Modell für Nebensprechstörungen auf xDSL-Leitungen und dessen praktische Umsetzung Alfred

152 Pages·2017·2.77 MB·German

Modell fu(cid:127)r Nebensprechst(cid:127)orungen
auf xDSL-Leitungen und dessen
praktische Umsetzung
Alfred Voglgsang
ii
Lehrstuhl fu(cid:127)r Integrierte Schaltungen
der Technischen Universit(cid:127)at Mu(cid:127)nchen
Modell fu(cid:127)r Nebensprechst(cid:127)orungen auf
xDSL-Leitungen und dessen praktische
Umsetzung
Alfred Voglgsang
Vollst(cid:127)andiger Abdruck der von der Fakult(cid:127)at fu(cid:127)r Elektrotechnik und Informationstechnik der
Technischen Universit(cid:127)at Mu(cid:127)nchen des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. techn. P. Russer
Pru(cid:127)fer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. I. Ruge, em.
2. Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. St. Lindenmeier
3. Univ.-Prof. Dr. sc. techn. A. Herkersdorf
Die Dissertation wurde am 17.09.2003 bei der Technischen Universit(cid:127)at Mu(cid:127)nchen eingereicht
und durch die Fakult(cid:127)at fu(cid:127)r Elektrotechnik und Informationstechnik am 17.05.2004 angenom-
men.
iv
Danksagung
Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr.-Ing. Ingolf Ruge, der
mir die M(cid:127)oglichkeit zur Arbeit auf dem Gebiet der xDSL-Technik gab. Durch seine
F(cid:127)orderung hat er wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetragen.
Herrn Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Stefan Lindenmeier danke ich fu(cid:127)r die U(cid:127)bernahme des
Zweitreferats und die (cid:127)au(cid:25)erst wertvollen Anregungen.
Herrn Dr.-Ing. Rudi Knorr bin ich fu(cid:127)r die Unterstu(cid:127)tzung w(cid:127)ahrend der Entstehung die-
ser Arbeit an der Fraunhofer Einrichtung fu(cid:127)r Systeme der Kommunikationstechnik zu
gro(cid:25)em Dank verp(cid:13)ichtet.
Ausdru(cid:127)cklich m(cid:127)ochte ich mich bei Herrn Dr.-Ing. Helmut Steckenbiller bedanken, der
mir stets als wertvoller Gespr(cid:127)achspartner zur Verfu(cid:127)gung stand und mich w(cid:127)ahrend der
Entstehung dieser Arbeit sehr unterstu(cid:127)tzte.
Herrn Dipl.-Ing. Holger Hutzelmann, Herrn Dipl.-Ing. Mathias Leibiger und Herrn
Dipl.-Ing. Arnold Plankl danke ich fu(cid:127)r die Diskussionen bei der Kl(cid:127)arung fachlicher De-
tails sowie fu(cid:127)r die Durchsicht des Manuskripts.
Bedanken m(cid:127)ochte ich mich zudem bei allen Mitarbeitern der Fraunhofer Einrichtung
fu(cid:127)r Systeme der Kommunikationstechnik fu(cid:127)r die angenehme Arbeitsatmosph(cid:127)are und
die kollegiale Zusammenarbeit.
Mu(cid:127)nchen, im September 2003
Alfred Voglgsang
vi
Kurzfassung
Die Arbeit untersucht und analysiert die auf Telefonanschlussleitungen auftretenden
Nebensprechst(cid:127)orungen. Fu(cid:127)r die realistische Simulation dieser St(cid:127)ore(cid:11)ekte fu(cid:127)r Tests von
xDSL-Systemen und zu Analysezwecken wird ein verbessertes Nebensprechmodell ent-
wickelt und dessen hardwaree(cid:14)ziente Implementierung untersucht.
Unter dem Begri(cid:11) xDSL\(Digital Subscriber Line) werden digitale U(cid:127)bertragungstech-
"
nologien zusammengefasst, mit denen Summendatenraten von mehreren Mbit/s u(cid:127)ber
die Kupferzweidrahtleitungen des Telefonanschlussnetzes m(cid:127)oglich sind. Neben den
aus der Umgebung auf die Telefonanschlussleitungen eingekoppelten St(cid:127)orungen, be-
eintr(cid:127)achtigen die zwischen den Kupferzweidrahtleitungen auftretenden Nebensprech-
st(cid:127)orungen (U(cid:127)bersprechst(cid:127)orungen) die Datenrate und Reichweite der daru(cid:127)ber betriebe-
nen xDSL-Verbindungen. Nebensprechst(cid:127)orungen sind auf die fehlende Abschirmung
der Zweidrahtleitungen zuru(cid:127)ckzufu(cid:127)hren und nehmen mit der Anzahl der parallel an
einer Telefonanschlussleitung betriebenen U(cid:127)bertragungssysteme zu.
Um Endkunden einen xDSL-Dienst in der dafu(cid:127)r vorgesehenen Dienstgu(cid:127)te (Quality of
Service) sicher zur Verfu(cid:127)gung stellen zu k(cid:127)onnen, wird die Datenrate und Reichweite
von xDSL-Systemen (xDSL-Modems beim Teilnehmer beziehungsweise Line Cards in
der Vermittlungsstelle) unter St(cid:127)orein(cid:13)u(cid:127)ssen vorab im Labor getestet. Bei den xDSL-
Systemtests generieren St(cid:127)orsignalgeneratorenNebensprechst(cid:127)orungen nachdenstandar-
disierten Modellen vonETSI TM6undANSI T1E1. Daru(cid:127)berhinaus werden diese stan-
dardisierten Nebensprechmodelle zur Netzplanung eingesetzt. Die xDSL-Systemtests
sollen gew(cid:127)ahrleisten, dass die an einer Telefonanschlussleitung betriebenen U(cid:127)bertra-
gungssysteme durch weitere xDSL-Systeme nicht beeintr(cid:127)achtig werden. Problema-
tisch in diesem Zusammenhang ist, dass die auf den realen Telefonanschlussleitungen
messbaren Nebensprechst(cid:127)orungen teilweise von den simulierten St(cid:127)orungen der ETSI-
und ANSI-Nebensprechmodelle abweichen. Durch diese Simulationsungenauigkeiten
derstandardisiertenNebensprechmodelle sinddieimLaborermitteltenDatenratenund
Reichweiten eines xDSL-Systems auf die realen Verh(cid:127)altnisse nur eingeschr(cid:127)ankt u(cid:127)ber-
tragbar. Ferner fu(cid:127)hren Unzul(cid:127)anglichkeiten bei der Simulation von Nebensprechst(cid:127)orun-
gen zu ine(cid:14)zient beschalteten Telefonanschlussleitungen.
Diese Problematik stellt die Motivation fu(cid:127)r diese Arbeit dar. Es sollen bestehende
Nebensprechmodelle untersucht beziehungsweise neue Modelle entwickelt werden, die
eine realistische Reproduktion der auf den Telefonanschlussleitungen messbaren Ne-
bensprechst(cid:127)orungen erm(cid:127)oglichen. Eine geringe Komplexit(cid:127)at fu(cid:127)r eine kostengu(cid:127)nstige
Implementierung, sowie die automatische Adaption des zu entwickelnden Modells auf
die realen Nebensprechverh(cid:127)altnisse im laufenden Betrieb der Telefonanschlussleitun-
gen, stellten die wesentlichen Randbedingungen fu(cid:127)r das neue Nebensprechmodell dar.
Das Modell soll bei Labortests und zur Netzplanung gleicherma(cid:25)en einsetzbar sein.
Dieaufden Telefonanschlussleitungen messbaren Nebensprechst(cid:127)orungen sind vor allem
vom Aufbau der Leitungen und den daran parallel betriebenen U(cid:127)bertragungssystemen
abh(cid:127)angig. Zur Festlegung des physikalischen Umfeldes fu(cid:127)r die zu untersuchenden Ne-
bensprechmodelle, wird deshalb die Struktur des Telekommunikationsnetzes und die
darin eingesetzten Leitungen analysiert. Neben U(cid:127)bersprechst(cid:127)orungen treten Impuls-
und Funkst(cid:127)orungen auf Telefonanschlussleitungen auf, die in einem U(cid:127)berblick betrach-
vii
tet werden.
Nebensprechst(cid:127)orungen werden nach Nah- und Fernnebensprechst(cid:127)orungen di(cid:11)erenziert.
U(cid:127)bertragungssysteme die Nahnebensprechst(cid:127)orungen verursachen be(cid:12)nden sich amglei-
chen Kabelende, wie das dadurch gest(cid:127)orte xDSL-System. Fernnebensprechst(cid:127)orungen
treten durch Systeme am gegenu(cid:127)berliegenden Kabelende auf. Die Parameter der stan-
dardisierten Nebensprechmodelle wurden nach Messungen an realen Kabelbu(cid:127)ndeln in
der Weise de(cid:12)niert, dass 99 Prozent der untersuchten Leitungen kleiner oder maximal
die mit den Modellen simulierten Nebensprechst(cid:127)orungen aufweisen. Dabei gehen die
Standardnebensprechmodelle von vereinfachenden Annahmen hinsichtlich der physika-
lischen Gegebenheiten auf Telefonanschlussleitungen aus.
Die Abweichungen realer Leitungen von den idealisierten Annahmen werden in der
Arbeit analytisch und messtechnisch untersucht. Dazu wird die Abh(cid:127)angigkeit der Ne-
bensprechst(cid:127)orungen von der geometrischen Lage der st(cid:127)orenden U(cid:127)bertragungssysteme
in Telefonanschlussleitungen analysiert. Des Weiteren wird die Simulationsgenauigkeit
der Standardnebensprechmodelle mittels exemplarischer Messungen an realen Leitun-
gen veri(cid:12)ziert. Um Aussagen u(cid:127)ber die Gr(cid:127)o(cid:25)enordnung von parallel auftretenden Nah-
und Fernnebensprechst(cid:127)orungen tre(cid:11)en zu k(cid:127)onnen, werden Messungen an realen Tele-
fonanschlussleitungen durchgefu(cid:127)hrt.
Basierend auf den physikalischen Untersuchungen wird ein neues Nebensprechmodell
entwickelt, welches die auf Telefonanschlussleitungen auftretenden Nebenspreche(cid:11)ekte
fu(cid:127)r die jeweilige Leitung individuell simuliert und reproduziert. Simulationsungenauig-
keiten, die aus der Betrachtung des allgemeinen Ein Prozent Worst-Case Falles\ der
"
Standardnebensprechmodelle resultieren, werden durch die individuelle Simulation der
im Einzelnen vorhandenen Nebensprechst(cid:127)orungen vermieden. Die von (cid:127)aquivalenten
Nebensprechmodellen im Zeitbereich verwendeten Faltungsoperationen werden durch
dieModellierungimFrequenzbereich mittelseinfacher zuimplementierende Multiplika-
tionen ersetzt. Als Eingangsgr(cid:127)o(cid:25)en verwendet das neu entwickelte Nebensprechmodell
die auf Telefonanschlussleitungen gemessenen Sende- und St(cid:127)orleistungsdichtespektren.
Dabeiadaptiertsichdasvorgestellte ModellimlaufendenBetriebderTelefonanschluss-
leitungen auf die vorhandenen Nebensprechst(cid:127)orungen, so dass ein Abschalten der Sen-
deanlagen oder kostenaufwendige Messungen unn(cid:127)otig sind.
Fu(cid:127)r den Einsatz des entwickelten Nebensprechmodells bei xDSL-Systemtests und zur
Netzplanung werden die Implementierungsaspekte im Detail untersucht. Es wird eine
hardwaree(cid:14)ziente Messschaltung auf Systemebene konzipiert, mittels der die zur Mo-
dellierung n(cid:127)otigen Spektren gemessen werden k(cid:127)onnen. Als Messprinzipien wird das
Fast-Fourier-Prinzip\und das Heterodyn-Prinzip\(U(cid:127)berlagerungsprinzip) betrach-
" "
tet.
Durch den Einsatz des neu entwickelten Nebensprechmodells in einem (cid:13)exiblen St(cid:127)or-
signalgenerator1 werden xDSL-Systeme im Labor realit(cid:127)atsnah getestet und optimiert.
Ferner ist das entwickelte Modell zur Analyse von Nebenspreche(cid:11)ekten einsetzbar.
Durch Verwendung des vorgestellten Nebensprechmodells kann die bestehende Kabel-
infrastruktur des Telekommunikationsnetzes hinsichtlich der auftretenden St(cid:127)orungen
in einer optimierten Weise beschaltet werden.
1DieindividuelleReproduktionderaufeinerTelefonanschlussleitungmessbarenNebensprechst(cid:127)orun-
gen stellt die Flexibilit(cid:127)at des St(cid:127)orsignalgeneratorsdar.
viii
Inhaltsverzeichnis
Danksagung iv
Kurzfassung vii
Inhaltsverzeichnis ix
Symbolverzeichnis xvii
1 Einleitung 1
1.1 Test von xDSL-Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Technische Einordnung und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Das Telekommunikationsnetz 9
2.1 Netzstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 St(cid:127)orungen fu(cid:127)r xDSL-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Aktuelle St(cid:127)orsignalgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Nebensprechen auf xDSL-Leitungen 17
3.1 Aufbau von Telefonanschlussleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Nahnebensprechen (NEXT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Nahnebensprechmodell fu(cid:127)r einen Einzelst(cid:127)orer . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2 NEXT-Modelle fu(cid:127)r mehrere NEXT-St(cid:127)orer . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 Untersuchung der Standard-Nahnebensprechmodelle . . . . . . . . . . 37
3.3 Fernnebensprechen (FEXT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.1 Fernnebensprechmodell fu(cid:127)r Einzelst(cid:127)orer . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2 FEXT-Modelle fu(cid:127)r mehrere FEXT-St(cid:127)orer . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.3 FEXT-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Verbessertes Nahnebensprechmodell 69
4.1 Einfu(cid:127)hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Multivariantes Regressionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3 Nicht lineares Regressionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Lineares Regressionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6 Diskussion und Bewertung des modi(cid:12)zierten Nahnebensprechmodells . . . . . 91
4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
ix
Inhaltsverzeichnis
5 Systemimplementierung und Einsatzbereiche des verbesserten Nebensprechmo-
dells 95
5.1 Einfu(cid:127)hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 Messsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.1 Messschaltung nach dem FFT-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.2 Messschaltung nach dem Heterodyn-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Einsatzszenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.1 Flexibler St(cid:127)orsignalgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3.2 Analyse von Nebensprechst(cid:127)orungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6 Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick 109
A Implementierte xDSL-St(cid:127)ormodelle 117
B Leistungsdichtespektren 119
B.1 ISDN-Leistungsdichtespektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
B.2 HDSL-Leistungsdichtespektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
B.3 Downstream ADSL-Leistungsdichtespektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
B.4 Upstream ADSL-Leistungsdichtespektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C Leitungscharakteristik 123
x