Die Erfindung zeigt ein Datenübertragungssystem, wobei das System aus einer Komponente mit bidirektionalen Eigenschaften im unteren Frequenzband besteht, sowie einer überlagerten Komponente mit unidirektionalen Übertragungseigenschaften im oberen Frequenzband.
Die Erfindung findet ihre Anwendung in Telefonnetzen als Erweiterung zu DSL-Systemen. Hauptsächlich ermöglicht das System einen höheren Datenfluss von den örtlichen Vermittlungsstellen zu den Haushalten.
Durch diese Erfindung können auf breiter Basis Übertragungsnetze im öffentlichen Telefonnetz bis ca. 80 Mbit/s erstellt werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein System zur Datenübertragung, das die Datenrate von der örtlichen Vermittlungsstelle bis zum Kunden in Telefonnetzen verbessern soll.
STAND DER TECHNIK
Aufgrund der gestiegenen Datenanforderungen im Alltag werden zunehmend schnellere Verbindungen von den Telekommunikationsbetreibern gefordert. Als Flaschenhals stellt sich hierbei die sogenannte „letzte Meile“ von der örtlichen Vermittlungsstelle zum Endbenutzer dar. Um den Forderungen gerecht zu werden, werden, haben die Telekommunikationsbetreiber Technologien unter dem Namen DSL (Digital Subscriber Line, folgend auch DSL genannt) entwickelt. Diese Systeme werden zur Zeit flächendeckend installiert.
Je nach vorhandenem Übermittlungssystem werden die Codierverfahren PAM (Pulsed Amplitude Modulation), DMT (Diskrete Multi Tone) und CAP (Carrierless Amplitude /Phase Modulation) eingesetzt.
In der Regel sind die Haushalte mit 2 Leiterpaaren also 4 Einzeladern angeschlossen. Die Adern haben einen Leitungsquerschnitt von 0,4 mm bis 0,6 mm und sind im Durchschnitt weniger als 3 km lang. Je nach Übertragungsverfahren werden zur Zeit bis ca. 3,5 km Reichweite unterstützt. National können hier grosse Unterschiede in der Ausführung vorliegen. Aufgrund der Erweiterung der Schaltungseigenschaften werden in der Regel die bisherigen analogen Signale in der Vermittlungsstation und beim Empfänger durch sogenannte POTS-Splitter (Plain Old Telephone Service) beigemischt bzw. getrennt.
Dennoch liegen mit den realen Übertragungsraten von ca. 1,5 Mbit/s die Ergebnisse weit hinter den Forderungen der Benutzer.
Problematisch ist bei diesen Aufbauten die starke Begrenzung der Reichweite. Aufgrund der Signalbandbreite wird das Signal sehr stark gedämpt. Die Abschwächung eines 1MHz Signals kann hierbei bereits 70 dB betragen. Durch die hohe Bandbreite ergibt sich auch eine bedingte Erhöhung der eingestreuten Störsignale durch Schalt- und Störimpulse entlang der Leitungsstrecke, aber auch an den Leitungsenden. Die Frequenzbereiche betragen bei dem derzeitig angezielten SDSL-Verfahren von 0 bis 387 kHz und bei ADSL hoch bis zu 1,1 MHz.
(Fig.1) Das Signal wird in der Regel elektrisch durchgängig von der örtlichen Vermittlungsstelle bis zum privaten Haushalt durchgeschleift. Die Leitung geht hierbei von der Vermittlungsstelle zu den Verteilerkästen, die in der Regel einen Strassenblock abdecken. Dort werden die Leitungsadern des Gesamtkabels verteilt auf die Einzeladern des Kabels, das zum Endkunden führt. Die Kabel bestehen in der Regel aus Kupfer mit PolyEthylen umhüllt.
AUFBAU BESTEHENDER ÜBERTRAGUNGSSYSTEME (DSL-SYSTEME)
(Fig.2) Zwischen Sender und Empfänger werden bisher 2 gedrillte Drähte als 1 Leitungs-Verbindung verwendet, damit mögliche Potentialdifferenzen vermieden werden und das potentialbezogene Rauschen unterdrückt wird, sowie zur eindeutigen Festlegung des Übertragungsweges. Dabei dient eine Ader als Hin-Leitung und eine Ader als Rück-Leitung. Beide Adern ergeben einen geschlossenen Stromkreis (local loop).
(Fig.3) Diese Systeme sind so ausgelegt, dass sie gleichzeitig Senden und Empfangen können (full duplex). In einer sogenannten Hybrid-Schaltung wird durch einen Mischer das zu sendende Signal auf die Übertragungsleitung gelegt, welches gleichzeitig das Empfangssignal enthält. Das nun gemischte Signal aus Sende-und Empfangssignal wird auf dem Weg zum eigenen Empfänger wiederum zum reinen Empfangssignal, indem das eigene Sendesignal nochmals durch einen Mischer vom Gesamtsignal abgezogen wird.
(Fig.4) Damit kein Signalecho und keine Signalverzerrungen entstehen, wird die Geräte-Impedanz im Sender und im Empfänger gleich der Impedanz der Leitung gesetzt. Die Leitungsenden werden deshalb heute in der Regel mit 120 Ohm global an die Leitung „angepasst“. Figur 4 zeigt eine typische Leitungsanpassung eines DSL-Treibers.
(Fig.5) Die Berechnung der Leitungs-Impedanz bzw. des Wellenwiderstandes der Leitung erfolgt aus dem mathematischen Model, bei dem die Leitung in kleine Stücke zerlegt wird, die im Ersatzschaltbild aus dem elektrischen Komponenten R’, L’, C’, G’ bestehen. Hieraus ergibt sich nach mehreren Umformungen und Annäherungen für Telefonleitungen der Wellenwiderstand:
.
Dieser Widerstand ist frequenzunabhängig und dient hauptsächlich der Betrachtung einer Welle im Leiter, die auf einen Endpunkt stösst. Durch eine korrekte Wahl können Reflexionen und Verzerrungen hierbei unterdrückt werden.
Der Frequenzbereich dieser Übertragungs-Systeme liegt normalerweise unterhalb 1,5 MHz. In Zukunft sollen aber höhere Frequenzen bis zu 10 MHz angestrebt werden.
Die gesamte Übertragungsrate liegt in Deutschland bei ca. 1,5 Mbit/s für normale Kunden-Haushalte.
PROBLEM:
Nach dem derzeitigen Stand der Technik, ist es nicht möglich die Raten der Datenübertragung mit reinen DSL-Techniken deutlich zu erhöhen.
Bei der Erhöhung der Frequenz tritt einfach eine zu starke Dämpfung ein.
Betrachtet man eine einfache Test-Tabelle der ITU (Normierungskremium für Telekommunikation), stellt man rasch fest, dass die Dämpfung in dB mit steigender Frequenz stark steigt. Die Dämpfungswerte sind in (Fig.7) graphisch dargestellt.
(Fig.6) Mit einer einfachen Gesamtbetrachtung des Übertragungssystems lässt sich anhand der Dämpfungswerte dieser Tabelle der Signalverlust eines Sendesignals zum Empfänger ausrechnen sowie der entsprechende Widerstand der Leitung bei dieser Frequenz.
(Fig.7) Hieraus ergibt sich , dass mit linear steigender Frequenz die Dämpfung fast linear steigt, aber der Widerstand exponential steigt.
(Fig.8) Das resultierende Signal hieraus am Empfänger geht rasch unter den Millivolt-Bereich und der entsprechende frequenzzugehörige Widerstand geht schnell über den 1 MegaOhm-Bereich.
Deshalb ist mit den bestehenden Systemen ein Nutzen der oberen Frequenzbereich nahezu unmöglich. Vereinfacht betrachtet teilt sich bei einer Frequenz von 1 MHz eine Spannung am Sender auf einen 25 Millionen-Ohm Gesamt-Widerstand der Leitung zu einem vernachlässigenden Teil des Empfängers von 120 Ohm. Dabei wird ersichtlich, dass selbst die beste Messtechnik an ihre Grenzen stösst, unbeachtet der schon vorhandenen Rauschanteile.
AUFGABE:
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Übertragung von Daten vorzuschlagen, das hohe Gesamt-Datenraten für Endkunden auf breiter Basis ermöglicht und hierzu bestehende System-Strukturen berücksichtigt und erweitert.
LÖSUNG:
(Fig.9) Die Aufgabe wird durch ein System der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
1. ein bestehendes DSL-System in 2 Frequenzbereiche unterteilt wird.
2. Der niedere Frequenzbereich wird bidirektional entsprechend einer normalen DSL-Schaltung genutzt. Die Sende- und Empfangsanpassung entspricht der Leitungsanpassung
3. Der hochfrequente Frequenzbereich wird unidirektional genutzt.
Die Empfangsimpedanz wird maximal gewählt.
ERLÄUTERUNGEN UND WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Zunächst wird entsprechend dem Lösungsvorschlag der Spannungsabfall am Empfänger bei verschiedenen Frequenzen ermittelt. Die Frequenz, bei der das Empfangssignal unter einen gültigen Bereich fällt, wird als Richtungsfrequenz definiert.
Bei den vorliegenden Werten könnte aus (Fig.8) zum Beispiel 600 Hz als Grenze definiert werden. Der Hochpass und der Tiefpass der Kundenseite wird auf diese Seite eingestellt. Danach sendet die Kundenseite nur noch im niederen Frequenzband, empfängt aber die gesamte Bandbreite. Durch den Tiefpass wirkt der eine Teil wie ein vollwertiges DSL-System aber mit niederem Bandpass und der andere Teil wirkt wie ein Empfänger mit einem starken Signalvertärker für hohe Frequenzen.
Dadurch wird der hohe Teil des Frequenzspektrums deutlich kundenseitig verstärkt und kann hierdurch eine wesentlich grössere Übertragungsrate erzielen, da dieser Bereich zuvor meist unterhalb der zuverlässiger Signalstärke lag.
Richtung
Die Richtung dieser Schaltung kann in öffentlichen Telefon-Systemen nur von der Vermittlungsstelle zu den Haushalten gewählt werden. Ein Grund ist die erwartete Datenrichtung aufgrund der Kundenbedürfnisse, da die Kunden meistens nur Daten vom Internet zum lokalen Rechner oder zur SetTop-Box laden. Zum Anderen neigen die hohen Empfangswiderstände zu starken Aufnehmen von Störungen benachbarter Leitungen (=NEXT). Vorallem Spannungen benachbarter niederohmiger Sendeleitungen würden ein starkes Übersprechen erzeugen. Deshalb müssen alle Leitungen zeitweise in der gleichen Richtung betrieben werden, was aber aufgrund des freien Zugriffs für verschiedene Telekommunikations-Betreiber zu Koordinierungsproblemen führen kann.
Bleibt die Richtung allerdings in einer Richtung festgelegt, spielt das Nebensprechen keine Rolle mehr. Im Hochohmigen Empfangswiderstand liegen nur stark gedämpfte Signale an, weshalb das sogenannte FEXT-Rauschen nahezu entfällt. Im niederohmigen Sendewiderstand der Vermittlungsstelle bleiben die Verhältnisse entsprechend den vorigen DSL-Schaltungen. Im niederfrequenten Teil der Kundenschaltung sinkt das Übersprechen aber stark, da zum einen ein kleinerer Frequenzbereich genutzt wird und zum anderen niedere Frequenzen weniger Übersprechen erzeugen. Die Kundenseitige Schaltung kann deshalb eventuell die Sendeleistung bzw. die Signalstärke erhöhen.
Steuersignale
Da das hochfrequente System nur in eine Richtung betrieben wird, können hier die Steuersignale nicht zurückgesand werden. Es müssen deshalb die Steuersignale dem niederfrequenten Kanal beigemischt werden.
Reflexionsbetrachtungen
Nach der mathematischen Betrachtung wird das Signal an einem hohen (offenen) Abschluss voll reflektiert. Dieser Einfluss kann im hochfrequenten Teil dieser Schaltung vernachlässigt werden, da aufgrund der starken Signalverminderung durch die Kabelstrecke nur ein kleines Signal reflektiert wird und dieses wiederum nach Ablauf einer Kabellänge am zentralseitigen Sender nahezu gegen einen Kurzschluss läuft, und dort zwar rechnerisch invertiert reflektiert wird, aber faktisch eliminiert wird.
VORTEILE
1. Bestehende Vermittlungsstellen mit DSL-Technik müssen nur in ihrer Software erweitert werden
2. Bestehende Geräte können weiter im Betrieb bleiben.
3. Kunden können Empfängerseitig ein Gerät ihrer Leistung wählen
4. Bei Bedarf einer höheren Übertragungsrate in die andere Richtung, kann die Schaltung auf den normalen DSL-Betrieb vollwertig umschalten, d.h. es können auch hohe Upload-Funktionen ermöglicht werden. (wichtig für Server, Datentransfers...)
VARIATIONEN
1. (Fig.10) Um die Empfänger-Hardware zu reduzieren, kann der hochfreqente Empfänger-Kreis in die normale Sende-/Empfänger-Schaltung integriert werden.
Der Empfänger muss dann aber bei der Auswertung zwischen den beiden Frequenzbereichen unterscheiden.
2. (Fig.11) Die einfachste Variante ist die Möglichkeit einen dynamischen Widerstand (z.B. Spule) in Reihe zum Anpassungswiderstand zu schalten. Auch hier muss der Empfänger die geänderte Frequenzfunktion berücksichtigen.
3. (Fig.12) Um auch hohe Datenraten in die andere Richtung zu ermöglichen, kann die erweiterte Empfangseinheit abgeschaltet werden, wodurch der zuvor belegte Frequenzbereich frei wird.
4. Aufgrund des hohen Widerstandes des hochfrequenten Empfängerteils, kann der Hochpass hardware-technisch bei Bedarf vernachlässigt werden oder sogar entfallen. Die Auswertung betrachtet beim empfangenen Signal nur die hohen Frequenzanteile.
5. Wird die Rückleitung des symmetrischen Leitungssystems nicht über die 2.Ader rückgeführt, (z.B. Über lokale Masse oder eine gemeinsame Leitung bei mehreren Aderpaaren) dann bleiben die vorigen Variationsmöglichkeiten trotzdem erhalten.
6. (Fig.13) Im zentralseitigen Sender kann die Sendeimpedanz ebenfalls in zwei frequenzabhängige Impedanzstränge geteilt werden, bzw. der bisherige Impedanz kann über einen Tiefpass führen.
Da im hochfrequenten Spektrum keine Empfangssignale erwartet werden, kann in diesem Bereich eine Sendeschaltung mit ausgeprägter Sendeimpedanz und somit höherer Leistung angestrebt werden. Gesamt gesehen fallen dann dennoch geringere Leistungen an, da mit einer kleinen Serienwiderstand gegen einen hohen (nahezu offenen) Abschluss-Widerstand gesendet wird.
ANWENDUNGSBEREICHE
Die Erfindung findet im digitalen Telekommunikationswesen seine Anwendung, bevorzugt für allgemeine Zugriffe über das Internet, aber auch für kommende Multimedia-Anwendungen (Internet-TV) und Zugriffstechniken auf leistungsstarke Datenbanken, Virtuelle Welten und computergestützte Anwendungen..
Der wesentliche Vorteil ist die einfache Erweiterung von bestehenden DSL-Systemen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1: Struktur der üblichen Verbindungen
Zentrale Vermittlung Kunden/Einzelhaushalte
Fig. 2: Symmetrische Systeme
ISDN, DSL, Analog.
Die Leitung bildet einen geschlossenen Stromkreis. Die Impedanz am Sender und Empfänger sind an den Wellenwiderstand Zw der Leitung angepasst
Fig. 3: Hybrid-Schaltung
Das Sendesignal wird auf die Leitung gemischt und gleichzeitig dem Empfangssignal abgezogen
Fig. 4: DSL-Leitungs-Treiber
Die Leitung nach dem Transformer wird mit einem 120 Ohm Widerstand an den Wellenwiderstand der Leitung angepasst.
Fig. 5: Model einer Leitung
Zur mathematischen Berechnung des Wellenwiderstandes wird die Leitung in infinitesimale Stücke dx unterteilt, wobei jedes Stück aus einer Ersatzschaltung der Komponenten RLCG besteht.
Fig. 6: Gesamt-Ersatzschaltbild
Zur Berechnung der vorkommenden Widerstandswerte und Widerstands-verhältnisse einer langen Telefon-Leitung aus der dB-Dämpfungstabelle
Loop# T7, ITU
Fig. 7: Dämpfung zu Widerstand RL
(Logarithmische Darstellung)
Die dB-Dämpfungswerte sind der ITU-Messwerten entnommen, der entsprechende gesamterscheindende Leitungswiderstand RL wurde hieraus errechnet.
Fig. 8: Empfänger-Spannung U2 zu Widerstand RL
(Reale, lineare Darstellung)
Aus den dB-Dämpfungswerten errechnete Spannung U2 am Empfänger, bei einer Einspeisung eines 30Vpp-Signals am Empfänger.
Fig. 9: Erfindungsgemässe Trennung
Die Download-Leitung wird empfängerseitig geteilt in:
a) eine hochpass-getrennte Empfängerschaltung mit sehr grossem
Eingangs-widerstand.
Die Richtung ist uni-direktional.
b) eine tiefpass-getrennte Empfänger-Senderschaltung mit Leitungsanpassung
an den Wellenwiderstand der Leitung.
Die Richtung ist bi-direktional.
Fig. 10: Erfindungsvariante 1
Der hochfrequente Empfängerstrang und die tieffrequente Sende-/Empfänger-Impedanz werden auf den gleichen Empfangsverstärker geschaltet.
In der Auswertung des nun gemeinsamen Empfangssignals muss diese Überlagerung berücksichtigt werden.
Fig. 11: Erfindungsvariante 2
Der normale Anpassungswiderstand wird mit einem frequenzabhängigen Widerstand (z.B. Spule) ergänzt. In der Auswertung des nun gemeinsamen Empfangssignals muss diese dynamische Überlagerung berücksichtigt werden.
Fig. 12: Erfindungsvariante 3
Die komplette Erweiterungseinheit ist schaltbar. Dadurch kann der normale DSL-Betrieb in genutzt werden, der eine höhere Datenrate zur Vermittlung hin aufweist.
Fig. 13: Erfindungsvariante 4
Die zentralseitige Impedanz kann in 2 frequenzabhängige Bereiche geteilt werden. Im einfachsten Fall wird der Anpassungswiderstand über einen Tiefpass geschaltet. Im oberen Frequenzband kann dann mit höherer Leistung aber niedererem Übersprechen gesendet werden.
ABKÜRZUNGEN:
HP HighPass, Hochpass
LP LowPass, Tiefpass
DSL Digital Subscriber Line
BEZUGSQUELLEN:
ADSL and DSL Technologies, Walter Goralski, Hill Associates
Broadband Access Technologies, Albert Azzam
DSL-Treiber: Datenblatt Analog Devices AD815
Hybrid-Beschreibung: TexasInstruments slwa015.pdf
Dämpfungstabellen: ITU-Dokument für Testaufbauten von G.lite COM15-133-E
