技術講座

[技術分野■ＡＤＳＬ ■無線 ■光ファイバー ■衛星通信 ■ＣＡＴＶ ■伝送技術 ■交換技術 ■データ通信 ■ネットワーク技術 ■ルーティング技術]

■ 技術講座の開設について
　　頁「実現に向けて」のⅡ.１.(４)節「通信・情報処理技術の知識レベル向上」でうたわれている「技術講座」を、ここに開設することにしました。皆様の原稿をお待ちしていますので、ふるって投稿していただきますよう、よろしくお願い申しあげます。

【技術講座（ADSL-1）】　　　　　　　　　　　　　（2001/04/04作成）

---ｘＤＳＬ技術---
　各サイト、新聞、書籍などで解説され日常用語になった今日では、ｘＤＳＬは今更の感がなきにしもあらずですが、ブロードバンドの一翼を担う技術として省く訳にはいきませんので、おさらいの意味で整理しておくことにしました。

１．ｘＤＳＬとは

　ＤＳＬはDigital Subscriber Line（ディジタル加入者線）の略で、銅線（電話線）を使ってディジタル通信を行う技術の総称です。ＤＳＬとしては次のものがあります。

　　・ＡＤＳＬ（Asymmetric DSL）：非対称ディジタル加入者線
　　・ＳＤＳＬ（Symmetric DSL）：対称型ディジタル加入者線
　　・ＨＤＳＬ（High bit rate DSL）：高速ディジタル加入者線
　　・ＶＤＳＬ（Very high bit rate DSL）：超高速ディジタル加入者線

　ｘＤＳＬのｘは上記のＡ，Ｓ，Ｈ，Ｖを代表して表したものです。ユーザー側から見て上り（送信）と下り（受信）の速度が異なる（下りが速い）ものを非対称、同じものを対称型と呼びます。この分類によればＨＤＳＬは対称型、ＶＤＳＬは非対称となります。
　ｘＤＳＬは１９９０年代初頭のＶＯＤ（Video On Demand）を目的とするＡＤＳＬに端を発し、技術レベル不足で一旦ダウンした後、１９９０年代後半のコンピュータやＤＳＰ（Digital Signal Processor）の高性能化とインターネットの普及によって、再び注目されるようになったと言われています。ＡＤＳＬの特色としては次のものが挙げられます。

　　・既存の電話線を利用するので、インフラ整備への投資規模が小さい。
　　・音声信号とは異なる帯域を使用するので、電話とデータ通信の同時使用が可能
　　・通信速度１～８Mbps（下り）の高速通信であるため、映像、音声、文字が一体となったマルチメディア情報の伝送が可能
　　・データ通信は電話交換機を経由しないので、定額で２４時間の常時接続が可能　ＳＤＳＬは上りと下りの通信速度が２～３Mbpsで等しく、情報発信が必要な企業やＳＯＨＯユーザー向きの通信技術です。電話とデータ通信の共用はできず、データ通信には電話用とは別の回線が必要になります。

　ＨＤＳＬは１９９０年頃に、通信幹線用として制約が多いＴ１回線の改良を目的として開発が進められ、ＴＩ回線の代替として通信幹線に利用されています。伝送速度は双方向同じの１．５～２Mbpsで、"High bit rate"の名称とは対応していません。

　ＶＤＳＬはフルレートのＡＤＳＬをさらに高速化して、数十Mbpsの伝送速度を実現するものです。ＡＤＳＬの４倍以上の高周波を使うため伝送距離は大幅に制限され、ＦＴＴＣ（Fiber To The Corner）との組み合わせで利用されます。伝送速度は距離との相関で、３００mでは下り５２Mbps、上り６Mbps、９００mでは２６Mbps、１３５０mでは１．３Mbps程度となります。最近ではマンションやホテルなどの集合住宅、構内ＬＡＮなどで一部利用されています。

　ｘＤＳＬの中で最も技術進歩が大きく、一般ユーザー向きの通信システムはＡＤＳＬなので、以降の説明はＡＤＳＬを主体に行うことにします。

２．ＡＤＳＬの伝送方式

一般に、信号伝送において元信号の形態のままでは伝送媒体に整合せず、伝送品質の劣化や伝送効率の低下を引き起こします。そこで通常、信号変換装置で元信号を伝送媒体に適した形態に変換します。これを変調と言い、再び元の信号に戻すことを復調と言います。

２.１　変調方式
　ＡＤＳＬの変調方式としてはＱＡＭ、ＣＡＰ、ＤＭＴがあります。矩形波の振幅変調方式の２Ｂ１Ｑ（２ binary 1 quaternary）は、近端漏話の影響を受けやすいといわれており、最近ではあまり使われていません。

（１）ＱＡＭ、ＣＡＰ

ＱＡＭ（Quadrature amplitude modulation）は、位相が直交する２つの搬送波（キャリア）を振幅変調してデータを伝送します。ＣＡＰ（Carrierless Amplitude Phase）は、ＱＡＭを改良した変調方式で、搬送波の振幅と位相を変えてデータを伝送します。また、送信と受信に異なる帯域の周波数を使うＦＤＭ（Frequency Division Multiplex）を利用します。図１にＣＡＰの周波数スペクトラムを示します。

（２）ＤＭＴ

　ＤＭＴ（Discrete Multi Tone）は、使用帯域を細分割し、各周波数チャネル（bin）をＱＡＭで変調する方式です。フルレートＤＭＴでは４kHz幅のビンを約２５０個用い、１つのビンに最大１５ビットを割り当てます。また、Ｓ／Ｎ比に応じて各ビンに割り当てるビット数を変えられるので、雑音に強いと言われています。近端漏話対策としてはＦＤＭまたはＴCＭ（Time Compression Multiplex：時分割方向制御伝送）を使用します。図２にＤＭＴの周波数スペクトラムを示します。ＴＣＭは送受信信号の伝送速度を２倍以上として、ケーブルの使用時間を交互に割り当てて半二重伝送を実現する方式で、ピンポン伝送方式と通称されています。

　ＤＭＴはＡＤＳＬの技術標準に採用されており、１９９８年に国連の下部組織で通信分野の国際標準を司るITU-T（Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union ）のG.992.1-G.DMT（フルレート）、G992.2-G.Ｌite（簡易型）として規格化されました。また、G.992.1.G.DMTには欧州地域向けの仕様としてAnnex B、日本向け独自仕様としてAnnex Cが規定されています。
　Annex Bは同一ケーブルペア上でＩＳＤＮ（エコーキャンセラ方式）とＡＤＳＬを両方サポートする方式です。ＩＳＤＮの使用周波数約８０kHzの帯域をスプリッターで分け、それ以上の帯域をＡＤＳＬで使用するものです。日本のＩＳＤＮは使用周波数が３２０kHzでＡＤＳＬと周波数帯域が重複すること、ＴＣＭによる周期的バースト伝送のためＡＤＳＬへの近端漏話の影響が大きいことから、日本ではＡＤＳＬと共存できません。
　Annex Cは日本独自方式のＴＣＭ－ＩＳＤＮと同一のケーブルに近く収容される場合に、ＩＳＤＮから受ける近端漏話の影響を最小限にするための方式です。ＩＳＤＮの２．５ms周期の送受信に合わせて、近端漏話が大きい時点ではＡＤＳＬのデータ量を少なく、遠端漏話が大きい時点でデータ量を多くするように、各ビンごとにビット配列を切り替えます。これをＤＢＭ（Dual Bit Map）方式と呼びます。

　伝送方式についてはここでひとまず置いて、次回はＡＤＳＬのシステム構成及び伝送媒体である電話線（メタリックケーブル）について纏めます。

[出典]
１．梅山、半坂：入門ｘＤＳＬ,技術評論社（１９９９－１１）
２．筒井：ＡＤＳＬ,光芒社（１９９８－１０）

【技術講座（ADSL-2）】　　　　　　　　　　　　　　　　（2001/04/29作成）

　前回の１．ｘＤＳＬ概要及び２．ＡＤＳＬの伝送方式に引き続き、ＡＤＳＬのシステム構成及び伝送媒体（電話線）についてまとめました。

３．ＡＤＳＬのシステム構成

　　図３にＡＤＳＬのシステム構成を示します。ネットワークシステムは加入者宅、電話　局、及びＮＯＣ（Network Operation 　　Center）から構成されます。

　加入者宅では、周波数４kHz以下の電話音声信号と、３５kHz以上のデータ信号をスプリッターによって分離します。これによって電話とデーター通信の同時使用が可能になります。電話局ではスプリッターによる信号分離と、ＡＤＳＬ局側装置のＤSＬＡＭ（Digital Subscriber Line Access Multiplexer）によるデータ信号の多重化が行われます。これによって、多数の加入者からのデータ信号を集めてＮＯＣへ伝送する回線の使用効率を高めます。また、データ信号は電話交換機を通らないので、電話使用料としての課金はありません。ＮＯＣではＡＴＭ（Asynchronous Transfer Mode）スイッチ（ＳＷ）、ＡＤＳＬアクセスサーバー、ＤＮＳ（Domain Name System）サーバーを介してインターネット（通常はＩＸ：Internet Exchange）に接続します。

　加入者宅と電話局の間の信号伝送には加入者線（電話線）、電話局とＮＯＣの間は専用線（通常は光ファイバー）が使用されます。信号伝送方式は加入者線ではＱＡＭ／ＣＡＰまたはＤＭＴ、専用線では通常ＡＴＭ（非同期転送モード）が用いられます。ＡＴＭは、回線交換とパケット交換の長所を組み合わせた技術で、データ４８＋ヘッダ５、計５３オクテットの固定長セルを単位として、転送処理をソフトウエアを介さずハードウエアで直接行うことにより、高速の情報通信を可能とするものです。（注：最近は高価なＡＴＭ伝送方式を使わず、安価なイーサネットＬＡＮで代用する方法が採用されてきました。）

　ＤＭＴのＡＤＳＬモデムは、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform：フーリエ逆変換。これによりディジタル信号はトーン信号に変調されます）でデータを２５６個の周波数のサブキャリア（位相が９０度ずれた２つの信号）に分解し、Ｄ／Ａコンバータでアナログ信号に変換して伝送します。受信端ではＡ／Ｄコンバータを経由した信号を、コンステレーション（Constellation：二次元に展開したディジタルコードのポイント数。DMTでは各ビンで4000シンボル／secのＱＡＭコンステレーション）とＦＦＴ（Fast Fourier Transform：フーリエ変換）で分解して、元のデータに復元します。この機能は、加入者宅のＡＤＳＬモデム（単一型）及びＡＤＳＬ局側装置（集合型）のいずれにも適合します。

４．ＡＤＳＬの伝送媒体

４.１電話回線の構造
　ＡＤＳＬの伝送媒体は、加入者宅と電話局をつなぐ電話回線（メタリックケーブル）です。図４に日本の電話回線の構造を示します。

　１加入者宅当たりの回線は径０．４～０．６５mmの２本の心線（より対線：Twisted Pair）からなりますが、国内ではケーブル内の心線収容本数の増加、及びより対線の見かけ容積低減のため、４本の心線をまとめて撚り合わせ、対向心線を１組みとして使用するスターカッド方式を採用しています。スターカッド５個を５角形にまとめたものを１０対ユニットと呼び、ユニットを層状に互いに逆螺旋で集合させてケーブルを形成しています。市内電話網で最も多用されている市内ＣＣＰ（Color-Coded Polyethylene）ケーブルには、５、１０、２０、３０、４０、５０、１００、２００、４００対のものがあります。

　市内ＣＣＰケーブルは心線に軟銅線、絶縁に着色ポリエチレンを用い、ユニットは着色プラスティックテープでまとめられています。ＣＣＰケーブルの被覆方式は２種類あります。ＣＣＰ－Ｐケーブルでは黒色ポリエチレン、ＣＣＰ－ＡＰではアルミプラスティックラミネートテープを縦添えした後黒色ポリエチレン被覆し、ラミネートシースとしています。ＣＣＰケーブルの外被絶縁抵抗は５０００MΩ/kmです。このほか絶縁にポリエチレンを使用し、黒色ＰＶＣで被覆した市内対ポリエチレンＰＶＣシースケーブルも使用されています。
　ケーブルは層間で巻き方向が逆転するため、すべてのより線対は隣接層カッドと漏話関係を生じます。これはメタリックケーブルにＡＤＳＬ回線を大規模収容する際の問題点となります。また、同一カッド内にあると隣接カッドに比べて、近端漏話が５～１０dB悪化する問題があります。

　ケーブルは電話局の交換機からＭＤＦ（Main Distribution Frame：中央集配線盤）、地下管路を通って岐線点で地上に出ます。岐線点から通常は架空ケーブルとなって切換え接続盤、接続端子函、保安器、コネクタを経由して加入者宅に入ります。架空ケーブルは電柱に設置された接続端子函で、ケーブル条長ごとにカラーワイヤを対応させて、より線接続または圧着により継ぎ足され、延長されます。ケーブル条長は１００対までは５００m、１００～２００対では２５０mになります。

　メタリックケーブルの配線は、線番表によって管理されています。電柱の線番表とＭＤＦ端子板の線番表に基づき、ドロップケーブル（加入者宅への引込み線）に接続しているカラーケーブルの線番と電話番号を対応づけて管理します。線番表の縦軸にはケーブルの線番、ユニットごとのプラスチックテープの色、カラーケーブルの色、及び電話番号が記載されています。線番表の横軸には線路名と電柱の柱番号が記載されています。縦軸と横軸の交点が、部分的に切断されてドロップケーブルと接続しているメタリックケーブルを示しています。

４.２電話回線の減衰特性
　ケーブルの挿入損失（減衰量）Ｌ(dB)は、伝送距離d（ケーブル長）と周波数fの関数となり、次の式で表されます。

　　　　Ｌ(dB)= (20d/ln10)( k1√f + k2f )

　ここでk1 ,k2 は伝送路パラメータです。

　従って挿入損失は伝送距離に比例します。また挿入損失の周波数特性は、周波数に比例する項と周波数の平方根に比例する項の重ね合わせになります。図５に挿入損失の測定例を示します。これは、伊那市有線放送電話の電話回線で、心線径０．５mm、距離３kmのケーブルで測定されたものです。

５．伝送性能に関する実験

　ＡＤＳＬの伝送距離と伝送速度の関係について、国内では二つの実験結果が報告されています。それは長野県伊那市の有線放送電話網で行われた「ｘＤＳＬ利用実験」とＮＴＴが行った「ＮＴＴｘＤＳＬフィールド実験」です。詳細は各ホームページ及び発行書籍を参照していただくことにして、ここでは結果のみ示します。

５.１伊那市「ｘＤＳＬ利用実験」結果

　図６に伊那市のｘＤＳＬ利用実験結果を示します。伝送方式はＣＡＰとＤＭＴで、距離は線路図などから求めたケーブル長、速度はＡＤＳＬ内のリンク速度です。ケーブルは心線径０．５mmのＣＣＰケーブルで、ＡＤＳＬ装置は下り２Mbps以下のものと４Mbps以上のものがあります。

この実験結果のまとめは次のようになっています。
　・６Mbps以上の下り速度が得られるのは約２．５kmまで
　・２Mbps以上の下り速度が得られるのは約３．５kmまで
　・約５kmまでは１Mbpsの下り速度を実現できる
　・ＣＡＰ、ＤＭＴの差は不明
　・装置の機種ごとの性能差が大きい

５.２ＮＴＴ「ｘＤＳＬフィールド実験」結果

　　図７にＮＴＴのｘＤＳＬフィールド実験結果を示します。伝送方式はＧ.ＤＭＴ相当のＤＭＴで、ケーブルは各種心線径のＣＣＰケーブルです。ＡＤＳＬ装置はＤＭＴ方式の装置１機種です。Annex Cは使われていないので、ＩＳＤＮの影響を大きく受けていると思われます。

この実験結果の、まとめは次のようになっています。
・下り５００kbpsの速度が保証できるのは約２．５kmまで
・下り１．５Mbpsの速度が保証できるのは約１．５kmまで

　以上で、ＡＤＳＬの基本的事項については一段落しました。他にも記載すべき事項はありますがＡＤＳＬはここでひとまず置いて、次は無線について調査したいと思います。

[出典]
１．梅山、半坂：入門ｘＤＳＬ,技術評論社（１９９９－１１）
２．筒井：ＡＤＳＬ,光芒社（１９９８－１０）

[補遺](2001/06/23/)

　図８はATM(Asynchronous Transfer Mode)とSTM(Synchronous Transfer Mode)のオペレーションとデータパスの様々なモードを、実際のハードウェアにマッピングするＤＭＴの論理構造（局側装置の機能）を示しています。ATMデータは多重化と同期制御を行う前に、ATMコンバージェンス機能を通ります。一方、STMはこのステップをバイパスします。その後、ファストとインターリーブの二つのパスは分離され、どちらも巡回冗長検査（CRC:Cyclic Redundancy Check)を行いますが、ファストはインターリーバをバイパスします。その後、データはモデムの物理レイヤー依存サブレイヤーでトーンと座標符号化処理されます。ここで、２５５個のＤＭＴサブチャネルが生成されます。最後に、データはモデムのアナログコンポーネントでＡＤＳＬ回線上に伝送されます。

　図８　ＤＭＴ(ATU-C)の論理構造

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