Tecnologia ADSL – Parte I

ADSL (Assymmetric Digital Subscriber Line ou Linha Digital Assimétrica para Assinante) é um padrão de comunicação digital que utiliza o par trançado de cobre (linha telefônica comum) como meio de transmissão. O termo “assimétrico” surgiu da percepção que seria melhor em um canal de transmissão, reservar a maior parte da banda para download, uma parte menor para upload e por fim uma parte fixa para voz, caracterizando assim 3 canais distintos. Essa estratégia partiu da análise de conexões comuns onde apenas um clique solicitando uma página recebia, muitas vezes, mais informações que transmitia.

O ADSL permite transmissões até 9 Mbit/s de download, até 1 Mbit/s de upload e ainda reservando o canal para voz. Estas taxas são mensuradas de acordo com a distância do ponto do assinante até a central, caracterizando assim o limite máximo de taxa para Internet. Desta forma, quanto mais próximo à central, maior será a probabilidade da taxa máxima ser maior que 6 Mbit/s chegando até os 9 Mbit/s.

Uma das principais vantagens desta tecnologia é que ela não exige um novo cabeamento, o que levaria décadas para atingir a mesma abrangência que as atuais estruturas possuem.

Como Funciona o ADSL
O aparelho que modula o sinal ADSL deve estar em constante comunicação com o servidor localizado na central, sincronizados, para que haja troca de informações em altas taxas. Este aparelho possui um componente chamado “POTS Splitter”, Plain Old Telephony Services ou linha de voz comum, que tem a responsabilidade de dividir o canal telefônico em 2, dados e voz, sendo voz um canal independente e ininterrupto mesmo havendo falhas com o ADSL.

A voz utiliza uma banda de 4 kHz. No entanto é comum obter até 2 MHz de banda em um par metálico, dependendo das condições da linha telefônica e da distância até a central. O canal de dados ainda sofre uma nova divisão, através de um outro componente chamado “Channel Separator”, sendo este para alocar banda para downstream e upstream. Esta divisão pode ser percebida na figura 1.

Figura 1: Divisão de freqüências da linha telefônica no ADSL

Do lado da central telefônica, outro modem ADSL de grande porte deve se comunicar com os assinantes ligados à esta central. Este modem também tem um componente chamado “POTS Splitter” com o mesmo objetivo que é separar dados de voz. As chamadas de voz são roteadas para as redes de comutação de circuitos da operadora (PSTN – Public Switched Telephone Network), tendo assim seu tratamento comum já conhecido.

As taxas destinadas para o canal de dados de alta velocidade podem ir até 9 Mbit/s, enquanto a faixa de capacidade das taxas dúplex vão até 640kbps. Cada canal pode ser submultiplexado para formar canais de múltiplas taxas mais baixas dependendo do sistema utilizado. Os dados que vem dos usuários passam do modem ADSL para o multiplexador de acesso à linha de assinante digital (DSLAM – Digital Subscriber Line Access Multiplexer), sendo este responsável por unir várias linhas ADSL em uma única linha ATM (Asynchronous Transfer Mode) de alta velocidade que fica conectada a Internet por canais de velocidades, acima de 1Gbps, como pode ser visto na figura 2.

Figura 2: Tratamento das informações no lado da Central

Os modems ADSL trabalham conforme os padrões norte-americanos e europeus de hierarquias digitais. A configuração mínima provê 256 kbit/s para download, porém pode sofrer ainda filtros por parte da operadora para limitar ainda mais estas taxas, e um canal duplex de 16 kbit/s. Trabalhando em seu limite máximo, o ADSL hoje alcança taxas de 6.1 Mbit/s de download e 256 kbit/s para upload. Produtos com taxas acima dos 8 Mbit/s de downloade 640kpbs de upload já existem, onde citaremos na próxima seção como a evolução do ADSL.

Desempenho do ADSL
A taxa de passagem dos dados está diretamente relacionado com vários fatores, tais como o comprimento da linha de cobre, diâmetro, presença de derivações, e interferência de outros pares. A atenuação da linha aumenta com o comprimento e a freqüência, e diminui com aumento do diâmetro do fio. Ignorando as derivações e demais atenuações causadas por instalações indevidas do par metálico, o ADSL terá desempenho similar ao apresentado tabela 1.

Tabela 1: Taxas de Transmissão x Distâncias

A tabela 2 mostra uma comparação das velocidades alcançadas pela ADSL em relação à conexão comum através do modem 56 kbit/s.

Tabela 2: Comparativo de Ganho de Transmissão

Tecnologia Adotada
O modem ADSL através de algoritmos complexos comprime a informação para ser transportada através de linhas de telefone de pares trançados. Estas linhas de telefone podem atenuar sinais conforme a distância entre o cliente e o servidor inviabilizando a transmissão, forçando o modem ADSL a trabalhar muito para contornar o problema criando canais separados e mantendo baixas figuras de ruído. Para isto, foram necessários avanços em transformadores, filtros analógicos, e conversores Analógico/Digital.

O ADSL parece um simples duto de dados síncrono, mantidos pelo cliente e servidor. O serviço pode ser ofertado com várias taxas de dados que trafegam em cima de linhas de telefone comuns.

Ao criar canais múltiplos, os modems ADSL dividem a largura de banda disponível de uma linha telefônica utilizando uma das seguintes técnicas: Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM) ou Cancelamento de Eco. O FDM determina uma faixa inferior de dados e outra faixa superior. A inferior é dividida então através de multiplexação por divisão de tempo em um ou mais canais de alta velocidade ou em um ou mais canais de baixa velocidade, conforme mostra figura 3. A faixa superior está também multiplexada em canais correspondentes de baixa velocidade.

Figura 3: Espectro de Freqüência do ADSL usando FDM

O cancelamento de eco sobrepõe a faixa superior na inferior, e separa os dois por meio de cancelamento de eco local conforme mostra a figura 4. Esta técnica é empregada nos padrões V.32 e V.34. Em ambas as técnicas, o ADSL divide uma faixa de 4 kHz da linha comum, que é destinada ao tráfego de voz.

Figura 4: Espectro de Freqüência do ADSL usando Cancelamento de Eco

Um modem de ADSL organiza o fluxo de dados agregado, criado pela multiplexação de canais, canais duplex, e manutenção de canais agregados em blocos, utilizando um código de correção de erro a cada bloco. Os receptores, então, corrigem erros que acontecem durante a transmissão até os limites indicados pelo código e extensão do bloco. A unidade pode, por opção do usuário, criar também superblocos de dados intercalando páginas em branco dentro dos subblocos; isto permite ao receptor corrigir qualquer combinação de erros dentro de um conjunto de bits específicos. Isto permite a transmissão efetiva de dados e vídeo com sinais semelhantes.

Para trabalhar com elevadas taxas de dados, o modem ADSL realiza elevação da potência do sinal, o que aumenta a interferência cruzada (diafonia) entre os vários pares de fios de cobre utilizados em sistemas ADSL. Os problemas de interferência ocorrem com maior gravidade no lado da rede do servidor que utiliza o DSLAM, devido a recepção de inúmeros sinais provenientes de clientes.

É na estação telefônica que se agrupam vários pares de fios criando um ambiente propício para interferência cruzada quando da recepção destes sinais que utilizam a mesma faixa de freqüências. Como o problema de interferência é assimétrico é possível transmitir sinais com taxas de dados mais altas no sentido da rede para o cliente do que no sentido oposto.

A taxa máxima de transmissão de dados do ADSL depende da atenuação no par de fios que está sendo utilizado. A atenuação aumenta diante de alguns fatores, anteriormente citados, como maior comprimento dos fios de cobre, menor diâmetro do fio, existência de derivações na rede, maior freqüência de transmissão, entre outros. Técnicas avançadas de modulação foram desenvolvidas para minimizar o efeito da atenuação em sistemas ADSL. As principais são Carrierless Amplitude/Fase (CAP) e Discrete Multitone (DMT).

O princípio do sistema ADSL é baseado na modulação DMT onde a banda de frequência de 0 a 1.1 MHz é dividida em 256 canais, também referidos como tons, de 4 kHz de largura e espaçamento das portadoras de cada canal em 4.3125 kHz. Na prática, podem ser utilizados somente 248 canais pois os 6 primeiros não são utilizados para garantir a compatibilidade com os sistemas telefônicos Analógico/Digital.

O canal 64 (276 kHz) é reservado para transmitir sempre o mesmo valor de dados como forma de treinamento ou piloto. O canal 255 é utilizado para sincronismo entre o cliente e o servidor, através da frequência de Nyquist e não pode ser utilizado para troca de dados.

Cada canal é modulado utilizando o QAM, onde o número de bits por símbolo pode variar entre 2 e 8, e que também depende das condições de cada canal. É importante ressaltar que cada canal pode ter diferentes ordens de modulação, o que é mais um benefício em relação à modulação CAP. Constantemente uma troca de informações entre a central e o assinante é realizada para identificar a melhor modulação para cada canal. A figura 5 mostra o diagrama de blocos de um DMT, que mostra por quais as etapas que a informação passa desde a transmissão até a recepção.

Figura 5: Diagrama de Blocos do DMT

Se a tecnologia adotada for Cancelamento de Eco, o canal 7 é utilizado para upstream e o canal 31 para downstreamsimultaneamente. Essa tecnologia, que tem o princípio de funcionamento bastante simples, subtrai o sinal enviado do sinal recebido para obter os dados de downstream. Devido à constantes varições da linha causadas pelas interferências, reflexões, diafonia, etc, essa implementação é um tanto complicada.

Os dados de downstream são transmitidos em super-tramas de 17ms. Cada uma dessas super-tramas é composta por 69 tramas, onde 68 tramas são para dados e uma para sincronização. Cada trama é composta por 2 seções, uma denominada dados rápidos e outra de dados entrelaçados, conforme mostra a figura 6.

Figura 6: Estrutura do quadro no ADSL

O buffer de dados rápidos transporta bits de controle, manutenção e sincronização. Durante a inicialização da comunicação são enviados dados de controle para estabelecimento da ligação e análise do estado do canal. Cada quadro recebe informação de um destes dois buffers que são embaralhados em uma sequência específica, que torna a correção de erros e codificação mais eficientes.

Um dos métodos de codificação utilizados é o Código Convolucional. Este método consiste em permitir apenas um conjunto de transições entre formas de embaralhamento. Se a reordenação dos dados não for bem sucedida significa que houve um erro na transmissão.

A largura de banda total de uma comunicação pode ser reduzida utilizando-se a codificação convolucional, método que incrementa a resiliência do sinal transmitido pela linha. Ao contrário da codificação direta em um dos simbolos da constelação, a codificação convolucional realiza um novo passo para incrementar a robustez da informação: dado um símbolo codificado em um ponto da constelação, o próximo símbolo só poderá ser codificado em um valor de um conjunto de valores predefinidos, ou seja, de forma a minimizar a quantidade de bits alterados destes símbolos.

Se, no receptor, o símbolo sofreu deslocamento devido ao ruído, ele deverá ser encaixado em um ponto válido de um dos pontos na área, através de técnicas de aproximação. A resiliência é o motivo pela qual a codificação convolucional é uma opção para a constelação de 256 símbolos, pois uma grande constelação incrementa o potencial para erro, que pode ser reduzida através desta codificação.

Protocolo PPPoE
O ADSL é apenas um meio físico de conexão, que trabalha com os sinais elétricos que serão enviados e recebidos. Funcionando dessa forma, é necessário um protocolo para encapsular os dados de seu computador até a central telefônica. O protocolo mais utilizado para essa finalidade é o PPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet RFC 2516).

Este protocolo trabalha com a tecnologia Ethernet, que é usada para ligar sua placa de rede ao modem, permitindo a autenticação para a conexão e aquisição de um endereço IP à máquina do usuário. É por isso que cada vez mais as empresas que oferecem ADSL usam programas ou o navegador de internet do usuário para que este se autentique. Através da autenticação é mais fácil identificar o usuário conectado e controlar suas ações.

Outra opção é autenticar o usuário através do endereço MAC da placa de rede, onde esta identificação é registrada na operadora. Durante a conexão, essa informação é trocada entre os modens ADSL, e neste momento, a autenticação é realizada.

Vá para a parte II

Fonte: Teleco

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  1. Tecnologia ADSL– Parte II « Desmonta & CIA - 5 setembro 2010

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