ADSL, minden amit tudni akartál

Ebben a cikkben az ADSL-t vesszük górcső alá. Hogyan működik? Miért nem? Írásomban fényt derítek rá.

ADSL bevezető:

A multimédiás tartalmak fejlődésével egyre nagyobb igény mutatkozott a széles rétegek számára is hozzáférhető, olcsó és gyors otthoni internetelérésre. Mivel a vezetékes telefonhálózat már elég kiterjedt volt ebben az időben, így kézenfekvő volt a már földben lévő infrastruktúra felhasználása, viszont az új technológiának biztosítania kellett, hogy a telefonvonalak továbbra is alkalmasak legyenek analóg hívások [adat és hanghívások, fax] lebonyolítására. Ennek a felhasználói igénynek a kielégítésére született meg az ADSL.

Az ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, vagyis aszimmetrikus digitális előfizetői vonal) képes a mezei kéteres telefonvonalakon nagy sebességű adatkapcsolat kialakítására. Azért hívják aszimmetrikusnak, mert az elérhető feltöltési sebesség általában sokkal kisebb, mint a letöltési sebesség (általában a tizede).

Fizikai réteg:

Ahhoz, hogy kommunikálni tudjunk a külvilággal, szükség van egy fizikai rétegre, amin keresztül az adatokat küldjük/fogadjuk. Jelen esetben ez nem más, mint a jó öreg két eres telefonkábel, mely a lakásunkban lévő fali aljzattól a helyi telefonközpontig tart. Fontos megérteni: a saját telefonvonalunkon(érpár, vagy más néven helyi hurok) nem osztozunk senkivel, azon csak mi kommunikálunk a helyi központtal, ahol a szolgáltató gerinchálózatának a vége is található.

A helyi telefon központban ADSL előfizetés esetén a vonalunk a DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) nevű berendezéshez csatlakozik. Ez az eszköz fogja össze több tíz, vagy esetenként több száz ADSL vonal forgalmát, melyet aztán a szolgáltató által használt gerinc hálózatra kapcsol. Ő felel a gerinchálózati sebesség elosztásáért, ő állítja be, hogy az egyes ADSL portok mekkora maximális sebességgel kommunikálhatnak (az előfizetésünknek megfelelően), illetve hálózati statisztikák készítésére is alkalmas: forgalom, vonali paraméterek, esetleges hibák stb. küldése a központi adatbázis felé.

Az ADSL csak a lakásunk és a helyi telefonközpont közötti nagy sebességű adat kapcsolat kialakításában és fenntartásában használatos.

Az ADSL felosztja a vonalunkat frekvencia sávokra a következőféleképpen:

- 0-4 kHz-es sávban az analóg hívások [hang, adat, fax]
- 4-25 kHz-es sávban nem folyik semmilyen kommunikáció [védősáv]
- 25-138 kHz-es sávban a visszirány (feltöltés) található
- 138-1107 kHz-es sávban az előre irány (letöltés) található

így tudja biztosítani a technológia, hogy az analóg hívások és a digitális kapcsolat is elkülönítve tudjon működni anélkül, hogy zavarnák egymást. A frekvencia felosztásból még két dolog látszik:

1. Az ADSL full-duplex technológia, ami annyit tesz, hogy egyszerre(párhuzamosan) tudunk le és feltölteni. Ez azért lehetséges, mert a le és feltöltési irány külön frekvencia tartományban vannak, nem zavarják egymást.

2. Már itt jól látszik, hogy az ADSL kapcsolatok azért aszimmetrikusak, mert sokkal szélesebb frekvencia sáv áll a letöltés rendelkezésére.

Kezdetben többféle modulációs eljárás létezett, ezek közül a G.DMT (dirscrete multi-tone) vált egyeduralkodóvá. A G.DMT a 25 - 1107kHz-es sávot kisebb csatornákra, úgynevezett vivőkre osztja fel, szám szerint 256 darabra. Ez azt jelenti, hogy minden csatorna 4.3125 kHz széles. Ebből a 256 darab vivőből az első 32 darab kihasználatlanul áll az ISDN-nel való kompatibilitás megőrzése miatt (a szabvány szerint itt is lehetnének aktív vivők!).

Itt különbözik az Annex A az Annex B szabványtól:

- Az Annex A (Invitel terület) használja az első 32 vivőt is, nincs ISDN kompatibilitás.
- AZ Annex B (Magyar Telekom terület) nem használja az első 32 vivőt, ISDN kompatibilis.

A jelenlegi rendszerben 32 - 64-ig találhatóak a feltöltési vivők, és 65 - 256-ig találhatóak a letöltési vivők. Minden egyes vivőre minimum 2 maximum 15 bitnyi adatot lehet kódolni attól függően, hogy milyen minőségű a telefon vonalunk. Fontos, hogy az ADSL nem tudja változtatni a fel és letöltési vivők arányát, tehát nem tudja a feltöltési sávot megnövelni a letöltési sáv kárára, és viszont.

Az ADSL azért osztja sok kis csatornára az egy nagy frekvencia sávot, mert a vonal minősége a különböző frekvenciákon nem egyenletes. A sáv vivőkre való felosztásával megoldható, hogy az egyes frekvenciákon jelentkező zaj beszivárgások csak azt a vivőt érintsék, amelyiknek a frekvenciáján a probléma van, ne pedig az egész vonalat.

Szűrő: ADSL kapcsolatnál szükség van szűrő alkalmazására, amely szétválasztja a telefonálásra, és az adatkapcsolatra használt frekvenciákat. A szűrő tulajdonképpen arra jó, hogy a gyatra minőségű telefonkészülékeket nem engedi belepofázni az ADSL által használt frekvencia sávba. Ilyen szűrő nem csak az előfizető lakásában, de a telefon vonal túlsó végén is található a telefon központban. Ha nem, vagy nem megfelelően (hibás sorrendben bekötve) használjuk, akkor
1. jó eséllyel kisebb lesz az elérhető sebesség a vonalunkon
2. előfordulhat, hogy a telefonkagyló felvételekor/lerakásakor a DSL modem eldobja a kapcsolatot

Szűrő: a Line nevű aljzatba kerül a bejövő telefon vonal, a Modem nevű aljzatba az ADSL modem, a Phone nevűbe pedig a lakásban lévő telefon, fax és analóg modem készülékek.

Hogyan épül fel a kapcsolat:

Az ADSL a kapcsolat felépülését megelőzően egy szinkronizációs eljárást használ, mely a következőkből áll:

1. Kézfogás (handshake): a végfelhasználónál lévő modem és az alközpont egymásra "köszönnek" és egyeztetik, hogy milyen technológiákat támogatnak (ADSL1, ADSL2, ADSL2+, VDSL stb.). A kézfogás során a támogatott technológiának megfelelően kiválasztásra kerül a vivők száma és helye.

2. Az adóvevők hangolása (training): a modemek megbecsülik a csillapítást, megmérik és beállítják minden vivőn a spektrális maszknak megfelelő adásteljesítményt fel és letöltési irányban is.

3. Csatorna analízis (channel ananlisys): a modemek minden vivőn méréseket végeznek, amiből megállapítják az adott vivő minőségét (SNR), és a rajta biztonsággal átvihető bitek számát az SNR margin figyelembevételével. Az adásteljesítményt folyamatosan monitorozzák, szükség esetén további korrekcióra van lehetőség.

4. Adatcsere (Exchange): a modemek kicserélik egymással a mérések eredményét, és ennek megfelelően beállítják saját oldalukon az adásteljesítményt, és vivőnként az átvihető bitek számát. Ez utóbbiból áll össze a bitallokációs tábla.

Vonali jellemzők:

Azt, hogy egy adott telefon vonalon mekkora le és feltöltési sebességeket lehet nyújtani, az a vonal minőségétől függ. A vonal minőségét két értékkel szokták jellemezni (ezt a modemek is mérik):

Csillapítás (attenuation): ez azt mutatja, hogy mennyit gyengül a jel, mire elér tőlünk a központhoz, illetve a központtól hozzánk. A fel és letöltési irányban is mérik ezt az értéket. Általában szoros kapcsolatban áll azzal, hogy milyen messze vagyunk a központtól (milyen hosszú a telefon vezeték a lakásunk és a központ között). Minél messzebb vagyunk, a csillapítás annál nagyobb, és annál kisebb lesz az elérhető sebesség.

Alábbi képeken a vonalon elérhető maximális letöltési sebességeket lehet látni a vonali csillapítás, illetve a telefon központtól való távolság arányában:

Jel-zaj-arány (Signal-to-Noise-Ration, SNR): megmutatja, hogy adott vivőn lévő zajból mennyire "emelkedik ki" a hasznos jel. Az egyik legfontosabb érték. Minél nagyobb, annál nagyobb a hasznos jel erőssége a zajhoz képest --> annál nagyobb sebességeket lehet elérni, illetve annál stabilabb lesz a vonal.

A modemek többsége a webes felületükön csak az SNR margin értékét írják ki, ez nem keverendő össze az SNR-rel, amit minden vivőn külön-külön értelmezünk. AZ SNR és bitallokációs táblák lekérdezésére az OrbMT, az SM50B és a DMT alkalmazások használhatóak modem típustól függően.

Alábbi képen egy szinkronban lévő ADSL modem SNR és bitallokációs táblája látható. A sárga/kék rész a letöltési irány, a zöld pedig a feltöltési. A letöltési sávban jól látható a szoros összefüggés az átvihető bitek száma és az SNR között, valamint jól látható, hogy minél magasabb frekvencia tartományban vizsgáljuk a vivőket, annál kisebb lesz az SNR és vele együtt az átvihető bitek száma is:

Mi befolyásolja a vonal minőségét?

- távolság: minél nagyobb, annál nagyobb lesz a csillapítás, és annál kisebb az elérhető sávszélesség. Nem árt tudni, hogy a távolság(csillapítás) növekedése eltérően hat a különböző vivőkre: a magasabb tartományban lévő vivők sínylik meg jobban a nagyobb csillapítást
- kötések minősége: akár lakáson belül, akár a lakás és a telefonközpont között, a kötések minősége nagyban befolyásolja az elérhető sávszélességet. A régi, eloxidált kötéseken megnő a csillapítás, ami csökkenti az elérhető sebességet. Átlagosan minden kötésen (ide értve a lakásban lévő elosztókat, toldásokat stb) 0,5dB-t csökken a jel erőssége. (3dB csökkenés a jel erősségének feleződését jelenti)
- zaj: ha a telefonkábelünk erősáramú kábel közelében halad, ott számítani lehet zajbeszivárgásra.
- áthallás: a telefonvonalak egy viszonylag hosszú szakaszon törzskábelben utaznak, amiben a környéken lakók számától függően akár 4-800 érpár is található. Minél többen használnak ADSL-t egy adott törzskábelen, annál nagyobb lesz az áthallás a vonalak között. Az áthallás zajként jelentkezik, ami az SNR érték, és végső soron az elérhető sebesség csökkenéséhez vezet.
- hibás szűrő: elég ritkán fordul elő, de ha probléma van, akkor nem árt ezt is ellenőrizni.
- modemek: bizony, az eltérő modemek adott vonalon eltérő sebességeket tudnak produkálni. Főleg a régebbi és új modemek között van érezhető (akár megabites) különbség, illetve a régi modemek nem támogatják az ADSL2+-t sem.

A DSL-es leírások többsége a letöltési iránnyal foglalkozik, a feltöltésivel pedig szinte sohasem. Nos ennek az az oka, hogy az ADSL feltöltési sávja a legalacsonyabb frekvencia tartományba található, így még nagy távolság és/vagy rossz jel-zaj-arány mellett is általában ezzel a résszel szokott a legkevesebb probléma lenni, itt csökken a legkevésbé az elérhető sebesség.

Bitswapping, interleaving, trellis, SNR margin, target power, FEC:

Bitswapping: ha ez a funkció be van kapcsolva, az lehetővé teszi a modem számára, hogy a vonal folyamatosan változó minőségének megfelelően bizonyos vivőkön csökkentse az átvihető bitek számát, míg más vivőkön növelje (attól függően, hogy az adott vivőn romlik, vagy javul az SNR). Fontos, hogy a bitswapping nem képes a durván romló jelminőséget kompenzálni, mivel a bitswappingnál az összes átviteli bitek száma mindig azonos. (ha például egy komolyabb zajbeszivárgás miatt több vivő is teljesen kiesik, az ADSL elbontja a kapcsolatot a bitswapping megléte ellenére is).

Interleaving: egy hibajavító eljárás, mely a börsztös (burst) hibák ellen véd. A börsztös hiba esetén az adatkommunikációban egymás után küldött bitek sérülnek meg, de az adat jelentős része azért megmarad. Nézzük az alábbi példát:

Hibamentes eredeti üzenet: aaaabbbbccccddddeeeeffffgggg
Átvitel után börszt hibával: aaaabbbbccc____deeeeffffgggg

Jól látszik, hogy az egymás utáni több hiányzó bit miatt az egy bites alkalmazott hibajavítással már nem állítható helyre az üzenet.

Nézzük ugyanezt interleavelve:

Hibamentes eredeti üzenet: aaaabbbbccccddddeeeeffffgggg
Interleavelt üzenet: abcdefgabcdefgabcdefgabcdefg
Átvitel után börszt hibával: abcdefgabcd____bcdefgabcdefg
A hibás adaton végzett de-interleaving után: aa_abbbbccccdddde_eef_ffg_gg

Látható, hogy az interleavelés használatával egy bitesre csökkentettük az egymás után kieső adat mennyiségét, így az alkalmazott 1bites FEC hibajavító kóddal helyreállítható az eredeti üzenet.

Fontos: az interleave eljárás nem fogyaszt hasznos sávszélességet, csupán a késleltetést növeli egy picit.

Trellis: hibajavító eljárás. Alkalmazása minimálisan csökkenti a hasznos sebességet, viszont drasztikusan csökkenti a bithibák számát, és növeli a vonal stabilitását. Ha a modem támogatja, mindenképpen kapcsoljuk be!

SNR margin:

A hálózat üzemeltetője határozza meg az értékét, mely a Magyar Telekom hálózatában jelenleg 10dB körüli (általában 6 és12dB között szokták megválasztani). Ez az érték megmutatja, hogy mekkora zajtartalékkal működjön az adott kapcsolat. Az ADSL-nél minden 3dB plusz egy kódolható bitet jelent. Ez azt jelenti, hogy elméletben egy 45dB-s SNR-rel rendelkező vivő már képes a maximális 15 bit kódolására (45/3=15). Amennyiben az SNR margin 10dB, úgy a vivőn mért SNR-ből le kell vonni ezt a 10dB-t, és kiderül, hogy az adott vivőn már csak 11 bitet lehet kódolni ((45-10)/3=11). Ez az előfizető szempontjából jó dolog, hiszen az adott vivőn 10dB-t kellene romlania az SNR-nek ahhoz, hogy probléma legyen, ekkora romlás pedig elég ritka. Viszont abból a szempontból rossz, hogy a tartalék bitek hasznos sávszélességbe kerülnek, és sok jó minőségű vonalon például 6dB SNR margin is elég lenne a 10dB helyett. Az SNR margin le és feltöltési irányban külön kerül meghatározásra és értéke a vonalra jellemző átlagot mutatja. Ne keverjük össze az SNR-rel!

Target power: szintén a hálózat üzemeltetője határozza meg, és a modemek maximális adásteljesítményéért felel. Minél messzebb vagyunk a központtól, a modemeknek annál erősebben kell adniuk, hogy a növekvő csillapítást leküzdjék. Viszont ha minden modem egyformán, a maximális teljesítménnyel adna, akkor a korábban már említett törzskábeleken fellépő áthallás oly mértékben megnőne, hogy a hálózat nagyon hamar használhatatlanná válna. A target power arra jó, hogy a szinkronizációnál elvégzett mérések alapján utasítsa a közeli és/vagy jó minőségű vonalon lévő modemeket, hogy csökkentsék az adásszintjüket. Az adásszint csökkentése általában addig tart, amíg a felhasználó még megkapja a maximális sebességet, és az SNR margin nem esik a szolgáltató által választott érték alá.

FEC:: Forward Error Correction. Egy hibajavító eljárás, melyet úgy terveztek, hogy a hibák javításához ne legyen szükség újraküldésre. Ezt az eljárást használja az ADSL fizikai rétege. Bővebben a FEC-ről.

ADSL2+:

Az ADSL2+ a következő újításokat hozta:

- A letöltési frekvencia sáv a duplájára nőtt (1,1MHz-ről 2,2MHz-re)
- A maximális letöltési sebesség 8Mbit/s-ról 24Mbit/s-ra nőtt
- A maximális feltöltési sebesség ~800kbit/s-ról 1Mbit/s-ra nőtt
- Megnövelt hatótávolság a továbbfejlesztett modulációs eljárásokkal
- Továbbfejlesztett trainelés
- Gyorsabb trainelés: az eddigi 10 helyett kb. 3 másodperc alatt épül fel az ADSL kapcsolat
- On-line vonalállapot monitorozás még akkor is, ha a vonal olyan rossz, hogy azon nem épül fel az ADSL kapcsolat
- A FEC hibajavító eljárás kiegészül Reed-Solomon kóddal is: jobb hibajavító képesség
- Dinamikus overhead allokálás: míg az ADSL keretekben fix 32kbites overhead volt, addig ez az ADSL2+-nál dinamikusan változtatható 4-32kbit között.
- SRA (Seamless Rate Adaptation): képes a vivőket újraszinkronizálás, és szakadás nélkül ki és bekapcsolni, így a legdurvább jelminőség-változás hatására sem szakad meg a vonal. (a bitswapping továbbfejlesztett változata)
- Bonding: képes több érpárt összefogni és azon megnövelt sebességeket nyújtani (1 érpár: 24Mbit, 2érpár 48Mbit)

VDSL, VDSL2::

- A letöltési frekvencia sáv 30MHz-re nőtt.
- A maximális átviteli sebesség 50Mbit/s-ra nőtt
- Képes a szimmetrikus működésre is (maximum 100Mbit/s)
- FDM modulációs eljárás ( bővebben itt olvashatsz róla )
- Szabvány szerint több modulációs eljárást is támogat: QAM, DMT, FDM.
- Továbbfejlesztett hibajavító eljárás
- A VDSL2 aszimmetrikus módban maximum 250Mbit/s-ot tud letöltési irányban
- A technológia hátránya, hogy az érzékelhetően nagyobb sebességeket csak rövid, jó minőségű érpárokon tudja biztosítani

Sajnos a jelentősen nagyobb sávszélességet csak rövid (maximum 1-1,5km) kábelhosszig tudja tartani.

A jövő: Azt tudjuk, hogy a Magyar Telekom legtöbb telefonközpontja már ADSL2+ képes, és ezt a legtöbb helyen bekapcsolták. Azt is tudjuk, hogy a fővárosban egy kisebb területen már volt VDSL2 tesztüzem, a zászlórúd mégsem a VDSL-nek áll. A Magyar Telekom nemrégiben bejelentette, hogy 2010-2013 között 800 ezer háztartás számára kívánja elérhetővé tenni az FTTH G-PON, mely üvegszálas kapcsolatot jelent egészen az előfizető lakásáig, amin 100-1000Mbit/s szinkron sebességeket lehet szolgáltatni. A jövő tehát egyértelműen üvegszál alapú lesz, ebből arra következtetek, hogy a Magyar Telekom már nem fog komoly pénzeket elkölteni a VDSL hálózat kiépítésére.

Kapcsolódó írásaim a témában:

ADSL szűrő teszt

ADSL modem teszt I.

ADSL modem teszt II.

Router sebesség teszt(/L)

Telekomos ADSL és ATM oktatási anyag kedvenc telefonszerelőm jóvoltából

Update: 2009.03.07. ADSL2+/VDSL újraírva, rövidítések és hibajavítási rész kiegészítve.

Dchard