各种宽带接入技术分析

只看该作者 · 2011-6-30 20:25

本文介绍了包括xDSL、Cable Modem、APON、宽带有源光网络和HFC等几种典型的有线宽带接入技术，分析了各宽带接入技术的特点及存在的问题，并针对目前正在推广发展的ADSL技术，分析了影响ADSL传输性能与速率的各种因素。
关键词：宽带接入；xDSL；APON；宽带有源光网络；HFC
**编号(Article ID)：1009-9336(2001)06-00360- 08
中图分类号(CLC number)：TN915.6
文献标识码(Document code)：A

　　1 引言

　　近年来，接入网的宽带化、数字化和业务综合化成为接入网发展的主要技术趋势。为了提高接入网的接入带宽和改善接入网的传输性能，世界上各电信设备制造厂商已经研究并开发了利用各种传输媒质和先进数字信号处理技术的多种高速接入技术。总地来看，这些宽带接入技术可以分为有线接入和无线接入。随着无线技术的发展，宽带无线接入技术已经成为一种新的不可忽视的宽带接入发展趋势。对有线接入技术而言，根据传输媒质的不同，宽带有线接入技术可以分为铜线接入技术和光纤接入技术两大类。

　　2 铜线接入技术

　　在传统的线路基础设施中，各地已经铺设了大量的铜线，并且引入到千家万户。为了继续发挥铜缆的作用，尽可能地向用户提供宽带和高速业务，已经出现了利用铜缆来提供高传输速率的新技术。目前，研究比较集中、竞争性较强的两个铜缆新技术是xDSL和电缆调制解调器（Cable Modem）。

　　2.1 xDSL技术

　　xDSL技术按上行和下行的速率是否相同可分为速率对称型和速率非对称型两种。速率对称型的xDSL有IDSL、HDSL、SDSL (Single line DSL)、HDSL2等多种形式，HDSL采用2对双绞铜线实现双向速率对称通信。SDSL的功能与HDSL相同，但仅用一对铜线即可提供速率对称型通信。IDSL（ISDN DSL）提供128 kbit/s双向速率对称型通信业务。非对称型的xDSL有ADSL（Asymmetric DSL）、G.lite ADSL。另外，VDSL（Very high bit rate DSL）技术能够同时提供对称型与非对称型业务，目前厂家宣布已经制造出在1km距离内能达到双向11Mbit/s速率的VDSL设备。

　　为推进宽带接入的发展，2001年北京电信已经推出ADSL业务。ADSL是一种新的在一对双绞线上同时传输电话业务与数据信号的技术，它属于速率非对称型铜线接入网技术，并且可以在一对用户线上进行上行640kbit/s、下行达1.5~8Mbit/s速率的传输。由于ADSL能够很好地适应Internet业务非对称性的特点，所以在众多的xDSL技术中是一种最有希望能够解决高速Internet接入的技术。另外，ADSL采用了先进的数字信号处理技术来减少线路损伤对传输性能的影响。

　　虽然ADSL采用先进的数字信号处理技术、编码调制技术和纠错技术，但是在推广ADSL业务时，用户线路的许多特性，包括线路上的背景噪声、脉冲噪声、线路的插入损耗、线路间的串扰、线径的变化、线路的桥接抽头、线路接头和线路绝缘等因素将影响高速率传输业务的性能。首先，铜线的插入损耗将随着线路距离的增加而成比例地增加，并且在同一距离下各子信道的插入损耗也发生变化，这个因素和线路固有的背景噪声、脉冲噪声、调制解调器的接收灵敏度一起将限制在单用户线上ADSL所能够传输的最大距离。其次，在同一条电缆中开多条ADSL业务，或者存在其他高速传输业务，例如HDSL、ISDN时，线路间的串扰将影响ADSL的业务性能和传输速率，其结果是ADSL传输速率下降或者其最大传输距离缩短，影响了ADSL的开通率。测试表明，在同一电缆中，以25对双绞线为一组的基本单位内的线路串扰最大，而一对双绞线对不同基本单位内的线路串扰较小，所以同一基本单位内线对之间的串扰是影响ADSL业务开通率的主要因素。第三，线对线径的改变、线路的纵向平衡性、线路的绝缘性能和线路接头的性能将影响线路的插入损耗、引入附加噪声，从而降低ADSL的传输速率，影响ADSL的传输性能。第四，线路的桥接抽头将显著地改变线路插入损耗的频响特性和相频特性，特别是接收端附近的桥接抽头将导致某些子信道无法使用，所以在使用ADSL时，一定要检测线路上的桥接抽头，并尽可能地去除桥接抽头。应特别注意的是，在接收端附近不能够有任何形式的桥接抽头。另外，电话的振铃，摘挂机等引起的脉冲干扰，周围环境温湿度的变化均将影响ADSL的传输性能。

　　ADSL是一种很有希望的宽带接入技术，但是在提供ADSL业务时，应注意包括用户引入线和局内线等在内的各种影响ADSL传输性能的因素。

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2.2 Cable Modem技术

　　Cable Modem是一种通过CATV网络实现高速数据接入的新技术设备，它可接收10~30Mbit/s的下行数据。在国际上是从1995年开始研制试验Cable Modem，到目前已形成成熟的产品和技术。由于其具有很高的传输速率，不占用电话线路；并且它所需要的CATV网的覆盖面积广、费用低廉，因此已成为一种极具竞争力的宽带接入技术。

　　Cable Modem的下行信道采用了QAM调制方式，而在上行信道上，为了更好地抑制噪声干扰，通常采用抗干扰性能较好的QPSK或者S-CDMA调制技术。另外，为了更进一步改善传输性能，Cable Modem还采用了交织技术和前向纠错技术。

　　虽然Cable Modem与HFC配合，是将CATV网改造成为视频、数据混合通信网的一种可能选择，但HFC采用副载波频分复用方式，必须进行数模转换才能传输，所以传输质量将受到影响。第二，因为传统的同轴电缆网是单向分配式网络，为了能够进行双向数据传输，必须对这个网络进行双向改造。第三，Cable Modem容易受到噪声干扰，特别是上行信道易受噪声"漏斗"效应的影响以及由于频带窄而引起信号间的串扰。在HFC网络中，上行信道采用5~42MHz的频带，虽然这一频带具有良好的衰减特性，但是因为其他服务也采用这一频带，所以引入噪声成了一个严重的问题，并且这个噪声将逐步积累，严重地影响Cable Modem的传输性能。Cable Modem的另一个问题是，其总的带宽由所有用户共享，当同时使用的用户的数目增加时，则每一个用户所能够获得的带宽就减小。

　　3 光纤接入技术

　　利用光纤作为传输媒质的宽带接入网一般可以分为宽带有源光网络、宽带无源光网络（APON）和光纤/同轴电缆混合网络（HFC）。

　　3.1 宽带无源光网络（APON）

　　APON是在无源光网络中采用ATM传送技术，利用SDH帧结构传送各种宽带和窄带业务的信元，业务节点接口采用STM-N接口。

　　由于ATM具有统计复用功能，故可以在APON中对宽带业务进行集中传输。这种系统所要求的总比特率取决于网络中业务传递的统计分布，比特率的利用率较高。

　　在无源光网络中，OLT到ONU的下行信号的传输过程较为简单，一般在OLT将需要发送到各ONU的信息采用时分复用的方式组成复帧送到馈线光纤，通过无源光分路器以广播的方式发送到每一个ONU，ONU收到下行复帧信号后分别取出属于自己的那一部分信息。目前APON系统在上行信道中采用时分多址的接入方式，它对光性能方面的要求不高，但它要求更复杂的电子设备，如要求复杂的同步定时、测距和延时控制技术，以避免上行信息分组产生碰撞。

　　首先，APON要解决的问题是测距问题。由于APON中各ONU与OLT之间的物理距离各不相同，并且其传输距离也会由于环境温度的变化和光电器件的老化等因素而发生动态的改变，引起上行传输时延差异造成各ONU的上行时隙重叠，从而导致不同的ATM信元流发生碰撞。因此引入测距技术对时延差异进行补偿，以确保不同OUN所发出的信号能够在OLT处准确地复用到一起。测距包括静态测距和动态测距，在ONU安装调测阶段进行静态粗测，确定对物理距离差异的固定时延补偿；ONU在正常运行过程中一直进行实时的动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的动态时延漂移。

　　APON需要解决上行信道中突发信元快速同步的问题。虽然采用了测距技术，但是各ONU到达OLT处的比特流仍存在一定的相位漂移，所以必须采取快速同步的技术，将OLT的接收时钟同步到当前所接收的、来自某一ONU的比特流。在上行帧的每个时隙里有字节开销，其防卫时间用于防止微小的相位漂移损害信号，前置比特图案则用于同步获取。OLT在接收上行帧时，搜索同步图案，并以此快速获取比特流的相位信息，达到比特同步；然后根据定界图案确定ATM信元的边界，完成字节同步。OLT必须在收到ONU上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能恢复ONU的信号。同步获取可以通过将收到的比特流与特定的比特图案进行相关运算来实现。为了提高快速同步的速度，可以利用多相位的时钟，采用并行的滑动相关搜索方法，来选择最佳时钟源。
另外，APON还需要解决突发发送和接收的技术关键问题。每个ONU到OLT接收机的传输损耗不同，因此所接收到的上行光功率将存在较大的动态范围。一方面，接收机必须具有自适应功能，能以最快的速度动态调定"0"、"1"比特电平判决门限；另一方面，ONU的发射机应该采取-定的措施减小和补偿突发时延，其光突发发送电路要求能够非常快速地开启和关断激光器，迅速发送信号，所以，它需要使用响应速度很快的激光器。

　　3.2 宽带有源光网络

　　宽带有源光网络采用ATM传送技术，利用SDH帧结构在光纤传输环上传送各种宽带和窄带业务的信元，业务节点接口采用STM-N接口。

　　虽然SDH传输技术正在广泛地应用于核心级网络中，但是因为它采用时分复用的机制，具有带宽的颗粒度太大，带宽分配不灵活，不适合于接入网中用户数量多、带宽需求不确定等特点，所以SDH技术在接入网中的应用受到一定的限制。利用ATM技术来传送这些业务时，就能够根据所需要的服务质量（QoS）级别和需要传输的实际业务量来按需分配带宽。

　　宽带有源光网络是在SDH环形网络结构上传输ATM信元，因而具有环形网络结构的自愈功能。同时在传输环上还可以对不同用户的业务进行合并，再连接到ATM交换机上，所以可以占用很少的ATM交换机端口，从而能够以较小的交换机端口数目支持大量的用户。

　　另外，ATM信元在SDH环网中传输，其带宽由环网上的所有节点单元所共享。其部分信元可以被预留给某些对实时性要求高的业务，其他信元可以根据环网上各节点业务量的动态变化和根据各用户的业务类别，被动态地分配到各节点和各用户，所以它既能够很好地适应QoS要求高的业务，也能够很好地适应突发业务的传输。

　　3.3 混合光纤同轴网（HFC）

　　混合光纤同轴网的概念最初是由Bellcore提出的。它的基本特征是在目前有线电视网的基础上，以模拟传输方式综合接入多种业务信息，可用于解决CATV、电话、数据等业务的综合接入问题。HFC主干系统使用光纤，采取频分复用方式传输多种信息；配线部分使用树状拓扑结构的同轴电缆系统，传输和分配用户信息。
HFC采用副载波频分复用方式，各种图像、数据和语音信号通过调制解调器同时在同轴电缆上传输。典型地，低频端的5~42MHz频带安排为上行通道，即所谓的回传通道。50~1000MHz均用于下行信道。其中50~550MHz频段用来传输现有的模拟CATV信号，每一通路的带宽为6~8MHz，因而总共可传输各种不同制式的电视信号60~80路。550~750MHz频段允许用来传输附加的模拟CATV信号或数字CATV信号，或者数据信号。

　　从长远看，HFC网计划提供的是所谓全业务网，即以单个网络提供各种类型的模拟和数字业务。用户数可以从500户降到25户，实现光纤到路边。最终用户数可望降到1户，实现光纤到家，提供了一条通向宽带通信的新途径。

　　HFC适用于广播业务，但对于开发双向的、交互式业务存在着严重的缺陷：(1)树支形结构的系统可靠性较差，干线上每一点或每个放大器的故障对于其后的所有用户都将产生影响，系统难以达到像公用电话网那样的高可靠性。(2)限制了对上行信道的利用。原因很简单，成千上万个用户必须分享同一干线上的有限带宽，同时在干线上还将产生严重的噪声积累；严重情况下，甚至连模拟电话业务也难以提供。(3)HFC属于模拟传输技术，与整个电信网络的数字化、光纤化的发展趋势不相吻合。(4)HFC的带宽由用户所共享，存在带宽竞争的问题，所以当HFC所服务的用户数目增加时，每一个用户所能够获得的HFC带宽就迅速下降。

　　4 接入网发展趋势

　　从技术发展的角度看，虽然光纤接入是宽带接入网最终的发展方向，但在目前已经铺设了大量铜缆的情形下，仍然需要充分利用现有的铜缆资源，改造现有的铜缆接入网。以ADSL为代表的xDSL数字用户线接入技术是一种重要的改造手段；HFC系统和非对称Cable Modem则是改造现有CATV网的技术方案。在发展光纤接入的条件还不成熟的地区和城市，可以选择xDSL、以太网技术或者Cable Modem等接入技术来开展宽带化的、综合化的、数字化的业务，并逐步过渡到光纤接入，过渡到以宽带光纤接入为主、无线接入为辅的宽带接入网。