajakaapeleiden keskipituus on pidempi. Tilaajajohtojen pituus tosin vaihtelee suuresti verkkoryhmittäin. Haja-asutusalueilla tilaajajohdot ovat pidempiä kuin kaupungeissa. Telen tilaajajohdoista tehdyn otoksen perusteella on alle 5 km pitkien tilaajajohtojen osuus 92,82 %. [3]

ADSL-systeemin kokonaiskapasiteetti riippuu siirtokaistan ominaisuuksista. Systeemissä siirtokaista jaetaan maksimissaan seitsemään peruskanavaan (bearer channels). Peruskanavia yhdistelemällä saadaan ADSL-systeemissä eri siirtonopeusvaihtoehdot. Verkosta tilaajalle menevä yksisuuntainen siirtokaista on määritelty ANSI-standardiluonnoksessa amerikkalaisen televerkkohierarkian mukaisesti (perussiirtonopeus = 1,536 Mbit/s). Suurempinopeuksiset johtoluokat saadaan tämän kerrannaisina. ADSL:n multipleksointi on suunniteltu joustavaksi, joten eurooppalaisen hierarkian mukainen 2,048 Mbit/s ja sen kerrannaiset ovat helposti toteutettavissa. Simplex-kanavien kapasiteetti on jaettavissa alikanaville, jolloin siirtonopeus kumpaankin suuntaan on peruskanavan monikerta. Siirtosuuntien yhteenlaskettu kapasiteetti on korkeintaan yhteysvälin maksimikapasiteetti. [3]

3	 Tekniikka

ADSL perustuu kehittyneeseen digitaaliseen signaaliprosessointiin ja tehokkaisiin algoritmeihin, joilla kyetään puristamaan paljon tietoa parikaapelilinjan yli. Lisäksi on tarvittu monia edistysaskeleita muuntajissa, analogiafilttereissä ja A/D-muuntimissa. Pitkät puhelinlinjat voivat vaimentaa yhden megahertsin (ADSL:n käyttämän taajuuskaistan yläraja) taajuista signaalia niinkin paljon kuin 90 dB, mikä laittaa modeemin analogisen osan koville sen yrittäessä ylläpitää hyvää dynamiikkaa, erillisiä kanavia ja matalaa häiriötasoa. Jos ulkoakatsoen ADSL:n tarjoama datakanava puhelinlijan yli voikin näyttää yksinkertaiselta, on se toteutustasolla modernin teknologian huippusaavutus. [1]

3.1	 Alikanavajako

Eurooppalaisen PDH-televerkkohierarkian mukainen peruskanava perustuu 2,048 Mbit/s nopeuteen. ADSL-systeemi mahdollistaa simplex-yhteyden nopeudeksi joko 2,048, 4,096 tai 6,144 Mbit/s. Maksimaalisesti samanaikaisesti kuhunkin suuntaan aktiivisena olevien kanavien lukumäärä riippuu halutusta yhteystyypistä. Saavutettavat yhteystyypit jaetaan sen mukaan, halutaanko systeemin verkko-tilaaja -osuudelta pisin kantama vai suurin kapasiteetti. Tällöin puhutaan taulukon 3.1 mukaisesti eurooppalaisessa PDH-verkossa joko 2M-1, 2M-2 tai 2M-3 siirtoluokista. Duplex-kanavia voidaan välittää samanaikaisesti yhdestä kolmeen, riippuen siirtoväylän ominaisuuksista. Duplex-kanavan kontrollikanava (C) on pakollinen ja kaksi datakanavaa vaihtoehtoisia. Duplex-kanavajako on myös taulukossa 3.1. [3]

Johtoluokka	2M-1	2M-2	2M-3	
Simplex-kanavat:
Maksimisiirtonopeus

Alikanavavaihtoehdot

Alikanavien maksimimäärä	
6,144 Mbit/s

2,048 Mbit/s
4,096 Mbit/s
6,144 Mbit/s

3 kpl	
4,096 Mbit/s

2,048 Mbit/s
4,096 Mbit/s

2 kpl	
2,048 Mbit/s

2,048 Mbit/s

1 kpl	
Duplex-kanavat:
Maksimisiirtonopeus

Alikanavavaihtoehdot

Alikanavien maksimimäärä	
640 kbit/s

576 kbit/s
384 kbit/s
160 kbit/s
64 kbit/s (C)

3 kpl	
448 kbit/s

384 kbit/s
160 kbit/s
64 kbit/s (C)

2 kpl	
176 kbit/s

160 kbit/s
64 kbit/s (C)

2 kpl	

Taulukko 3.1  ADSL kanavajako [4]

ADSL-järjestelmän spektrin käyttö on esitetty kuvassa 3.1. Keskukselta tilaajalle kulkeva suurikapasiteettinen kanava käyttää taajuusspektrin yläpäätä. DMT-modulointi pyrkii käyttämään kaistanleveyttä niin pitkälle kuin mahdollista. Perinteinen puhelinliikenne (POTS) on eriytetty muusta datasiirrosta ja se tapahtuu alle 4 kHz:n taajuuksilla. Pieninopeuksinen paluukanava varaa taajuusalueen POTS-alueen ja suurinopeuksisen siirtokaistan välistä.

Kuva 3.1  ADSL taajuusspektri (DMT)

ATU-C-lähettimessä linjalle lähtevistä kanavista muodostetaan multipleksoitu bittivirta, joka syötetään kahteen erilliseen datapuskuriin, nopeaan ja lomitettuun (fast / interleaved). Kumpikin puskuri CRC-koodataan (Cyclic Redundancy Check), salataan ja FEC-virheensuojataan (Forward Error Correcting). Lomitettu (interleaved) puskuri ajetaan vielä lomittajan läpi, jonka jälkeen data moduloidaan tilaajalle siirtoa varten. [3]

3.2	 Kehysrakenne

ADSL käyttää kuvan 3.2 mukaista peruskehysrakennetta. Jokainen peruskehys koostuu 68:sta ADSL datakehyksestä. Nämä koodataan ja moduloidaan DMT-symboleiksi (Discrete Multitone), joita seuraa synkronointiin käytetty symboli. DMT-symboleiden kesto on 250 ms. Jokainen datakehys (0..67) peruskehyksessä sisältää dataa sekä nopeasta puskurista että lomitetusta puskurista. Kehykset 0, 1, 34 ja 35 on varattu ennalta osittain CRC- ja FEC-tietojen välittämiseen. [3]

Kuva 3.2  ADSL kehysrakenne [3]

ADSL-tekniikka voi käyttää jotain seuraavista kolmesta modulaatiotavasta:
	- DMT (discrete multitone coding)
	- CAP (carrier amplitude phase modulation)
	- 16 pisteen QAM (quadrature amplitude modulation)

DMT:n maksimaalinen siirtokapasiteetti on selvästi parempi kuin kahden muun. DMT:tä käyttäen päästään jopa 7 Mbit/s nopeuksiin alle 2700 metrin tilaajajohdoilla, kun taas QAM ja CAP mahdollistavat maksimissaan 1.5 Mbit/s alle 5400 metrin tilaajajohdoilla. [3]

3.3	 DMT

DMT-tekniikka perustuu kaistanleveyden jakamiseen 256:een alikanavaan, joita kutakin valvotaan yhteyden molemmissa päissä signaaliprosessorilla virheiden ja häiriöiden minimoimiseksi [3]. Kontrollikanavalle käyttäjältä verkkoon päin varataan 16 kb/s linja. Verkosta käyttäjään päin kaista jaetaan 4 kHz:n paloihin, joissa kussakin voi siirtää 0-11 bittiä tietoa symbolijaksoa kohden. Yleensä alemmilla taajuuksilla kyetään siirtämään enemmän virheetöntä dataa kuin ylemmillä taajuuksilla. [6]

Kuva 3.3  DMT [8]

Vikasietoisuus otetaan dynaamisesti huomioon siten, että mikäli huomataan esim. AM-radion häiritsevän lähetystä tietyllä taajuudella, ko. siirtokaista voidaan jättää käyttämättä ja jatkaa lähetystä muuten normaalisti (Kuva 3.3). Mikäli tämä häiriönsietomenetelmä on riittämätön, voidaan lisäksi käyttää trelliskoodausta. Jos upstream- ja downstreamkanavat ovat osaksi päällekkäin, kaiunpoistotekniikka takaa kuitenkin toimivan siirtoyhteyden. Tällöin myös maksimisiirtoväli kasvaa. [6]

3.4	 QAM

QAM:ssa binäärinen datavirta jaetaan kahteen osaan ja molemmat moduloidaan erikseen kantoaaltotaajuudelle. Saadut signaalit summataan ja suodatetaan ennen linjalle lähetystä. [5]

3.5	 CAP (Carrierless AM/PM)

CAP on QAM:n tyylinen modulointitapa. Se on kuitenkin halvempi toteuttaa kuin QAM. Se on myös halvempi toteuttaa kuin DMT, koska CAP:n kompleksisuus on pienempi kuin DMT:n. Signaali koodataan quadrature- ja vaihefilttereissä siirtotielle sopivaan muotoon. [6] CAPissä käytetään kiinteää taajuusspektriä toisin kuin DMT:ssä. Downstream-kanavan taajuusalue on välillä 120 kHz - 550 kHz. Taajuusalueen säätäminen käyttöönottovaiheessa on kuitenkin mahdollista, jolloin linjalla olevat tunnetut häiriöalueet voidaan välttää. [7]

Häiriösietoisuus saadaan aikaan myös trelliskoodauksella ylikuulumisen välttämiseksi. RS-koodia käytetään puolestaan korjaamaan impulssikohinasta aiheutuvat virheet. [6]

4	 Sovellukset

ADSL:n ensimmäiset sovellutukset käynnistyivät vuonna 1993. ADSL-tekniikan yleistymisen etuna pidetään sen mahdollistamaa laajaa sovellusten joukkoa. ADSL:n merkittävimpänä sovellusalueena on monesti pidetty Video-on-demand -palveluiden välittämistä kotitalouksille. Suomessa HPY on kokeillut ADSL:ää omassa VoD kenttäkokeilussaan.

Paitsi VOD-sovellutuksiin voidaan ADSL-tekniikkaa käyttää myös muihin interaktiivisiin sovellutuksiin, etäopetukseen ja esimerkiksi videopuhelinsovellutuksiin. Kun ajatellaan, että meillä on nykyisellään jo tilaajakaapeliyhteys useimpiin kotitalouksiin, niin mahdollisuudet ovat mittaamattomat. ADSL:n käyttökohteet voidaan lajitella esimerkiksi taulukon 4.1 mukaisesti. [3]

Viihde:
Tilausvideopalvelu
(Video-on-demand)	Asiakas valitsee haluamansa elokuvan ja soittaa valintansa verkon palvelukeskukseen.	
Tilausmusiikkivideot
(Music on demand)	Asiakas valitsee listasta haluamansa musiikkivideon ja soittaa valintansa verkon palvelukeskukseen.	
Interaktiivinen-TV	Käyttäjä pystyy ohjaamaan ohjelman etenemistä.	

Yrityskäyttö:
Videoneuvottelu	ADSL mahdollistaa korkealaatuisen videoneuvottelukuvan välittämisen.	
Datasiirrot	ADSL:stä saadaan suurinopeuksinen datasiirtoverkko, jossa yritykset voivat siirtää tietojaan esimerkiksi eri toimipaikkojen välillä.	

Pelit:
Interaktiiviset pelit	Asiakas voi pelata peliä, joka on informaatiopalvelimen muistissa. Toisaalta asiakas voi pelata peliä toista pelaajaa vastaan informaatiopalvelimen välityksellä.	
Vedonlyönti	Katsojat voivat osallistua urheilukilpailuihin kotoaan käsin ja lyödä vetoa kilpailujen lopputuloksista.	

Etäopetuskäyttö:
Etäopetus	Opettaja ja oppilaat sijaitsevat fyysisesti eri paikoissa ja opetus tapahtuu etäopetuslaitteiston välityksellä.	
Sähköiset kirjat	Asiakas voi selata kirjoja sähköisessä muodossa.	
Lääketiedesovellukset	Sairaalat voivat siirtää potilaan kuvia eri toimipisteiden välillä. Eri toimipisteessä oleva erikoislääkäri voi antaa neuvoja yleislääkärille.	

Telesovellukset:
Kotoa käsin työskentely	Asiakas voi tehdä työtään kotoaan käsin.	
Videoneuvottelusovellukset	Työasemapohjaiset videoneuvottelulaitteet tekevät työasemasta ‘mediakoneen’.	

Taulukko 4.1  ADSL:n käyttötarkoitukset [3]

5	 VDSL

VDSL (Very high rate Digital Subscriber Line) on ADSL-tekniikkaan perustuva vielä lyhyemmän etäisyyden kattava siirtotapa. VDSL ei ole vielä määritelty yhtä tarkasti kuin ADSL. Myöskään tuotteita ei ole vielä saatavilla. VDSL perustuu ideaan, että vaikkapa talon kellariin tuodaan kuitu ja puhelinkaapelointia käytetään vain hyvin lyhyellä matkalla. Tekniikka on asymmetrinen ja eri suuntiin kulkevat kanavat on erotettu taajuustasossa toisistaan. Linjakoodiksi on ehdotettu ainakin CAPia, DMT:tä, DWMT:tä (Discrete Wavelet Multitone) ja SLC:tä (Simple Line Code). Suunnitteilla olevat etäisyydet ja kapasiteetit näkyvät taulukosta 5.1. [1] Näiden suhde ADSL:än vastaaviin on havainnollistettu kuvassa 5.1.

Nopeus	Etäisyys	
13 - 14 Mb/s	1500 m	
26 - 28 Mb/s	1000 m	
52 - 55 Mb/s	300 m	

Taulukko 5.1  VDSL:n suunnitteilla olevat kapasiteetit [1]

Kuva 5.1  VDSL ja ADSL  [1]

6	 Tulevaisuus

ADSL:llä tulee olemaan merkittävä osuus seuraavien runsaan kymmenen vuoden aikana, kun puhelinyhtiöt suuntautuvat uusille toimialoille videoiden ja multimedian maailmaan. Uusien laajakaistakaapelointien vetäminen kaikkien halukkaiden saataville tulee kestämään vuosikymmeniä. Mutta uusien laajakaistapalveluiden menestys riippuu mahdollisimman suuren liittymämäärän saavuttamisesta jo ensimmäisinä vuosina. ADSL tulee avaamaan nämä markkinat. [1] Tosiasia on, että 6 Mb/s ei ole pidemmän päälle riittävä kapasiteetti. 
ADSL:stä edelleen kehitetty VDSL on tulossa ja on olemassa suunnitelmia moninkertaisen DMT-tekniikan käyttämisestä, jolloin päästään todella suuriin siirtonopeuksiin, joskin vain selvästi alle kahden kilometrin yhteyksillä. Jos ajatellaan valokaapeliliittymien leviävän jokaiseen kotiin, on ADSL kuitenkin vain ylimenokauden tekniikka.

ADSL:n jatkokehitystä tehdään vuonna 1994 perustetussa ADSL Forumissa, joka kokoontuu neljä kertaa vuodessa. [1]

7	 Yhteenveto

ADSL piirissä kytketään ADSL-modeemi parikaapelipuhelinliittymän molempiin päihin. Näin luodaan kolme informaatiokanavaa: korkeanopeuksinen downstream-kanava, keskinopeuksinen duplex-kanava sekä POTS-kanava (Plain Old Telephone Service). POTS on erotettu digitaalisista yhteyksistä filttereiden avulla. Tämä takaa sille keskeytymättömän toiminnan vaikka ADSL vikaantuisi. [1] Eri modulaatiotavoista tärkein on DMT, joka jakaa kanavan 256 alikanavaan, joiden häiriötasoa mittaamalla päästään parhaaseen mahdolliseen kapasiteettiin.

Lähdeluettelo

[1] ADSL Forum <URL:http://www.sbexpos.com/adsl/>

[2] Chen, W.; Waring, D. 1994. Applicability of ADSL to Support Video Dial Tone in the Copper Loop. IEEE Communications Magazine. Toukokuu 1994, s. 102-109

[3] Häkämies, J. 1994. Diplomityö: Video-on-demand - digitaalinen videotilauspalvelu televerkossa. 93 s.

[4] Kuitunen, T. 1994. HDSL ja ADSL: Tilaajaverkon uudet siirtojärjestelmät. Teleskooppi. 1 / 1994, s. 9-12.

[5] Lewis, G. 1995. ADSL - an easy route to video on-demand. Elecronics World + Wireless World. Helmikuu 1995, s. 102-105.

[6] Nurmi, P.; Engdahl, T. 1994. Nopeita tiedonsiirtotekniikoita ja niihin liittyviä palveluita koteihin ja pienyrityksiin. 18 s.

[7] Rozental, S; McCarter, J; McBride, A. 1993. Asymmetric Digital Subscriber Line. Telecommunication Journal of Australia. 43, 3, s. 29-36.

[8] Saarela, K. 1995. ADSL. <URL:http://www.cs.tut.fi/tlt/stuff/adsl/pt_adsl.html>