DSL

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Begriff

Baustelle!
Dieser Artikel behandelt die Grundprinzipien der DSL-Technik. Anwendingsspezifische Besonderheiten kommen in die ADSL, SDSL und VDSL Artikel. Über die DSL-Technik kann man locker 10 Doktorarbeiten schreiben, dies soll nur eine grobe Einführung sein.

Einführung

Spektrum bei ADSL-1
Spektrum bei ADSL2+
Spektrum bei VDSL2

DSL, auch xDSL genannt, ist eine Breitband-Ubertragungstechnik die auf der "letzten Meile" über normales Telefon-Kupferkabel eigenständig oder parallel zum Telefoniebetrieb eingesetzt wird. Sie wurde erstmals 1995 in der ITU-T Rec. G.992.1 standardisiert und wurde über die Jahre ständig weiterentwickelt. So unterscheidet man heute:

  • SDSL - Symmetrisches DSL
  • ADSL - Asymmetrisches DSL
  • VDSL - Hochgeschwindigkeits-DSL

Allen DSL-Variationen funktionieren nach dem selben Grundprinzip.

Subcarrier, Pilotton und Annex

DSL nutzt ein Frequenzband bis in den Megahertz-Bereich das in Subcarrier aufgeteilt wird. Einer dieser Subcarrier enthält einen Pilotton (im Spektrum rot), die restlichen werden auf Telefonie, Upstream (im Spektrum grün) und Downstream (im Spektrum blau) verteilt.

Bei SDSL (Symmetrisches DSL) ist die Anzahl der Subcarrier für Upstream und Downstream identisch, bei ADSL (Asymmetrisches DSL) nicht. Die Breite des für Telefonie reservierten Bereichs regelt der ADSL Annex. Die modernste Weiterentwicklung der DSL-Technik ist VDSL.

Die Übertragungs-Datenraten der verschiedenen DSL-Generationen unterscheiden sich vor allem durch Verwendung eines größeren Frequenzbereichs und damit auch durch die Anzahl der verwendeten Subcarrier, einzige Ausnahme bildet das VDSL2 Profil 30a, das auch die Breite der Subcarrier verdoppelt.

Modulation und Bit-Allocation

DSL nutzt als Modulationsverfahren DMT das auf jedem der für Upstream und Downstream bereitgestellten Subcarriers 0-15 Bits per QAM aufmoduliert. Die genaue Anzahl hängt vom Signal/Rausch-Abstand eines jeden Frequenzbandes ab (im Spektrum gelb), der beim Modem-Training ausgemessen wird. Die daraus resultierende Bit-Allocation Tabelle ist auch im Bild oben zu sehen (blau und grün).

Je Signalrichtung bilden die Bits aller Subcarrier zusammen ein DMT Datenframe, auch DMT-Symbol genannt, es werden je Richtung und Sekunde 4000 Frames gesendet. Daraus lässt sich das theoretische Maximum der Bandbreite errechnen:

  • 254 Subcarrier x 15 bits x 4000 Frames/s = 15.240.000 rohe Bits/s in beide Richtungen zusammen.

Dies wäre die maximale Bitrate ohne Telefonie. Diese Variante ist zwar in der Spezifikation vorgesehen, in der Realität wird jedoch fast immer Platz für Telefonie gelassen, ob sie genutzt wird oder nicht. Bei Annex B sind das 31 Carriers:

  • 223 Subcarrier x 15 bits x 4000 Frames/s = 13.380.000 rohe Bits/s in beide Richtungen zusammen.

Bei den festgelegten 32 Subcarriern für den Upstream ergibt sich:

  • 32 Subcarrier x 15 bits x 4000 Frames/s = 1.920.000 rohe Bits/s für den Upstream.
  • 191 Subcarrier x 15 bits x 4000 Frames/s = 11.460.000 rohe Bits/s für den Downstream.

Daten-, Sync- und Superframes

Nach jeweils 68 Frames mit Benutzerdaten wird ein Synchronisations-Frame eingefügt, das keine Benutzerdaten enthält. Diese 69 Frames nennt man zusammen ein Superframe. Damit die Datenframe-Rate bei 4000 Frames/s bleibt liegt die DMT-Frame-Rate 4000 * 69 / 68. Dadurch ergibt sich eine Superframe-Rate von:

  • 4000 Datenframes/s / 68 Datenframes/Superframe = ca. 59 Superframes/s (genau 17 ms/Superframe)

Die Reihenfolge in der Datenframes innerhalb eines Superframes angeordnet werden kann verwürfelt (interleaved) sein. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Korrigierbarkeit kuzzeitiger Störspitzen (Bursts) aus, da der Fehler nach der Wiederherstellung der Reihenfolge auf der Empfängerseite "in Stücke" geschnitten wird und damit sehr viel wahrscheinlicher korrigiert werden kann.

Der Preis ist eine größere Verzögerung, da auf Pakete gewartet werden muss um sie wieder in der korrekten Reihenfolge weiterzugeben. Daher gibt es die Option Fastpath, bei der auf diese Verwürfelung zu Gunsten einer niedrigeren Latenz verzichtet wird. Diese unsinnigerweise meist kostenpflichtige Option war vor allem bei Online-Gamern sehr beliebt.

Fehlerkorrektur

Ähnlich wie bei einer CDROM wird bei DSL davon ausgegangen das es zu Übertagungsfehlern im Datenstrom kommt. Daher werden die Daten vor dem Senden aufbereitet und wie bei der CD mit Reed-Solomon (RS) kodierten Redundanzdaten versehen mit denen Fehler auf der Empfängerseite bis zu einer gewissen Länge korrigiert werden können.

Dieses Verfahren nennt man "Forward Error Correction" (FEC), es läuft in Echtzeit ab, schmälert aber durch das Hinzufügen der Redundanzdaten die effektive Bandbreite für Nutzdaten. Ein mit Redundanzdaten versehenes Datenframe nennt man FEC-Datenframe.

Multiplexing und CRC

Da neben dem Hauptzweck der Datenübertragung auch viele organisatorische Systeme einen Anteil der Übertragungsbandbreite benötigen wird ein Multiplexer (MUX) verwendet mit dem diese Datenströme mit unterschiedlicher Gewichtung kombiniert werden. Ein auf diese Weise zusammengesetztes Superframe wird MUX-Datenframe genannt, es wird mit CRC-Checksummen zur späteren Fehlererkennung versehen.

Die Gewichtung der verschiedenen MUX-Kanäle wird in Vielfachen von 32kBit/s gewählt, auf diese Weise können den Kanälen auf ihre Bedürfnisse zugeschnittene Bandbreiten zugeteilt werden. Die einzelnen Kanäle sind:

  • AS0-3 / LS0-2 - Hierüber läuft ATM - Asynchronous Transfer Mode
  • EOC - Embedded Operations Channel
  • AOC - ADSL Overhead Control
  • OAM - Operation, Administration and Maintenance
  • NTR - Network Timing Reference (8 kHz, nur im Downstream)
  • TTR - TCM Timing Reference

Hyperframes und TTR

Je 5 Superframes bilden ein Hyperframe, dessen Aufgabe es u.A. ist Padding-Bits in den MUX-Stream einzufügen um die Multiplex-Bitrate auf ein Vielfaches von 32kBit/s zu runden. Zusätzlich wird die TTR Timing-Referenz je Hyperframe alteriert. Dabei ändern alle Sync-Frames ihre Phase. Dieser Mastertakt ist dafür vorgesehen die Empfangs-PLL, von der alle Empfängertakte bis hin zur DMT-Symbolrate abgeleitet werden, zu synchronisieren.

Artikel zum Thema

  • TODO

Siehe auch

DSL: (205)

Internet: (170)