Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/General Description of DSL"

From LNTwww
 
(40 intermediate revisions by 6 users not shown)
Line 2: Line 2:
 
{{Header
 
{{Header
 
|Untermenü=DSL – Digital Subscriber Line
 
|Untermenü=DSL – Digital Subscriber Line
|Vorherige Seite=Weiterentwicklungen von ISDN
+
|Vorherige Seite=Further Developments of ISDN
|Nächste Seite=xDSL–Systeme
+
|Nächste Seite=xDSL_Systems
 
}}
 
}}
  
== # ÜBERBLICK ZUM ZWEITEN HAUPTKAPITEL # ==
+
== # OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER # ==
 
<br>
 
<br>
  
'''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine – kurz DSL – heißt wörtlich „Digitale Teilnehmeranschlussleitung”. Gleichzeitig war „DSL” ein Synonym für Hochgeschwindigkeits-Internetzugänge im Teilnehmeranschlussbereich zum Endkunden, wobei &bdquo;Hochgeschwindigkeit&rdquo; heute (2018) zu relativieren ist.. Im Folgenden werden wir vorwiegend den in der Industrie verwendeten Begriff „xDSL” für die Hochgeschwindigkeitszugänge verwenden, wobei „x” als Platzhalter für das spezifische Verfahren zu verstehen ist, zum Beispiel HDSL, ADSL und VDSL.
+
$\rm D$igital $\rm S$ubscriber $\rm L$ine&nbsp; &ndash; in short&nbsp; $\rm DSL$ &ndash;&nbsp; literally means only&nbsp; "digital subscriber line".&nbsp; At the same time,&nbsp; "DSL"&nbsp; was a synonym for&nbsp; "high-speed Internet access in the local loop to the end customer",&nbsp; although "high-speed"&nbsp; must be put into perspective today&nbsp; $(2018)$.
 +
 +
xDSL has been significantly standardized by the standards committees&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/American_National_Standards_Institute $\rm ANSI$]&nbsp; $($USA$)$&nbsp; and&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/ETSI $\rm ETSI$]&nbsp; $($Europe$)$&nbsp; as well as the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/International_Telecommunication_Union $\rm ITU$]&nbsp; $($worldwide$)$.&nbsp; Due to different pre-existing technical conditions and preferences of developers and operators,&nbsp; a large variety of nationally different versions of nominally identical xDSL standards resulted.&nbsp; In the following,&nbsp; we will restrict ourselves primarily to the German xDSL versions.
 +
 
 +
This chapter contains in detail:
 +
 
 +
#An&nbsp; &raquo;overview of the historical development and standardization&laquo;&nbsp; of xDSL,
 +
#the&nbsp; &raquo;differences between ADSL and VDSL&laquo;&nbsp; as well as statistics on their penetration,
 +
#a brief description of xDSL from a&nbsp; &raquo;communications protocol perspective&laquo;,
 +
#the bandwidth allocations for the two&nbsp; &raquo;xDSL variants ADSL and VDSL&laquo;,&nbsp;
 +
#a detailed description of the&nbsp; &raquo;DSL transmission methods QAM, CAP and DMT&laquo;,
 +
#the problems of&nbsp; &raquo;digital signal transmission over copper twisted pairs&laquo;&nbsp; in general,
 +
#the relationship between&nbsp; &raquo;SNR,&nbsp; range and transmission rate&laquo;,
 +
#the&nbsp; &raquo;error correction measures&laquo;&nbsp; used to reduce the bit error rate.
 +
 
 +
 
 +
==Network infrastructure for DSL== 
 +
<br>
 +
 
 +
We start as in the&nbsp;  [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN#Network_infrastructure_for_ISDN|"ISDN chapter"]]&nbsp; with the  network infrastructure.&nbsp; DSL was intended to use the existing analog telephone network for cost reasons.&nbsp;
 +
 
 +
The greatest cost factor of the entire infrastructure is the&nbsp; &raquo;'''subscriber line area'''&laquo;&nbsp; between a main distribution frame&nbsp; $($e.g. "switching office"$)$&nbsp; and the subscribers.
 +
[[File:EN_LZI_T_4_3_S2_neu.png| right|frame|Structure of the local loop area]]
 +
 
 +
*In Germany,&nbsp; this so-called&nbsp; &raquo;'''last mile'''&laquo;&nbsp; is shorter than&nbsp; $4$&nbsp; kilometers on average,&nbsp; and in urban areas&nbsp; $90\%$&nbsp; of the time it is even shorter than&nbsp; $2.8$&nbsp; kilometers.
 +
 
 +
*Due to the topological conditions,&nbsp; the telephone network is increasingly branching out in a star configuration toward the end customer.
 +
 
 +
*In order to avoid having to lay a separate copper cable to the local exchange for each subscriber,&nbsp; splitters have been installed in between and the lines bundled in correspondingly large cables.
 +
 
 +
 
 +
The&nbsp; &raquo;'''local loop area'''&raquo;&nbsp; is therefore usually made up as follows:
 +
 
 +
# &nbsp; The&nbsp; "main cable"&nbsp; with up to&nbsp; $2000$&nbsp; pairs between the local exchange&nbsp; (or the switching office)&nbsp; frame and a cable branch,
 +
# &nbsp;the&nbsp; "branch cable"&nbsp; between the cable branch and the final branch, with up to&nbsp; $300$&nbsp; pairs and a maximum length of 500 meters,&nbsp; which is significantly shorter than a main cable,
 +
# &nbsp;the&nbsp; "house connection cable"&nbsp; between the terminal box and the network termination box at the subscriber with two pairs of wires.
 +
 
 +
 +
 
 +
==xDSL types and terms== 
 +
<br>
  
xDSL wurde maßgeblich von den Normungsgremien [https://de.wikipedia.org/wiki/American_National_Standards_Institute ANSI] (USA) und [https://en.wikipedia.org/wiki/ETSI ETSI] (Europa) und der [https://en.wikipedia.org/wiki/International_Telecommunication_Union ITU] (weltweit) standardisiert. Aufgrund unterschiedlicher, bereits bestehender technischer Gegebenheiten und Präferenzen von Entwicklern und Betreibern ergab sich eine große Vielfalt national unterschiedlicher Ausführungen nominal gleichlautender xDSL-Standards. Wir werden uns im Folgenden vorwiegend auf die deutschen xDSL-Ausführungen beschränken.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Motivation for Digital Subscriber Line}$&nbsp;
  
Dieses Kapitel beinhaltet im Einzelnen:
+
$\rm DSL$&nbsp; $($"Digital Subscriber Line"$)$&nbsp; arose from the need,&nbsp; '''to provide low cost high rate digital data access to the end user'''.&nbsp; <br>During the design process,&nbsp; it was necessary to take into account:
 +
*As explained in the last section,&nbsp; the&nbsp; "last mile"&nbsp; is the largest cost factor in a communications network.
  
*einen Überblick der historischen Entwicklung und Standardisierung von xDSL,
+
*Considerations to replace the estimated&nbsp; 130&nbsp; million kilometers of copper twisted pairs in the local loop network with fiber optic lines&nbsp; $($fiber-to-the-home,&nbsp; $\rm FttH)$&nbsp; have failed to date due to the enormous costs of the mostly underground laying work.
*die Unterschiede zwischen ADSL und VDSL sowie Statistiken über deren Verbreitung,
 
*eine kurze Beschreibung von xDSL aus Kommunikationsprotokollsicht,
 
*die Bandbreitenbelegungen bei den verschiedenen xDSL–Varianten ADSL und VDSL,
 
*eine detaillierte Beschreibung der DSL–Übertragungsverfahren QAM, CAP und DMT,
 
*die Probleme bei der Digitalsignalübertragung über Kupfer–Doppeladern allgemein,
 
*der Zusammenhang zwischen SNR, Reichweite und Übertragungsrate,
 
*die eingesetzten Fehlerkorrekturmaßnahmen zur Senkung der Bitfehlerrate.
 
  
 +
*A viable solution was to offer a broadband connection with somewhat lower data rates than in a fiber optic network by using the existing telephone line network and by cleverly combining different transmission techniques and coding methods.
  
 +
*The telephone service &ndash; either analog or digital&nbsp; $\rm (ISDN)$&nbsp; &ndash; should be able to operate simultaneously on the same network.}}
  
==Motivation für xDSL== 
 
  
Die verschiedenen Varianten von '''xDSL''' – ''Digital Subscriber Line'', das „x” ist ein Platzhalter für einen weiteren Buchstaben – entstanden aus dem Bedarf, dem Endkunden einen kostengünstigen hochratigen digitalen Datenzugang bereitzustellen. Bei der Konzipierung war zu beachten:
+
Before we turn to the historical DSL development up to the current state,&nbsp; the various types of&nbsp; "$\rm xDSL$"&nbsp; must first be defined and some terms explained.&nbsp; <u>Note:</u>
*Die so genannte ''Last Mile'' – der letzte Leitungsabschnitt, der zum Teilnehmerhaushalt führt und als '''Teilnehmeranschlussleitung''' (TAL) bezeichnet wird – stellt den größten Kostenfaktor in einem Kommunikationsnetz dar, da sich im TAL–Bereich das Netz maximal verzweigt.
+
#Here,&nbsp;"$\rm x$"&nbsp; is merely a placeholder that designates the various DSL standards.  
*Überlegungen, im Teilnehmeranschlussnetz die geschätzten 130 Millionen Kilometer an Kupfer–Doppeladern durch '''Glasfaserleitungen''' zu ersetzen (''Fiber–to–the–Home'', FttH), scheiterten bis heute an den enormen Kosten der meist unterirdischen Verlegungsarbeiten.
+
#The technical features will be covered in depth in the next chapters.
*Eine praktikable Lösung war, durch die Nutzung des bestehenden Telefonleitungsnetzes und durch geschickte Kombination verschiedener Nachrichtenübermittlungstechniken und Codierverfahren einen Breitbandanschluss anzubieten mit etwas niedrigeren Datenraten als in einem Glasfasernetz.
 
*Der Telefondienst – entweder analog oder digital (ISDN) – sollte gleichzeitig im gleichen Netz betrieben werden können.
 
  
  
[[File:P_ID1905__Bei_2_1_S1_v1.png|right|frame|Teilnehmeranschlussbereich eines Telekommunikationsnetzes]]
+
'''Part of the xDSL standard:'''
{{GraueBox|TEXT=
+
*$\text{ADSL}$&nbsp; –&nbsp; "Asymmetric Digital Subscriber Line: <br>Asymmetric data transmission technology with data rates of&nbsp; $8$&nbsp; Mbit/s to the subscriber&nbsp; $($"downstream"$)$&nbsp; and&nbsp; $1$&nbsp; Mbit/s in the opposite direction&nbsp; $($"upstream"$)$.
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
 
Die Grafik zeigt den Teilnehmeranschlussbereich (TAL)  
 
*zwischen Ortsvermittlungsstelle (OVSt)
 
*und Endkunden (EVZ).
 
  
 +
*$\text{ADSL2}$&nbsp; and&nbsp; $\text{ADSL2+}$: <br>Extensions of ADSL with data rates of up to&nbsp; $25$&nbsp; Mbit/s&nbsp; $($"downstream"$)$&nbsp; and up to&nbsp; $1$&nbsp; Mbit/s&nbsp; $($"upstream"$)$. <br>The data rate is dynamically negotiated depending on the channel state.
  
Häufig spricht man in diesem Zusammenhang auch von der ''Last Mile''.}}
+
*$\text{Re &ndash; ADSL2}$: <br>Another extension of ADSL with about&nbsp; $30\%$&nbsp;  range gain at a data rate of&nbsp;  $768$&nbsp; kbit/s downstream.
  
 +
*$\text{HDSL}$&nbsp; –&nbsp; "High Data Rate Digital Subscriber Line": <br>Symmetrical data transmission technology&nbsp; &ndash;&nbsp; i.e. equal rates in downstream and upstream&nbsp; &ndash;&nbsp; with data rates between&nbsp; $1.54$&nbsp; Mbit/s and&nbsp; $2.04$&nbsp; Mbit/s. <br><u>Note:</u>&nbsp; The name&nbsp; "HDSL"&nbsp; suggests higher data rates than ADSL;&nbsp; however,&nbsp; this is not the case.
  
 +
*$\text{SDSL}$&nbsp; –&nbsp; "Symmetric Digital Subscriber Line": <br>Symmetrical data transmission at rates of up to&nbsp; $3$&nbsp; Mbit/s.&nbsp; With four-wire wiring&nbsp; $($two copper twisted pairs$)$,&nbsp; a maximum of&nbsp; $4$&nbsp; Mbit/s can be transmitted.&nbsp; Alternatively,&nbsp; the range can be increased at the expense of bandwidth.
  
 +
*$\text{VDSL}$&nbsp; –&nbsp; "Very High Data Rate Digital Subscriber Line": <br>A newer transmission technology based on QAM that operates in the asymmetrical variant with bit rates of&nbsp; $25$&nbsp; to&nbsp; $50$&nbsp; Mbit/s&nbsp; downstream and&nbsp; $5$ to&nbsp; $10$&nbsp; Mbit/s upstream.&nbsp; The symmetrical variant has the same data transmission rates in upstream and downstream.
  
==xDSL&ndash;Arten und &ndash;Begriffe== 
+
*$\text{VDSL2}$&nbsp; &nbsp; "Very High Data Rate Digital Subscriber Line 2": <br>Transmission technology with the currently (2009) highest total data rate of up to&nbsp; $200$&nbsp; Mbit/s.&nbsp; The process is based on DMT&nbsp; $($"Discrete Multitone Transmission"$)$.
  
Bevor wir uns der historischen Entwicklung von DSL bis zum heutigen Stand zuwenden, müssen zuerst die verschiedenen xDSL–Arten definiert und einige Begriffe erklärt werden. Die technischen Merkmale werden in den nächsten Kapiteln in der Tiefe behandelt.
+
*$\text{UDSL}$ &nbsp; or &nbsp; $\text{UADSL}$&nbsp; &nbsp; &nbsp; "Universal (Asymmetric) Digital Subscriber Line".
*'''ADSL''' – ''Asymmetric Digital Subscriber Line'': <br>Asymmetrische Datenübertragungstechnik mit Datenübertragungsraten von 8 Mbit/s zum Teilnehmer (''Downstream'') und 1 Mbit/s in der Gegenrichtung (''Upstream'').
 
*'''ADSL2''' und '''ADSL2+''': <br>Erweiterungen von ADSL mit Datenraten bis 25 Mbit/s zum Teilnehmer und bis 1 Mbit/s im Upstream. Die Datenrate wird je nach Kanalzustand dynamisch ausgehandelt.
 
*'''Re–ADSL2''': <br>Eine weitere Erweiterung von ADSL mit etwa 30% Reichweitengewinn bei einer Datenrate von 768 kbit/s im Downstream.
 
*'''HDSL''' – ''High Data Rate Digital Subscriber Line'': <br>Symmetrische Datenübertragungstechnik – also gleiche Raten in Down– und Upstream – mit Datenraten zwischen 1.54 Mbit/s und 2.04 Mbit/s. ''Anmerkung'': Der Name „HDSL” suggeriert höhere Datenraten als ADSL; dem ist aber nicht so.
 
*'''SDSL''' – ''Symmetric Digital Subscriber Line'': <br>Symmetrische Datenübertragung mit Raten bis zu 3 Mbit/s. Bei vieradriger Beschaltung (zwei Kupfer-Doppeladern) können maximal 4 Mbit/s übertragen werden. Alternativ kann man auch die Reichweite auf Kosten der Bandbreite erhöhen.
 
*'''VDSL''' – ''Very High Data Rate Digital Subscriber Line'': <br>Eine neuere, auf QAM basierende Übertragungstechnik, die in der asymmetrischen Variante mit Bitraten von 25 bis 50 Mbit/s im Downstream und von 5 bis 10 Mbit/s im Upstream arbeitet. Die symmetrische Variante weist im Upstream und Downstream gleiche Datenübertragungsraten auf.
 
*'''VDSL2''' – ''Very High Data Rate Digital Subscriber Line 2'': <br>Übertragungstechnologie mit der derzeit (2009) größten Gesamtdatenrate von bis zu 200 Mbit/s. Das Verfahren basiert auf DMT (''Discrete Multitone Transmission'').
 
*'''UDSL''' bzw. '''UADSL''' ''Universal (Asymmetric) Digital Subscriber Line''.
 
  
  
Unter „DSL” kursieren daneben auch viele Produkte, die nicht dem xDSL–Standard zuzuordnen sind. Oft sollen sie nur deutlich machen, dass es sich um einen schnellen Datenzugang handelt. Dazu gehören:
+
'''Not part of the xDSL standard:'''
*'''cableDSL''': Markenname des deutschen Unternehmens TELES AG, das einen schnellen Internetzugang über Kabel anbietet. Der Name wurde nur aus Marketinggründen gewählt.
+
#There are also many products circulating under&nbsp; "DSL"&nbsp; that are not part of the xDSL standard.  
*'''skyDSL''': Markenname für einen europaweit verfügbaren Internetzugang über Satelliten mit bis zu 24 Mbit/s im Downstream. Der Upstream erfolgt hier über POTS (''Plain old telephone service'') oder [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|ISDN             ]] (''Integrated Services Digital Network'').
+
#They are often only intended to make it clear that fast data access is involved.&nbsp;
*'''T-DSL via Satellit''': Markenname für einen Downstream–Internetzugang der Telekom über Satellit; verwendet zum Senden ein herkömmliches Modem oder eine ISDN–Verbindung.
+
 
*'''WDSL''' ''Wireless Digital Subscriber Line'': Markenname eines deutschen Unternehmens, das mit Funktechnik in DSL–freien Gebieten Datenraten bis zu 108 Mbit/s ermöglicht.
+
 
*'''mvoxDSL''': Markenname eines Internetzugangs mit „WiMAX–ähnlicher Funktechnik”, der ebenso wie WDSL und PortableDSL nur ein Hilfskonstrukt für DSL–freie Gebiete darstellt.
+
These include:
 +
*$\text{cableDSL}$: &nbsp; Brand name of the German company TELES AG, which offers high-speed Internet access via cable. The name was chosen for marketing reasons only.
 +
 
 +
*$\text{skyDSL}$:&nbsp; Brand name for Internet access available throughout Europe via satellite with up to&nbsp; $24$&nbsp; Mbit/s downstream. <br>The upstream here is via POTS&nbsp; $($"Plain old telephone service"$)$&nbsp; or&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN|ISDN ]]&nbsp; $($"Integrated Services Digital Network"$)$.
 +
 
 +
*$\text{T-DSL via satellite}$: &nbsp; Brand name for a downstream Internet access of Telekom via satellite;&nbsp; uses a conventional modem or an ISDN connection for transmission.
 +
 
 +
*$\text{WDSL}$&nbsp; &nbsp; "Wireless Digital Subscriber Line":&nbsp; Brand name of a German company that uses wireless technology to enable data rates of up to&nbsp; $108$&nbsp; Mbit/s in DSL-free areas.
 +
 
 +
*$\text{mvoxSatellit}$: &nbsp; Brand name of an Internet access with&nbsp; "WiMAX-like radio technology",&nbsp; which like WDSL and PortableDSL is only an auxiliary construct for DSL-free areas.
  
 
   
 
   
==Historische Entwicklung von xDSL – Standardisierungen ==
+
==Historical development of xDSL standardizations ==
 +
<br>
  
Schon in den 1970er Jahren wurde die Notwendigkeit digitaler Teilnehmeranschlüsse zur Verbesserung der Leitungsausnutzung und zur Erhöhung des Kundenkomforts erkannt. Nach der ISDN–Spezifikation Anfang der 1980er Jahre begann die eigentliche Entwicklung von DSL.
+
The need for digital subscriber lines to improve line utilization and increase customer convenience was recognized as early as the 1970s.&nbsp; After the ISDN specification in the early 1980s,&nbsp; the actual development of DSL began.
*Diese Entwicklung wurde von den Erkenntnissen vieler weltweit angesiedelter Gruppen beeinflusst. Dementsprechend unstrukturiert verlief die Standardisierung. Aus der unteren Liste (&bdquo;Meilensteine&rdquo;) wird deutlich, dass bei den verschiedenen Standards weltweit unterschiedliche Gremien federführend waren.
 
*In der Industrie wichen die technischen Realisierungen der einzelnen xDSL–Standards von der Spezifikation oft merklich ab. So wurden manche Standards teilweise schon vor der Spezifikation als Projekte begonnen, da die Industrieparteien auch in den Gremien zur Standardisierung vertreten waren.
 
  
 +
*This development was influenced by the findings of many groups located around the world.&nbsp; Accordingly,&nbsp; the standardization proceeded in an unstructured manner.
  
Die Grafik veranschaulicht Zusammenhänge zwischen
+
*From the list on the right,&nbsp; it is clear that different committees around the world were in charge of the various standards.
*Meilensteinen beim theoretischen und praktischen Entwurf von Übertragungssystemen,
+
 
*parallel verlaufenden Fortschritten in der Halbleiterentwicklung, und der
+
*In the industry,&nbsp; the technical realizations of the individual xDSL standards often deviated noticeably from the specification.&nbsp;
*Realisierung der einzelnen xDSL–Standards mit den entsprechenden Datenraten.
+
 
 +
*Some standards were started as projects even before the specification,&nbsp; since the industry parties were also represented in the standardization committees.
 +
 
 +
 
 +
The graph illustrates the relationships between milestones in the theoretical and practical design of transmission systems.
  
[[File:P_ID1906__Bei_2_1_S3_v1.png|center|frame|Industrielle xDSL–Entwicklung]]
 
  
Hier die '''Meilensteine''' der DSL–Entwicklung in Kurzform:
 
*'''1986'''  &nbsp; Ein erstes Konzept für HDSL ('''''H'''igh–bit–rate '''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine'') wird von AT&T, Bell Laboratories und Bellcore definiert.
 
*'''1989'''  &nbsp; Erste HDSL–Prototypen erscheinen.  #  Bellcore arbeitet inzwischen an der konzeptionellen Definition von ADSL.
 
*'''1992'''  &nbsp; Im Februar erstmalige Veröffentlichung des '''ANSI Technical Report E1T1/92–002R1''': „''High Bit–rate Digital Subscriber Line'' – HDSL”.  #  Die ersten Prototypen für ADSL ('''''A'''symmetric '''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine'') erscheinen.
 
*'''1994'''  &nbsp; Das VDSL–Konzept ('''''V'''ery–high–speed '''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine'') wird erstmalig diskutiert.
 
*'''1995'''  &nbsp; Veröffentlichung des '''ETSI Technical Report ETR 152''': „''High–bit–rate Digital Subscriber Line'' (HDSL)” sowie „''Transmission Systems on Metallic Local Lines''”.  #  Erste Feldversuche mit ADSL in den USA.  #  Veröffentlichung des '''ADSL–Standards ANSI T1.413''': „''Asymmetric Digital Subscriber Line'' (ADSL) ''Metallic Interface''”.
 
*'''1996'''  &nbsp; Erstmalige Veröffentlichung des '''ETSI Technical Report ETR 328''': „Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)” sowie „Transmission and Multiplexing (TM)”.
 
*'''1998'''  &nbsp; Im April erstmalige Veröffentlichung der '''ETSI Technical Specification TS 101 270–1 V1.1.1''': „''Very–high–speed Digital Subscriber Line'' (VDSL)”.  #  Nahezu zeitgleich erstmalige Veröffentlichung des '''ANSI Draft Technical Document T1E1.4/98–043R1''': „''Very–high–speed Digital Subscriber Lines''”.  #  Im Oktober erste Veröffentlichung der '''ITU–Empfehlung G.991.1''': „''High–bit–rate Digital Subscriber Line'' (HDSL) ''Transceivers''”.  #  Nahezu zeitgleich Veröffentlichung der '''ETSI Technical Specification TS 101 135''': „''High–bit–rate Digital Subscriber Line'' (HDSL) – ''Transmission Systems on Metallic Local Lines''”.  #  Im November Veröffentlichung der '''ETSI Technical Specification TS 101 388 V1.1.1''': „''Asymmetric Digital Subscriber Line'' (ADSL) – ''European Specific Requirements''”.
 
*'''1999'''  &nbsp; Im Juni Veröffentlichung der '''ITU–Empfehlungen G.992.1''': „''Asymmetric Digital Subscriber Line'' (ADSL) ''Transceivers''” und '''G.992.2''': „''Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line'' (ADSL) ''Transceivers''”.  #  Am 22.07. bietet die Deutsche Telekom AG erstmals ADSL in Deutschland an (T–DSL 768).
 
*'''2001'''  &nbsp; Im Februar Veröffentlichung der '''ITU–Empfehlung G.991.2''': „''Single–pair High–speed Digital Subscriber Line'' (SHDSL) ''Transceivers''”.  #  Im November Veröffentlichung der '''ITU–Empfehlung G.993.1''': ''Very–high–speed Digital Subscriber Line transceivers'' (VDSL).
 
*'''2002'''  &nbsp; Erstmalige Veröffentlichungen der '''ITU–Empfehlungen G.992.3''': „''Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2'' (ADSL2)” sowie '''G.992.4''': „''Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2'' (splitterless ADSL2)” .
 
*'''2003'''  &nbsp; Erste Veröffentlichung der '''ITU–Empfehlung G.992.5''': „''Asymmetric Digital Subscriber Line'' (ADSL) ''Transceivers – Extended-bandwidth ADSL2'' (ADSL2+)” .
 
*'''2006'''  &nbsp; Im Februar Veröffentlichung der '''ITU–Empfehlung G.993.2''': „''Very–high–speed Digital Subscriber Line Transceivers 2'' (VDSL2)”.  #  Im Oktober bietet die Deutsche Telekom AG erstmals für Endkunden in ausgewählten Städten VDSL2 an.
 
 
  
== Europäische ADSL- und VDSL-Entwicklung ==
+
[[File:EN_Bei_2_1_s3_v4.png|right|frame|Milestones of the industrial xDSL development]]
 +
$\text{Milestones of DSL development in short form:}$
  
Aus der obigen Zusammenstellung erkennt man, dass die '''ADSL–Standardisierung''' vorwiegend von [https://de.wikipedia.org/wiki/American_National_Standards_Institute ANSI] (''American National Standards Institute'') vorangetrieben wurde und dass jeweils kurz danach die [https://en.wikipedia.org/wiki/ETSI ETSI]  (''European Telecommunications Standards Institute'') nachlegte:
+
'''1986'''  &nbsp; A first concept for&nbsp; $\rm HDSL$&nbsp; $($"'''H'''igh-bit-rate '''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine"$)$&nbsp; is defined by AT&T,&nbsp; Bell Laboratories and Bellcore.
*Der erste ADSL–Standard ('''ANSI T1.413''') aus dem Jahr 1995 war vorwiegend für Video–Abrufdienste optimiert, was auch durch das Verhältnis der hierin definierten Down– und Upstream–Datenraten deutlich wird: 1.5 Mbit/s & 16 kbit/s, 3 Mbit/s & 16 kbit/s, und schließlich 6 Mbit/s & 64 kbit/s.
 
*Der Frequenzbereich war ursprünglich so festgelegt, dass man mit ADSL nur ein analoges Telefon auf der Anschlussleitung betreiben konnte. ETSI veröffentlichte 1996 einen technischen Report ('''ETR 328''') mit nur wenigen Detailänderungen und der Möglichkeit, 2048 kbit/s zu übertragen.
 
*Da die zweite Version des ANSI–Standards ebenfalls nur ein zusätzliches Analogtelefon zuließ, definierte die ETSI daraufhin ein ADSL–System, das sich sowohl in den Bitraten als auch in der Möglichkeit der Nutzung eines ISDN–Basisanschlusses auf der gleichen Doppelader unterschied.
 
*Die ANSI– und ETSI–Standardisierungsbestrebungen der Vorjahre mündeten 1999 in die [https://en.wikipedia.org/wiki/International_Telecommunication_Union ITU]–Empfehlung '''G.992.1''', die beide Standards beinhaltet und somit viele Möglichkeiten der Realisierung zulässt.
 
  
 +
'''1989'''  &nbsp; First HDSL prototypes appear;  &nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp; Bellcore meanwhile works on the conceptual definition of&nbsp; $\rm  ADSL$ &nbsp; $($"'''A'''symmetric '''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine"$)$.
  
Die vielen Optionen führten allerdings Ende der 1990er Jahre zu großen konzeptionellen Unterschieden – weltweit, innereuropäisch und auch national, unter anderem abhängig vom Halbleiterhersteller. Nur wenige Systeme, Modems und Messgeräte interoperierten mit anderen Herstellern.
+
'''1992'''  &nbsp; First publication of the&nbsp; $\text{ANSI Technical Report E1T1/92-002R1}$:<br>"High-bit-rate Digital Subscriber Line";&nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp; The first ADSL prototypes  appear.
  
Um diesem Wildwuchs entgegenzuwirken, verabschiedete die Deutsche Telekom AG Ende 2001 die Technische Richtlinie '''1TR112''', in der alle nötigen Schnittstellenparameter festgelegt werden, um die Interoperabilität verschiedener Herstellermodems auf Anbieter– und Kundenseite zu gewährleisten. Durch die Marktmacht der Telekom wurde diese zum Quasi–Standard für Deutschland.
+
'''1994''' &nbsp; The&nbsp; $\rm VDSL$&nbsp; concept&nbsp; $($"'''V'''ery-high-speed '''D'''igital '''S'''ubscriber '''L'''ine"$)$&nbsp; is discussed for the first time.
Des Weiteren wurden in Deutschland auch nur solche ADSL–Varianten eingesetzt, die jederzeit einen gleichzeitigen Betrieb von ISDN ermöglichten. Somit musste beim Wechsel von POTS auf ISDN nicht auch noch die ADSL–Version gewechselt werden.
 
  
 +
'''1995'''  &nbsp; Publication of the&nbsp; $\text{ETSI Technical Report ETR 152:}$&nbsp; "High-bit-rate Digital Subscriber Line"&nbsp; and&nbsp; "Transmission Systems on Metallic Local Lines";  <br>&rArr; &nbsp; &nbsp;  Publication of&nbsp; $\text{ADSL Standard ANSI T1.413}$:&nbsp; $($"Asymmetric Digital Subscriber Line Metallic Interface"$)$; &nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp; First field trials with ADSL in the USA .
  
Die für Europa relevante '''VDSL–Standardisierung''' wurde maßgeblich von der ETSI geprägt und geschah oft parallel zu den amerikanischen Aktivitäten. Insgesamt lief die Standardisierung von VDSL geordneter ab als bei ADSL. Der von ETSI beschlossene 3–Stufen–Plan sah vor:
+
'''1996''' &nbsp; First publication of the&nbsp; $\text{ETSI Technical Report ETR 328}$:&nbsp; "Asymmetric Digital Subscriber Line"&nbsp; and&nbsp; "Transmission and Multiplexing".
*Stufe 1: Funktionale und elektrische Anforderungen an VDSL–Systeme,
 
*Stufe 2: Anforderungen an die Übertragungscodierung und die Zugriffsmethoden,
 
*Stufe 3: Interoperabilitätsanforderungen.
 
  
 +
'''04/1998'''  First publication of&nbsp; $\text{ETSI Technical Specification TS 101 270}$:&nbsp; "Very-high-speed Digital Subscriber Line";  &nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp;  Almost simultaneously, first publication of&nbsp; $\text{ANSI Draft Technical Document T1E1.4/98-043R1}$:&nbsp; "Very-high-speed Digital Subscriber Lines". 
  
Diese Anstrengungen mündeten im April 1998 in der Veröffentlichung der ETSI Technical Specification '''TS 101 270-1''', die als Modulationsverfahren sowohl [[Modulationsverfahren/Weitere_OFDM–Anwendungen#Eine_Kurzbeschreibung_von_DSL_.E2.80.93_Digital_Subscriber_Line|DMT]] (''Discrete Multitone Transmission'') als auch [[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation|QAM]] (Quadratur–Amplitudenmodulation) zuließ. Die Halbleiter–Hersteller konnten sich lange nicht auf einen weltweiten Leitungscode–Standard einigen und man sprach sogar vom ''VDSL Line-Code War''. 2003 wurde bei den sog. ''VDSL Olympics'' zugunsten von DMT und gegen QAM bzw. der leicht modifizierten Variante [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/xDSL_als_Übertragungstechnik#Carrierless_Amplitude_Phase_Modulation_.28CAP.29|CAP]] (''Carrierless Amplitude Phase Modulation'') entschieden, und zwar
+
'''10/1998''' First publication of&nbsp; $\text{ITU Recommendation G.991.1}$:&nbsp; "High-bit-rate Digital Subscriber Line Transceivers";  &nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp; Almost simultaneously publication of&nbsp; $\text{ETSI Technical Specification TS 101 135}$:&nbsp;  "High-bit-rate Digital Subscriber Line &ndash; Transmission Systems on Metallic Local Lines".
*wegen der Robustheit von DMT gegenüber schmalbandigen Störquellen,
 
*obwohl QAM (CAP) einen schnelleren Verbindungsaufbau ermöglichen würde.
 
  
+
'''11/1998''' Publication of&nbsp; $\text{ETSI Technical Specification TS 101 388 V1.1.1}$:&nbsp; "Asymmetric Digital Subscriber Line &ndash; European Specific Requirements".
== Die rasante Entwicklung der DSL–Anschlüsse  ==
 
  
Anfang 2000 wurde für das Jahr 2004 eine DSL–Verbreitung von ca. 6 Millionen Anschlüssen (für Europa) und 1.6 Millionen (für Deutschland) prognostiziert. Die Prognosen wurden deutlich überboten. In Deutschland stieg die Zahl der '''Breitbandanschlüsse''' (xDSL und Sonstige, vorwiegend xDSL) durchschnittlich um etwa 50% jährlich. Gleichzeitig stagnierte die Zahl der '''Schmalbandanschlüsse''' (ISDN + Analog) mit einer Verschiebung zu ISDN. Dies zeigt den Trend zu komfortablen, digitalen Telefonanschlüssen, während der bisherige ''Plain Old Telephone Servive'' mehr und mehr verschwindet.
+
'''1999''' &nbsp; In June,&nbsp; publication of&nbsp; $\text{ITU Recommendations G.992.1}$:&nbsp; "Asymmetric Digital Subscriber Line &ndash; Transceivers"&nbsp; and&nbsp; $\text{G.992.2}$:&nbsp; "Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line &ndash; Transceivers"; &nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp; On July 22, Deutsche Telekom AG offers ADSL in Germany for the first time&nbsp; $\text{(T-DSL 768)}$.
  
[[File:P_ID1908__Bei_2_1_S5a_v3.png|Entwicklung der Breitband– und Schmalbandanschlüssen in Deutschland]]
+
'''2001'''  &nbsp; In February,&nbsp; publication of&nbsp; $\text{ITU Recommendation G.991.2}$:&nbsp; "Single-pair High-speed Digital Subscriber Line Transceivers"; &nbsp; &nbsp;  &rArr; &nbsp; &nbsp;  In November,&nbsp; publication of&nbsp; $\text{ITU Recommendation G.993.1}$:&nbsp; "Very-high-speed Digital Subscriber Line transceivers".
  
2005 hielt Deutschland (fast 8 Millionen xDSL–Teilnehmeranschlüssen) die Spitzenposition in Europa, wie die folgende Grafik zeigt (blaue Balken). In der Bevölkerungsabdeckung (wieviele Bewohner nutzen DSL prozentual?) lagen andere Länder (Finnland, die Niederlande, Dänemark, Frankreich) mit mehr als 13% im europaweiten Vergleich vorne (rote Balken).
+
'''2002'''  &nbsp; First publications of&nbsp; $\text{ITU Recommendations G.992.3}$:&nbsp; "Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2"&nbsp; $\rm (ADSL2)$&nbsp; and&nbsp; $\text{G.992.4}$:&nbsp; "Splitterless ADSL2".
  
[[File:P_ID3117__Bei_2_1_S5b_v2.png|xDSL–Anschlüsse und xDSL–Abdeckung im europäischen Vergleich (2005)]]
+
'''2003'''  &nbsp; First publication of&nbsp; $\text{ITU Recommendation G.992.5}$:&nbsp; "Asymmetric Digital Subscriber Line"&nbsp; $\rm (ADSL)$&nbsp; Transceivers"&nbsp; and &nbsp; "Extended-bandwidth ADSL2"&nbsp; $\rm (ADSL2+)$.
 
  
==DSL–Verbreitung um das Jahr 2008 ==
+
'''02/2006'''  &nbsp; Publication of&nbsp; $\text{ITU Recommendation G.993.2}$: "Very-high-speed Digital Subscriber Line Transceivers 2"&nbsp; $\rm  (VDSL2)$. 
  
Inzwischen haben sich die Zahlen in Europa fast explosionsartig weiterentwickelt. xDSL ist heute in fast allen Ländern die führende Zugangstechnologie mit einer beachtenswerten Entwicklung:
+
'''10/2006'''  &nbsp;Deutsche Telekom AG offers VDSL2 to end customers in selected cities for the first time.
*In der Europäischen Union wurde für 2008 eine Breitbandverfügbarkeit für mindestens 95% der Bevölkerung angestrebt. Die „weißen Flecken” komplett abzuschaffen, ist derzeit leider noch nicht möglich.
+
*Ende 2008 verfügten mehr als 114 Millionen Europäer über einen Breitbandanschluss, größtenteils xDSL–Anschlüsse. Dies entspricht einer Steigerung von ca. 29% pro Jahr über die Jahre 2004–2008 gemittelt (siehe die folgende, für Europa geltende Grafik).
 
  
 +
== Development of ADSL and VDSL in Europe ==
 +
<br>
 +
From the above compilation it can be seen that the&nbsp; &raquo;'''ADSL standardization'''&laquo;&nbsp; was predominantly driven by&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/American_National_Standards_Institute $\rm ANSI$]&nbsp; $($"American National Standards Institute"$)$&nbsp; and that&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/ETSI $\rm ETSI$]&nbsp; $($"European Telecommunications Standards Institute"$)$&nbsp; followed shortly thereafter in each case:
 +
#The first ADSL standard &nbsp; "$\text{ANSI T1.413}$" &nbsp; from 1995 was predominantly optimized for video-on-demand services,&nbsp; which is also made clear by the ratio of the downstream and upstream data rates defined herein:&nbsp; $1.5$&nbsp; Mbit/s and&nbsp; $16$&nbsp; kbit/s,&nbsp; $3$&nbsp; Mbit/s and&nbsp; $16$&nbsp; kbit/s, and finally&nbsp; $6$&nbsp; Mbit/s and&nbsp; $64$&nbsp;kbit/s.
 +
#The frequency range was originally defined in such a way that ADSL could only be used to operate an analog telephone on the access line.&nbsp; ETSI published a technical report &nbsp; "$\text{ETR 328}$" &nbsp; in 1996 with only a few detailed changes and the possibility to transmit&nbsp; $2048$&nbsp; kbit/s.
 +
#Since the second version of the ANSI standard also allowed only one additional analog telephone,&nbsp; ETSI then defined an ADSL system that differed both in bit rates and in the possibility of using an ISDN basic access on the same twisted pair.
 +
#The ANSI and ETSI standardization efforts of the previous years resulted in the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/International_Telecommunication_Union "ITU"] recommendation&nbsp; "$\text{G.992.1}$" &nbsp; in 1999,&nbsp; which includes both standards and thus allows many options for the implementation.
  
[[File:P_ID1910__Bei_2_1_S6a_v2.png|Entwicklung der Breitbandanschlüsse in Europa, aufgeteilt nach Technologie (2000–2008)]]
 
  
Die nächste Grafik zeigt die „Top 10” weltweit im Jahr 2008. Hier weist China mit ca. 43 Millionen die meisten xDSL–Teilnehmeranschlüsse auf. In der Bevölkerungsabdeckung liefert Frankreich ein beachtliches Ergebnis mit 24%. Deutschland liegt bei beiden Betrachtungsweisen im oberen Mittelfeld. Die Prognosen des DSL–Forums gehen für 2010 weltweit von 500 Millionen xDSL–Anschlüssen aus.
+
However,&nbsp; the many options led to major conceptual differences at the end of the 1990s&nbsp; &ndash;&nbsp; worldwide,&nbsp; within Europe and also nationally&nbsp; &ndash;&nbsp; depending on the semiconductor manufacturer,&nbsp; among other things.&nbsp; Only a few systems,&nbsp; modems,&nbsp; and measuring devices interoperated with other manufacturers.
  
[[File:P_ID1911__Bei_2_1_S6b_v2.png|xDSL im weltweiten Vergleich 2007 („Top 10”)]]
+
To counteract this proliferation,&nbsp; The&nbsp; "Deutsche Telekom AG"&nbsp; passed the technical guideline&nbsp; "$\text{1TR112}$" &nbsp; at the end of 2001,&nbsp; defining all the necessary interface parameters to ensure the interoperability of different manufacturer modems on the provider and customer side.&nbsp;
+
*Due to Telekom's market power,&nbsp; this became the quasi-standard for Germany.
Die nächste Grafik zeigt die Anzahl der Breitbandanschlüsse Ende 2008 ingesamt (xDSL, Kabel und Glasfaser) in 15 Mitgliedsländern der ''Organisation for Economic Co–operation and Development'' (OECD). Die USA liegen hier mit knapp über 30 Millionen xDSL–Zugängen vorne, Deutschland folgt an zweiter Stelle mit rund 20 Millionen xDSL–Zugängen.
 
  
 +
*Furthermore,&nbsp; only those ADSL variants were used in Germany that allowed simultaneous operation of ISDN at any time.&nbsp; Thus,&nbsp; when switching from POTS to ISDN,&nbsp; it was not necessary to change the ADSL version as well.
  
[[File:P_ID1912__Bei_2_1_S6c_v2.png|Breitbandanschlüsse in den OECD-Länder Ende 2008]]
 
  
Die Statistik ändert sich grundlegend, wenn man die Breitbandabdeckung in der Bevölkerung betrachtet. Hier ist (das einwohnermäßig kleine) Island mit einer xDSL–Abdeckung von 31.6% der Bevölkerung führend vor Frankreich mit 26.6%. Deutschland liegt an 5. Stelle mit 25.4%.
+
The&nbsp; &raquo;'''VDSL standardization'''&laquo;&nbsp; relevant for Europe was decisively shaped by ETSI and often happened in parallel to the American activities.&nbsp; Overall,&nbsp; VDSL standardization proceeded in a more orderly fashion than ADSL.&nbsp; The 3-step plan adopted by ETSI provided for:
 +
*Stage 1:&nbsp; Functional and electrical requirements for VDSL systems,
  
[[File:P_ID3118__Bei_2_1_S6d_v3.png|Breitbandabdeckung in der Bevölkerung der OECD-Länder Ende 2008]]
+
*Stage 2:&nbsp; Transmission coding and access method requirements,
  
Die USA, Japan und Südkorea sind bezüglich Flächenabdechung mit jeweils unter 10% nicht unter den ersten 15 Ländern. Zu berücksichtigen ist aber, dass in diesen Ländern bereits damit begonnen wurde, Glasfaserleitungen bis zum Kunden zu verlegen (''Fiber–to–the–Home'', FttH). Diese Anschlüsse fallen aus der xDSL–Statistik heraus.
+
*Stage 3:&nbsp; Interoperability requirements.
  
Die folgende Grafik zeigt, in welchen OECD–Ländern die schnellsten DSL–Zugänge angeboten werden („Top 30”). Vorne liegen mit 100 Mbit/s Datenrate Korea und Japan dank der VDSL(2)–Technologie. Deutschland kommt gemeinsam mit Dänemark an dritter Stelle mit 50 Mbit/s. Hier wird ebenfalls der VDSL(2)–Standard verwendet; die kleinere Datenrate ergibt sich aufgrund der größeren Leitungslänge im Teilnehmeranschlussbereich. Allerdings ist diese hochratige Breitbandversorgung auch in Deutschland derzeit (Ende 2009) noch auf nur wenige städtische Gebiete beschränkt.
 
  
[[File:P_ID1914__Bei_2_1_S6e_v1.png|„Top 30” der schnellsten DSL–Angebote]]
+
These efforts culminated in April 1998 in the publication of the ETSI Technical Specification&nbsp; "$\text{TS 101 270-1}$",&nbsp; which defines as modulation methods both&nbsp; [[Modulation_Methods/Further_OFDM_Applications#A_brief_description_of_DSL_-_Digital_Subscriber_Line|$\rm DMT$]]&nbsp; $($"Discrete Multitone Transmission"$)$&nbsp;  and&nbsp; [[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation|$\rm QAM$]]&nbsp; $($"Quadrature Amplitude Modulation"$)$.&nbsp; The semiconductor manufacturers could not agree on a worldwide line code standard for a long time and there was even talk of the&nbsp; "VDSL Line Code War".
  
==DSL-Entwicklung und Zielvorgaben für Deutschland== 
+
In 2003,&nbsp; at the so-called&nbsp; "VDSL Olympics",&nbsp; the decision was made in favor of DMT and against QAM or the slightly modified variant&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/xDSL_as_Transmission_Technology#Carrierless_Amplitude_Phase_Modulation|$\rm CAP$]]&nbsp; $($"Carrierless Amplitude Phase Modulation"$)$,&nbsp; namely
 +
*because of the robustness of DMT against narrowband interference sources,
  
Die Bundesregierung legte 2003 in ihrem Programm „Informationsgesellschaft Deutschland 2006” für 2010 das Ziel von mindestens 20 Millionen Breitbandanschlüssen fest. Ende 2008 gab es in Deutschland laut ''Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie'' rund 23 Millionen Breitbandzugänge, womit 60% der Haushalte abgedeckt waren. Mehr als 21 Millionen (91%) davon sind xDSL–Anschlüsse und 8% Kabelanschlüsse. Die restlichen Breitbandzugänge verteilen sich auf Satellit, Glasfaser und WLAN.
+
*although QAM/ CAP would allow a faster call setup.
Laut der Breitbandstrategie der Bundesregierung vom Februar 2009 sollen
 
*alle Lücken in der Breitbandversorgung bis Ende 2010 geschlossen werden und flächendeckend leistungsfähige Breitbandanschlüsse – darunter versteht man Datenraten im ''Downstream'' von mindestens 1 Mbit/s – verfügbar sein,
 
*bis 2014 bereits für 75% der Haushalte Anschlüsse mit Datenraten von mindestens 50 Mbit/s zur Verfügung stehen und möglichst bald flächendeckend verfügbar sein.
 
  
  
[[File:P_ID1915__Bei_2_1_S7_v1.png|DSL–Verfügbarkeit in Deutschland (Breitbandatlas)]]
 
  
Die letzte Grafik dieses Kapitels zeigt die DSL–Verfügbarkeit in Deutschland Ende 2008 allgemein (links) bzw. mit Datenraten größer als 1 Mbit/s (rechts). Im linken Bild erkennt man viele sattgrüne oder zumindest hellgrüne Bereiche, die eine DSL–Verfügbarkeit von mehr als 75% kennzeichnen. Allerdings gibt es insbesondere in Ostdeutschland auch noch viele weiße und rote Gebiete (Verfügbarkeit unter 25%). Im rechten Bild überwiegt gelb (Verfügbarkeit zwischen 50 und 75%).
 
  
 
==Aufgabe zu Kapitel 2.1 ==
 
  
[[2.1:_Grundsätzliches_zu_xDSL|Aufgabe 2.1: Grundsätzliches zu xDSL]]  
+
==Exercises for the chapter ==
 +
<br>
 +
[[Exercise_2.1:_General_Description_of_xDSL|Exercise 2.1: General Description of xDSL]]  
  
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 22:01, 21 March 2023

# OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #


$\rm D$igital $\rm S$ubscriber $\rm L$ine  – in short  $\rm DSL$ –  literally means only  "digital subscriber line".  At the same time,  "DSL"  was a synonym for  "high-speed Internet access in the local loop to the end customer",  although "high-speed"  must be put into perspective today  $(2018)$.

xDSL has been significantly standardized by the standards committees  $\rm ANSI$  $($USA$)$  and  $\rm ETSI$  $($Europe$)$  as well as the  $\rm ITU$  $($worldwide$)$.  Due to different pre-existing technical conditions and preferences of developers and operators,  a large variety of nationally different versions of nominally identical xDSL standards resulted.  In the following,  we will restrict ourselves primarily to the German xDSL versions.

This chapter contains in detail:

  1. An  »overview of the historical development and standardization«  of xDSL,
  2. the  »differences between ADSL and VDSL«  as well as statistics on their penetration,
  3. a brief description of xDSL from a  »communications protocol perspective«,
  4. the bandwidth allocations for the two  »xDSL variants ADSL and VDSL«, 
  5. a detailed description of the  »DSL transmission methods QAM, CAP and DMT«,
  6. the problems of  »digital signal transmission over copper twisted pairs«  in general,
  7. the relationship between  »SNR,  range and transmission rate«,
  8. the  »error correction measures«  used to reduce the bit error rate.


Network infrastructure for DSL


We start as in the  "ISDN chapter"  with the network infrastructure.  DSL was intended to use the existing analog telephone network for cost reasons. 

The greatest cost factor of the entire infrastructure is the  »subscriber line area«  between a main distribution frame  $($e.g. "switching office"$)$  and the subscribers.

Structure of the local loop area
  • In Germany,  this so-called  »last mile«  is shorter than  $4$  kilometers on average,  and in urban areas  $90\%$  of the time it is even shorter than  $2.8$  kilometers.
  • Due to the topological conditions,  the telephone network is increasingly branching out in a star configuration toward the end customer.
  • In order to avoid having to lay a separate copper cable to the local exchange for each subscriber,  splitters have been installed in between and the lines bundled in correspondingly large cables.


The  »local loop area»  is therefore usually made up as follows:

  1.   The  "main cable"  with up to  $2000$  pairs between the local exchange  (or the switching office)  frame and a cable branch,
  2.  the  "branch cable"  between the cable branch and the final branch, with up to  $300$  pairs and a maximum length of 500 meters,  which is significantly shorter than a main cable,
  3.  the  "house connection cable"  between the terminal box and the network termination box at the subscriber with two pairs of wires.


xDSL types and terms


$\text{Motivation for Digital Subscriber Line}$ 

$\rm DSL$  $($"Digital Subscriber Line"$)$  arose from the need,  to provide low cost high rate digital data access to the end user
During the design process,  it was necessary to take into account:

  • As explained in the last section,  the  "last mile"  is the largest cost factor in a communications network.
  • Considerations to replace the estimated  130  million kilometers of copper twisted pairs in the local loop network with fiber optic lines  $($fiber-to-the-home,  $\rm FttH)$  have failed to date due to the enormous costs of the mostly underground laying work.
  • A viable solution was to offer a broadband connection with somewhat lower data rates than in a fiber optic network by using the existing telephone line network and by cleverly combining different transmission techniques and coding methods.
  • The telephone service – either analog or digital  $\rm (ISDN)$  – should be able to operate simultaneously on the same network.


Before we turn to the historical DSL development up to the current state,  the various types of  "$\rm xDSL$"  must first be defined and some terms explained.  Note:

  1. Here, "$\rm x$"  is merely a placeholder that designates the various DSL standards.
  2. The technical features will be covered in depth in the next chapters.


Part of the xDSL standard:

  • $\text{ADSL}$  –  "Asymmetric Digital Subscriber Line:
    Asymmetric data transmission technology with data rates of  $8$  Mbit/s to the subscriber  $($"downstream"$)$  and  $1$  Mbit/s in the opposite direction  $($"upstream"$)$.
  • $\text{ADSL2}$  and  $\text{ADSL2+}$:
    Extensions of ADSL with data rates of up to  $25$  Mbit/s  $($"downstream"$)$  and up to  $1$  Mbit/s  $($"upstream"$)$.
    The data rate is dynamically negotiated depending on the channel state.
  • $\text{Re – ADSL2}$:
    Another extension of ADSL with about  $30\%$  range gain at a data rate of  $768$  kbit/s downstream.
  • $\text{HDSL}$  –  "High Data Rate Digital Subscriber Line":
    Symmetrical data transmission technology  –  i.e. equal rates in downstream and upstream  –  with data rates between  $1.54$  Mbit/s and  $2.04$  Mbit/s.
    Note:  The name  "HDSL"  suggests higher data rates than ADSL;  however,  this is not the case.
  • $\text{SDSL}$  –  "Symmetric Digital Subscriber Line":
    Symmetrical data transmission at rates of up to  $3$  Mbit/s.  With four-wire wiring  $($two copper twisted pairs$)$,  a maximum of  $4$  Mbit/s can be transmitted.  Alternatively,  the range can be increased at the expense of bandwidth.
  • $\text{VDSL}$  –  "Very High Data Rate Digital Subscriber Line":
    A newer transmission technology based on QAM that operates in the asymmetrical variant with bit rates of  $25$  to  $50$  Mbit/s  downstream and  $5$ to  $10$  Mbit/s upstream.  The symmetrical variant has the same data transmission rates in upstream and downstream.
  • $\text{VDSL2}$  –  "Very High Data Rate Digital Subscriber Line 2":
    Transmission technology with the currently (2009) highest total data rate of up to  $200$  Mbit/s.  The process is based on DMT  $($"Discrete Multitone Transmission"$)$.
  • $\text{UDSL}$   or   $\text{UADSL}$    –  "Universal (Asymmetric) Digital Subscriber Line".


Not part of the xDSL standard:

  1. There are also many products circulating under  "DSL"  that are not part of the xDSL standard.
  2. They are often only intended to make it clear that fast data access is involved. 


These include:

  • $\text{cableDSL}$:   Brand name of the German company TELES AG, which offers high-speed Internet access via cable. The name was chosen for marketing reasons only.
  • $\text{skyDSL}$:  Brand name for Internet access available throughout Europe via satellite with up to  $24$  Mbit/s downstream.
    The upstream here is via POTS  $($"Plain old telephone service"$)$  or  ISDN   $($"Integrated Services Digital Network"$)$.
  • $\text{T-DSL via satellite}$:   Brand name for a downstream Internet access of Telekom via satellite;  uses a conventional modem or an ISDN connection for transmission.
  • $\text{WDSL}$  –  "Wireless Digital Subscriber Line":  Brand name of a German company that uses wireless technology to enable data rates of up to  $108$  Mbit/s in DSL-free areas.
  • $\text{mvoxSatellit}$:   Brand name of an Internet access with  "WiMAX-like radio technology",  which like WDSL and PortableDSL is only an auxiliary construct for DSL-free areas.


Historical development of xDSL standardizations


The need for digital subscriber lines to improve line utilization and increase customer convenience was recognized as early as the 1970s.  After the ISDN specification in the early 1980s,  the actual development of DSL began.

  • This development was influenced by the findings of many groups located around the world.  Accordingly,  the standardization proceeded in an unstructured manner.
  • From the list on the right,  it is clear that different committees around the world were in charge of the various standards.
  • In the industry,  the technical realizations of the individual xDSL standards often deviated noticeably from the specification. 
  • Some standards were started as projects even before the specification,  since the industry parties were also represented in the standardization committees.


The graph illustrates the relationships between milestones in the theoretical and practical design of transmission systems.


Milestones of the industrial xDSL development

$\text{Milestones of DSL development in short form:}$

1986   A first concept for  $\rm HDSL$  $($"High-bit-rate Digital Subscriber Line"$)$  is defined by AT&T,  Bell Laboratories and Bellcore.

1989   First HDSL prototypes appear;     ⇒     Bellcore meanwhile works on the conceptual definition of  $\rm ADSL$   $($"Asymmetric Digital Subscriber Line"$)$.

1992   First publication of the  $\text{ANSI Technical Report E1T1/92-002R1}$:
"High-bit-rate Digital Subscriber Line";    ⇒     The first ADSL prototypes appear.

1994   The  $\rm VDSL$  concept  $($"Very-high-speed Digital Subscriber Line"$)$  is discussed for the first time.

1995   Publication of the  $\text{ETSI Technical Report ETR 152:}$  "High-bit-rate Digital Subscriber Line"  and  "Transmission Systems on Metallic Local Lines";
⇒     Publication of  $\text{ADSL Standard ANSI T1.413}$:  $($"Asymmetric Digital Subscriber Line Metallic Interface"$)$;     ⇒     First field trials with ADSL in the USA .

1996   First publication of the  $\text{ETSI Technical Report ETR 328}$:  "Asymmetric Digital Subscriber Line"  and  "Transmission and Multiplexing".

04/1998 First publication of  $\text{ETSI Technical Specification TS 101 270}$:  "Very-high-speed Digital Subscriber Line";     ⇒     Almost simultaneously, first publication of  $\text{ANSI Draft Technical Document T1E1.4/98-043R1}$:  "Very-high-speed Digital Subscriber Lines".

10/1998 First publication of  $\text{ITU Recommendation G.991.1}$:  "High-bit-rate Digital Subscriber Line Transceivers";     ⇒     Almost simultaneously publication of  $\text{ETSI Technical Specification TS 101 135}$:  "High-bit-rate Digital Subscriber Line – Transmission Systems on Metallic Local Lines".

11/1998 Publication of  $\text{ETSI Technical Specification TS 101 388 V1.1.1}$:  "Asymmetric Digital Subscriber Line – European Specific Requirements".

1999   In June,  publication of  $\text{ITU Recommendations G.992.1}$:  "Asymmetric Digital Subscriber Line – Transceivers"  and  $\text{G.992.2}$:  "Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line – Transceivers";     ⇒     On July 22, Deutsche Telekom AG offers ADSL in Germany for the first time  $\text{(T-DSL 768)}$.

2001   In February,  publication of  $\text{ITU Recommendation G.991.2}$:  "Single-pair High-speed Digital Subscriber Line Transceivers";     ⇒     In November,  publication of  $\text{ITU Recommendation G.993.1}$:  "Very-high-speed Digital Subscriber Line transceivers".

2002   First publications of  $\text{ITU Recommendations G.992.3}$:  "Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2"  $\rm (ADSL2)$  and  $\text{G.992.4}$:  "Splitterless ADSL2".

2003   First publication of  $\text{ITU Recommendation G.992.5}$:  "Asymmetric Digital Subscriber Line"  $\rm (ADSL)$  Transceivers"  and   "Extended-bandwidth ADSL2"  $\rm (ADSL2+)$.

02/2006   Publication of  $\text{ITU Recommendation G.993.2}$: "Very-high-speed Digital Subscriber Line Transceivers 2"  $\rm (VDSL2)$.

10/2006  Deutsche Telekom AG offers VDSL2 to end customers in selected cities for the first time.


Development of ADSL and VDSL in Europe


From the above compilation it can be seen that the  »ADSL standardization«  was predominantly driven by  $\rm ANSI$  $($"American National Standards Institute"$)$  and that  $\rm ETSI$  $($"European Telecommunications Standards Institute"$)$  followed shortly thereafter in each case:

  1. The first ADSL standard   "$\text{ANSI T1.413}$"   from 1995 was predominantly optimized for video-on-demand services,  which is also made clear by the ratio of the downstream and upstream data rates defined herein:  $1.5$  Mbit/s and  $16$  kbit/s,  $3$  Mbit/s and  $16$  kbit/s, and finally  $6$  Mbit/s and  $64$ kbit/s.
  2. The frequency range was originally defined in such a way that ADSL could only be used to operate an analog telephone on the access line.  ETSI published a technical report   "$\text{ETR 328}$"   in 1996 with only a few detailed changes and the possibility to transmit  $2048$  kbit/s.
  3. Since the second version of the ANSI standard also allowed only one additional analog telephone,  ETSI then defined an ADSL system that differed both in bit rates and in the possibility of using an ISDN basic access on the same twisted pair.
  4. The ANSI and ETSI standardization efforts of the previous years resulted in the  "ITU" recommendation  "$\text{G.992.1}$"   in 1999,  which includes both standards and thus allows many options for the implementation.


However,  the many options led to major conceptual differences at the end of the 1990s  –  worldwide,  within Europe and also nationally  –  depending on the semiconductor manufacturer,  among other things.  Only a few systems,  modems,  and measuring devices interoperated with other manufacturers.

To counteract this proliferation,  The  "Deutsche Telekom AG"  passed the technical guideline  "$\text{1TR112}$"   at the end of 2001,  defining all the necessary interface parameters to ensure the interoperability of different manufacturer modems on the provider and customer side. 

  • Due to Telekom's market power,  this became the quasi-standard for Germany.
  • Furthermore,  only those ADSL variants were used in Germany that allowed simultaneous operation of ISDN at any time.  Thus,  when switching from POTS to ISDN,  it was not necessary to change the ADSL version as well.


The  »VDSL standardization«  relevant for Europe was decisively shaped by ETSI and often happened in parallel to the American activities.  Overall,  VDSL standardization proceeded in a more orderly fashion than ADSL.  The 3-step plan adopted by ETSI provided for:

  • Stage 1:  Functional and electrical requirements for VDSL systems,
  • Stage 2:  Transmission coding and access method requirements,
  • Stage 3:  Interoperability requirements.


These efforts culminated in April 1998 in the publication of the ETSI Technical Specification  "$\text{TS 101 270-1}$",  which defines as modulation methods both  $\rm DMT$  $($"Discrete Multitone Transmission"$)$  and  $\rm QAM$  $($"Quadrature Amplitude Modulation"$)$.  The semiconductor manufacturers could not agree on a worldwide line code standard for a long time and there was even talk of the  "VDSL Line Code War".

In 2003,  at the so-called  "VDSL Olympics",  the decision was made in favor of DMT and against QAM or the slightly modified variant  $\rm CAP$  $($"Carrierless Amplitude Phase Modulation"$)$,  namely

  • because of the robustness of DMT against narrowband interference sources,
  • although QAM/ CAP would allow a faster call setup.



Exercises for the chapter


Exercise 2.1: General Description of xDSL