OMNeT++ Workshop

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OMNeT++ Workshop

DSL Zugangsnetze
Grundlagen, Simulation und Modellierung
Institut für Kommunikationstechnik
Dipl.-Ing. Kilian Henneböhle
Vorlesung KTE
Stand 01/2012
Prof. Dr.-Ing. Ingo Kunold
Prof. Dr.-Ing. Ulf Niemeyer
Inhalt
Zugangsnetz im Bereich der letzten Meile
●
Motivation
●
Vergleich d. Technologien
●
Status Quo in Deutschland
●
Letzte Meile (Last Mile)
●
Inhouse-Bereich
●
Medium CuDa
●
Kanalmodell DTAG#1
●
Störeinflüsse durch Crosstalk
ADSL
●
Standardisierung von DSL
●
Entwicklung
●
Protokollstack
●
Grundlagen
●
Modulatiosnverfahren
●
Kanalcodierung
●
Datenraten
Simulation & Modellierung
●
Motivation
●
Methodik
Simulation des Physical Layer in Matlab
●
Methodik
●
Sender (DSL-Modem)
●
Empfänger (Linecard)
●
PSD Shaping
●
Ergebnisse
Simulation des Zugangsnetzes in OMNeT++
●
Grundlagen
●
TCP/IP
●
Modellregion
●
Lastgeneratoren
●
Auswertung der Simulation
Ausblick
KTE | DSL Zugangsnetze
Folie Nr. 2
Zugangsnetz im Bereich der letzten Meile (Last Mile)
Folie Nr. 3
Motivation
Breitbandstrategie der Bundesregierung:
„75 Prozent aller Haushalte sollen bis 2014 Breitbandanschlüsse mit
Datenraten von mehr als 50 Mb/s nutzen können!“
Folie Nr. 4
DSL im Vergleich zu konkurrierenden
Technologien
Vergleich zu Internet über Koaxialkabel
● Ein Koaxialkabel hat bauartbedingt sehr hohe Kanalkapazität.
● Eine Aufrüstung auf Euro-DOCSIS 3.0 für die Anbieter sehr teuer, daher sind hohe
Upload-Geschwindigkeiten noch nicht überall verfügbar.
● In Zukunft könnten Kabelnetzbetreiber in die Regulierung kommen.
Vergleich zu Funktechnologien UMTS (3G)/LTE (3,9G)/WiMax
● Hohe Bandbreiten innerhalb einer Funkzelle, Teilnehmer müssen sich die Bandbreite
teilen.
● LTE-Advanced als 4G-Technologie der ITU-T wird viel Bandbreite zur Verfügung
stellen.
● Abdeckung der „weissen Flecken“ des Breitbandatlas durch digitale Dividende.
Vergleich zu FTTH
● Die Verlegung von Glasfasern nur in Neubauten rentabel.
● VDSL2 ist wichtiger Bestandteil von FTTB-/FTTCab-Architekturen und damit eine
Schlüsseltechnologie im Übergang zu einer reinen FTTH-Architektur.
⇒ DSL basiert auf der günstigen Kupferdoppelader.
⇒ In Zukunft höhere Bandbreiten durch DSM Level 3.
⇒ FTTB/FTTCab ist eine Möglichkeit, hohe Bandbreiten durch VDSL2
bereitzustellen.
Folie Nr. 5
Zugangsnetz
– Letzte Meile
EVz
Einzelverzweiger
KVz
Kabelverzweiger
HVt
Hauptverteiler
CuDa
Kupferdoppelader
LWL
Lichtwellenleiter
Abbildung: Aufbau des Zugangsnetzes [1]
Folie Nr. 6
Zugangsnetz -
Status quo in Deutschland
● Das DSL Zugangsnetz in Deutschland basiert auf mehr als 8000
Hauptverteilern (Central Office).
● DSL hat eine (zeitliche) Verfügbarkeit von 97% (im Jahr) und
bietet eine flächendeckende Verfügbarkeit von 99% in
Ballungszentren mit einer Gesamtanzahl von über 23 Millionen
Teilnehmern [Nov. 2011, Bitkom].
● Asymmetrische DSL Technologien über die
Teilnehmeranschlussleitung (TAL):
ADSL Annex B
ADSL2+ Annex B
ADSL2+ Annex J (Unbundled DSL)
VDSL2 Annex B Profile 8b/17a
Folie Nr. 7
Zugangsnetz
– Inhouse-Bereich
Hintergrundbild: Ausbaustatus von VDSL2 (Quelle: DTAG Mai 2011)
Folie Nr. 8
Zugangsnetz
- Medium CuDa
● Kupferdoppelader (CuDa), ursprünglich für analogen
Telefonanschluss und ISDN-Dienste (Telefonie und
Datenübertragung)
● Genormte Kabel (A-2YF(L)2Y), jeweils zwei Adernpaare
(Doppelader) bilden einen Sternvierer => Jeweils fünf Sternvierer
bilden ein Grundbündel => Grundbündel werden zu Hauptkabeln
mit bis zu 2000 Doppeladern verseilt.
● Kabeldurchmesser: 0.35/0.40/0.50/0.60 mm
● Die Kabel sind normalerweise auf den letzten Metern
(Hausanschluss) nur unzureichend abgeschirmt, teilweise sind
Stichleitungen vorhanden (Bridge Taps => Leitungen ohne
Abschlusswiderstand).
● Skin Effekt bei hohen Frequenzen
Folie Nr. 9
Zugangsnetz
- Medium CuDa
● Berechnung der Übertragungsfunktion aus den sekundären
Kabelparametern Eingangswiderstand Ζ0(f) und
Ausbreitungskoeffizienten γ(f).
● Die sekundären Kabelparamter werden aus den primären
längenabhängigen Kabelparametern Widerstandsbelag R‘ (Ω/m),
Induktivitätsbelag L‘ (Henry/m), Kapazitätsbelag C‘ (Farad/m)
und Ableitungsbelag G‘ (Siemens/m) berechnet (Siehe auch
Telegraphengleichungen).
Folie Nr. 10
Zugangsnetz
- Kanalmodell DTAG#1
γ
[1/km]
Ausbreitungskoeffizient
Z0
[Ω ]
Wellenwiderstand
Die clip-Funktion setzt alle negativen
clip
Realteile auf "0".
ZS
[Ω/km]
Serienwiderstand
YP
[S/km]
Querleitwert
f
[MHz]
Frequenz
K a 1 , K a 2 , K b 1 , K b 2 , K z 1 , K z 2 , K x1 , K x 2 , K x 3
Einheitenlose Konstanten
Das Modell DTAG#1
verwendet 11
Konstanten pro
Frequenzbereich
(0..0.5 MHz, 0.5..5 MHz,
5..30 MHz)
γ ( f ) = ( K a1 + K a 2 ⋅ f ) ⋅ 1 20 ⋅ ln(10) + j ⋅ ( K b1 ⋅ f + Kb 2 ⋅ f )
Z 0 ( f ) = ( K z1 + K z 2 / f K z 3 ) ⋅ exp{(− j ⋅ K x1 ) / (( K x 2 + f ) K x 3 )}
Zs ( f ) = γ ⋅ Z0
Yp ( f ) = clip{re(γ / Z 0 )} + j ⋅ im(γ / Z 0 )
Abbildung: DTAG#1 [5]
Folie Nr. 11
Zugangsnetz
– Störeinflüsse durch Crosstalk
● Nahübersprechen (Near End Crosstalk => NEXT)
● Fernübersprechen (Far End Crosstalk => FEXT)
● Fremdübersprechen (Alien Crosstalk => AXT)
Abbildung: Übersprechen [3]
Folie Nr. 12
ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line
Folie Nr. 13
ADSL
- Standardisierung von DSL
ANSI => Amerikanische Standard ANSI T1.413 Issue 2
ITU-T => Internationaler Standard ITU-T G.992.1 (ADSL), G.992.5
(ADSL2+), G.993.2 (VDSL2)
ETSI => Europäische Norm ETSI TS 101 388 , modifziert die
ITU-T Norm
DTAG => DTAG 1TR112, Beschreibung der U-Schnittstelle,
Technische Richtlinie der deutschen Telekom AG
Folie Nr. 14
ADSL –Entwicklung
Folie Nr. 15
ADSL
- Protokollstack
Abbildung: Protokollstack (Quelle: DSL Advances, Prentice Hall)
Folie Nr. 16
ADSL
- Grundlagen
● In der Hauptvermittlungsstelle wird das Signal eingespeist. Im
Splitter wird das Signal durch eine Frequenzweiche
ausgekoppelt.
● In Deutschland wird nur DSL nach Annex B angeboten
(Frequenzbereich von ISDN bis 120kHz wird freigelassen), auch
bei Verwendung von analogen Anschlüssen (In anderen Ländern
Annex A).
● Prinzip: ADSL wird parallel zur Telefonie auf den ungenutzten
höheren Frequenzbereichen auf der Kupferdoppelader
übertragen.
Folie Nr. 17
ADSL
- Modulationsverfahren
● Das Modulationsverfahren ist Discrete Multitone Transmission
(DMT), eine Variante der Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM).
● Prinzip: Der Datenstrom wird auf viele kleinere Datenströme
aufgeteilt. Diese Datenströme werden mit einer Quadratur
Amplitude Modulation (QAM) moduliert und übertragen.
● Der Frequenzbereich wird in eine Anzahl von Trägern mit einem
festen Frequenzabstand von 4,3125 kHz und einer Bandbreite
von 4 kHz aufgeteilt. Pro Träger können zwischen 2 bit (QPSK)
und 15 bit (32768QAM) übertragen werden.
Folie Nr. 18
Tafelbild (Folie wird nicht angezeigt!)
Folie Nr. 19
ADSL
– Kanalcodierung
● Prüfsumme:
• Cyclic Redundancy Check (CRC)
● Verkettete Codierung zur Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC):
1. Reed-Solomon-Codierung (Blockcode) und Interleaving gegen
Impulsstörungen
2. Interleaving verursacht eine Verzögerung (Latency Path)
3. Trellis-Codierung (Faltungscode) gegen NEXT- und FEXTStöreinflüsse
Folie Nr. 20
ADSL
- Datenraten
DSL Anschluss
Downstream
Upstream
DSL 1000
384 kb/s
768 kb/s
1024 kb/s
64 kb/s
128 kb/s
128 kb/s
DSL 2000
384
kb/s – 2048 kb/s
64
kb/s – 192 kb/s(optional
Erhöhung auf 384 kb/s, wenn
192 kb/s überlassen wurden)
DSL 6000
2048 kb/s – 6016 kb/s
192 kb/s – 576 kb/s(optional
Erhöhung auf 512 kb/s, wenn
384 kb/s überlassen wurden)
DSL 16000
6304 kb/s – 16000 kb/s
576 kb/s – 1024 kb/s
DSL 16 Plus
10000 kb/s – 16000 kb/s
800 kb/s – 1000 kb/s
VDSL 25
17100 kb/s – 25064 kb/s
1638 kb/s – 5120 kb/s
VDSL 50
28544 kb/s – 51392 kb/s
2720 kb/s – 10240 kb/s
Tabelle: Vertraglich zugesicherte Datenraten der DTAG [DTAG-AGB], Stand April 2011
Folie Nr. 21
Simulation und Modellierung
Folie Nr. 22
- Motivation
Was soll untersucht werden?
● Eine Simulation ermöglicht es, die Effekte von physikalischen
Begebenheiten zu untersuchen, ohne reale Messungen
durchzuführen:
• Kostenfaktor
• Skalierbarkeit
• Messergebnisse reproduzierbar
● Die mögliche Kapazität eines Netzes kann sinnvoll abgeschätzt
werden.
● Anhand von repräsentativen Studien über das Nutzungsverhalten
im Internet (Ipoque) können Verkehrslastgeneratoren konfiguriert
werden.
Folie Nr. 23
- Motivation
Wie verläuft die Simulation im Detail?
● Der DSL-Standard beschreibt insbesondere die Funktionsweise
auf der Ebene der Bitübertragungsschicht (Kabeleigenschaften,
elektrische Signale, Rauschen, etc.) => Untersuchung anhand
von Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung.
● Die Funktionsweise in einem hochskalierten Netzwerk auf den
höheren Schichten (TCP/UDP, Lasterzeugung,
Netzwerktopologie) erfordert eine differenzierte Untersuchung
anhand der logischen Prozesse.
⇒ Es ist sinnvoll, die Simulation aufzuteilen und entsprechend
mit Werkzeugen zu untersuchen, die sich in ihrem
Einsatzbereich als sinnvoll erwiesen haben!
Folie Nr. 24
Simulation & Modellierung – Methodik
● Simulation des Physical Layer in Matlab
Physical Layer der Übertragungstechnologie nach den
Spezifikationen.
● Erweiterung der Matlab-Simulation um eine
Datenbankschnittstelle.
● Simulation des hochskalierten Netzwerks in OMNeT++.
● Auswertung der Simulation mit GNU R, etc..
Folie Nr. 25
Simulation des Physical Layer in Matlab
Folie Nr. 26
Simulation des Physical Layer in Matlab –
Methodik
1. Anhand eines Kanalmodells und elektrischer Parameter wird eine
Übertragungsfunktion aufgestellt.
2. Unterschiedliche Quellen erzeugen Rauschen, die Leistung der
Störsignale wird berechnet.
3. Der Sender (DSL-Modem) basiert auf einer fest definierten
Vorlage der spektralen Leistungsdichte.
4. Der Empfänger (DSLAM/Linecard) ermittelt das ankommende
Signal anhand des Generic DMT Detection Modells.
5. Die absoluten Datenraten werden unter Berücksichtigung von
Trellis- und Reed Solomon Codierung ermittelt.
Folie Nr. 27
Sender (DSL-Modem)
● Das Sendersignal wird als Vorlage in Form einer spektralen
Leistungsdichte für jede DSL-Technologie vorgegeben.
● Die Vorlage stellt die gemessenen Werte eines
durchschnittlichen Modems dar.
Folie Nr. 28
Empfänger (Linecard)
bk
Daten pro Träger
[bit/tone/symbol]
dbd
Data line rate, nur Payload
[bit/s]
db
Line rate, Payload plus Overhead
[bit/s]
dbs
Synch line rate, Overhead
[bit/s]
d sd
Symbol data rate
[bit/s]
SNR
Signal to Noise Ratio
[dB]
Γ
SNR gap
[dB]
load (bk )
Bitloading Funktion
SNR
bk = log 2 (1 +
)
Γ
k
dbd = d sd ⋅ b = d sd ⋅ ∑ load (bk ),
i =0
k ∈ Tones
Das SNR ergibt sich aus
der Leistung des
ankommenden Signals
und der Leistung des
Crosstalks!
db = dbd + dbs
Folie Nr. 29
PSD Shaping
● Power Spectral Density (PSD => Spektrale Leistungsdichte)
● Downstream Power Backoff (DPBO) – Für den parallelen Betrieb
von VDSL2-Anschlüssen mit unterschiedlichen Leistungslängen
wird die Sendeleistung des Downstreams reduziert.
● Upstream Power Backoff (UPBO) – Für den Betrieb parallelen
Leitungen aus einem HVt und einem Outdoor DSLAM wird die
Sendeleistung des Upstreams reduziert.
● PSD Shaping durch Masken (PSD masks => obere Grenzen der
Leistungsdichte) und Vorlagen (PSD templates =>
durchschnittliche Werte der Leistungsdichte eines DSL-Modems).
Folie Nr. 30
Ergebnisse
Folie Nr. 31
Simulation des Zugangsnetzes in OMNeT++
Folie Nr. 32
Simulation des Zugangsnetzes -
Grundlagen
● INET Framework bringt als Erweiterung Module der
Netzwerktechnik mit: Router, Ethernet, TCP/IP, etc..
● Die Funktionen werden in C++ programmiert, das Netzwerklayout
wird in NED (Network Description Language) beschrieben, die
Simulation wird mittels Skripten gesteuert (.ini).
● Open Source, die kommerzielle Version OMNEST wird unter
anderem verwendet von: IBM, Intel, CISCO, EADS, Siemens,
etc.
Folie Nr. 33
TCP/IP
● Der TCP-Stack ist innerhalb der INET-Erweiterung für OMNeT++
komplett implementiert
● TCP Mechanismen: TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast
Retransmit
● Beim Vergleich der TCP-Verbindung und der UDP-Übertragung:
Paketverluste dürfen bei TCP nicht vorkommen!
Folie Nr. 34
Simulation des Zugangsnetzes –
Modellregion
Modellregion
•
Die Datenquelle ist der
Lastgenerator.
•
Der Lastgenerator ist
mit der Gegenstelle
verbunden.
Netzwerk
Lastgenerator
•
Netzwerk wird anhand der Parameter einer
Modellregion abgebildet.
•
Jeder Haushalt stellt eine Datenquelle dar.
Folie Nr. 35
Simulation des Zugangsnetzes - Lastgenerator
• Wichtigste
Komponente in der
Simulation
• Reduzierte
Komplexität
• Module trafGen ist
austauschbar
• Schnittstelle mit
verschiedenen
Queuing-Optionen
Folie Nr. 36
Auswertung
● MATLAB: Auswertung der Bitübertragungsschicht => Datenraten
● OMNeT++: Auswertung der höheren Protokolle => RTT,
Paketverluste, Kanalauslastung
● Validierung der Simulation anhand der Testreihen (ETSI 101388
für ADSL, Broadbandforum TR-67 für ADSL2+ und TR-114 für
VDSL2)
Folie Nr. 37
Ausblick
Folie Nr. 38
Projektarbeiten
Themengebiet: MATLAB und OMNeT++ in der Simulation
● Implementierung von VPN in der Simulation
● Implementierung von neuen Protokollen und Lastgeneratoren
● Untersuchung der Performance von Simulationen
● Auswertung von Simulation (Statistische Betrachtung)
● Optimierung der DSL-Simulation
Wird zur Verfügung gestellt: Workstations, Server,
Kaffeemaschine!
Folie Nr. 39
Literatur
[1]
Andreas Mertz, Martin Pollakowski:
xDSL & Access Networks - Grundlagen, Technik und
Einsatzaspekte von HDSL, ADSL und VDSL. Prentice Hall,
München 2003, ISBN 3-8272-9593-9
[2]
DTAG 1TR112 v10.0 (02/2011): Technical Specification of the UInterfaces of xDSL DSLAM systems in the network of Deutsche
Telekom
[3]
ITU-T G.992.1 (06/99): TRANSMISSION SYSTEMS AND
MEDIA, DIGITAL SYSTEMSAND NETWORKS; Digital
transmission systems – Digital sections and digital linesystem –
Access networks;Asymmetrical digital subscriber line (ADSL)
transceivers
[4]
ETSI TS 101 388 V1.4.1 (2007-08): Access Terminals
Transmission and Multiplexing(ATTM); Access transmission
systems on metallic access cables;Asymmetric Digital
Subscriber Line (ADSL) - European specific requirements[ITU-T
Recommendation G.992.1 modified]
[5]
ETSI STC TM6 Permanent Document TM6(97)02:
Cable reference models for simulating metallic access networks
Folie Nr. 40
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Folie Nr. 41

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