（通信与信息系统专业论文）基于moca标准的同轴接入网络研究.pdf

华东师范大学硕上学位论文 摘要 随着网络技术的发展，光纤在主干网的大量使用，网络速率正在飞速提高， 但由于接入网络的瓶颈影响，使用户不能享受到因技术革新带来的高带宽的网络 服务。 接入网与主干网如同一般公路与高速公路之间的关系，虽然汽车在高速公路 上花费时间很短，但后端的速率却无法提高，导致从源地址到目的地址的时间并 没有因高速公路的存在而减少太多。接入网因其所处的环境差异，要实现的功能 不同，不同用户群体的消费能力，以及某些政策原因，导致它不能像主干网那样 完全采用光纤传输，或者采用某种特定的介质或技术，这也使接入网种类繁多， 标准复杂，而任一种类或标准适用环境又有限。虽然光纤接入是接入网发展的趋 势，但目前仍是各种接入方式并存，并在一定时间段内发挥作用。 本文重点讨论的m o c a 标准的同轴接入技术是近年来出现的一种接入技术， 它使用同轴线作为传输介质。目前同轴线主要用作有线电视信号的传输，使用 8 0 0 m t t z 以下的频段，m o c a 标准使用8 0 0 - i z - 1 5 0 0 m h z 的频段，带宽足够宽，且与 原有的有线电视信号并无冲突，意味着m o c a 网络在使用时不用重新组网，直接 利用原有的有线电视网络。同时m o c a 网络与p o n 技术配合使用，即在从主干网 到m o c a 网络之间使用光纤接入，从而大大提高了接入网络的传输速率。理论上， m o c a 网络的传输速率可达2 7 0 m b p s 。本文在介绍了m o c a 网络的优势之后，对其 速率及其他性能作了测试，得出了近似理论值。测试在实验室环境下完成，并尽 量模拟m o c a 网络实际工作环境，为m o c a 网络进入实际应用阶段作了准备。 关键词：接入网络、t c p i p 协议、m o c a 、o f d m 、性能测试。 v 华东师范人学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n i q u e ，f i b e r u s e do n b a c k b o n en e t w o r k ，t h en e t w o r kr a t eh a si m p r o v e dg r a t e l y a st h es l o w r a t eo fa c c e s sn e t w o r k ，u s e rc a n ts h a r et h eb r o a db a n ds e r v i c e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea c c e s sn e t w o r ka n db a c k b o n e n e t w o r ki sl i k et h ec o m m o nr o a da n dt h ef r e e w a y t h o u g ht h et i m e e x p e n do nt h ef r e e w a yi ss h o r t ，a l lt i m et h a te x p e n df r o mt h es o u r c e a d d r e s st ot h ed e s t i n a t i o na d d r e s si sl o n ga st h ee x i to fc o m m o nr o a d i ti s d i f f i c u l t yt o c o n s t i t u t ea c c e s sn e t w o r kb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s ，d i f f e r e n tf u n c t i o n sa n dd i f f e r e n tu s e r ，a tt h es a m et i m e ， t h e s ed i f f i c u l t yr e s u l ti nt h ep h e n o m e n o nt h a tm a n yk i n d so fa c c e s s n e t w o r kc o e x i t n o w ，as o r to fa c c e s sn e t w o r kt h a tu s ef i b e rt ot r a n s m i t d a t as h o wt h es h i n n i n gf u t u r e ，b u ta tm a n ys e n s e ，i tc a n tr e p l a c eo t h e r s t h ep a p e rf o c u so nt h ea c c e s sn e t w o r kb a s eo nm o c a m o c ai s t h ea b b r e v i a t i o no fm u l t i m e d i ao v e rc o a xa l l i a n c e a sak i n do fn e w t e c h n o l o g y , i tu s et h ec o a xa st h em e d i a ，a n dt h ew o r kf f e q u e n c er a n g e f r o m8 0 0 m h zt o15 0 0 m h z t h ec a t vu s et h ef r e q u e n c eb e l o wt h e 8 0 0 m h z ，s ot h es i g n a li nm o c aa c c e s sn e t w o r kw i l ln o ti n t e r f e r et h e c a t vs i g n a l ，i tm e a n st h em o c aa c c e s sn e t w o r kn e e dn o tr e c o n s t i t u t e a n dt h ec o s ti sl o w i nt h e o r y , t h er a t eo fm o c aa c c e s sn e t w o r kc a nr e a c h 2 7 0 m b p s w ec o m p a r et h ed i f f e r e n ta c c e s sn e t w o r k s h o wt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n dd e t a i lt h em o c as p e c i f i c a t i o n a tl a s t ， w et e s tt h ep e r f o r m a n c eo fm o c ai nl a b o r a t o r y g e tt h er e l a t e dd a t aa b o u t t h ea c c e s sn e t w o r k ，a n ds u m m a r i z et h ep r o b l e mo fm o c a k e y w o r d s ：a c c e s s n e t w o r k ，t c p i pp r o t o c o l ，m o c a ，o f d m ， p e r f o r m a n c e t e s t v i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复削并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：至催已 日期：) 孔主、；j o 导师签名：亨嗣 日期：鱼塑望：垒：! 至 华东师范大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 m o c a 同轴接入网络的研究与应用背景 m o c a 是m u l t i m e d i ao v e rc o a xa 1 1 i a n c e - 同轴电缆多媒体联盟的缩写，该 联盟致力于同轴接入网的高速数据传输。 随着网络技术的发展，光纤在主干网的大量使用，网络数据的传输速率正在 飞速提高，目前i n t e r n e t 主干网几乎全部采用光纤作为传输介质，其传输速率 理论值可达l o o g b p s 1 0 ，为网络宽带接入提供了速率保障。在这种背景下，接 入网的低速率成为网络发展的瓶颈，如何提高接入网的数据传输速率成为网络研 究的热点。接入网( a n ) 泛指用户网络接口( u n i ) 与业务节点( s n i ) 之间实现 传输承载功能的实体网络，一般包括用户线传输设备、复用系统、数字交叉连接 设备 1 1 。作为网络的最后一公里，主要完成交叉连接、复用和数据传输功能。 影响接入网发展的因素主要有如下三个：( 1 ) 经济因素，传输速率越高的介质其 价格也越高，例如光纤，对普通用户来说如果直接用光纤接入到户的话价格难以 承受。( 2 ) 技术因素，包括网络布线以及涉及接入网部分的低层协议的实现，以 及在此基础上的增值服务，目前存在许多技术问题。( 3 ) 政策因素，接入系统可 能会利用原有的电信系统的设备如电话或有线电视的通信线路，此时首先要得到 电信部门的允许 1 。 由于以上种种问题，目前的接入网传输速率远远低于主干网速率，目前常用 的a d s l 接入方式也只有大约下行l 一8 m b p s 的速率，对于许多网络业务的实现都 有困难。 m o c a 同轴接入网络利用同轴线的高带宽，向同一网络的用户提供理论值 2 7 0 m b p s 的传输速率，由于其组网方式以及网络协调方式与传统以太网及其他点 对点网络有所不同，每个用户可以享受6 5 m b p s 的组播带宽以及1 - 2 m b p s 的单播 带宽，对于网络流量较大的组播业务，其优势一览无余，对于流量不大的单播业 务，1 - 2 m b p s 的带宽也足够用户享受各种网络服务。同时它利用了现有的家庭内 部的有线电视网络，组网方便且价格低廉，一旦技术成熟将是接入网的有力竞争 方案，目前杭州、上海等地区已部分的实现了m o c a 同轴接入网络的应用，并有 较好的使用效果。 由于m o c a 网络主要研究接入网的最后一百米距离，即从楼道到用户家中， 而从i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ，信息服务提供商) 到楼道一段的传输 速率不能低于m o c a 网络的速率，否则m o c a 网络的高速数据传输便没有意义，一 2 华东师范大学硕士学位论文 般情况下采用p o n 技术，即无源光网络。因此m o c a 不能单独使用，与光纤接入 结合使用更能发挥m o c a 的优势。 1 2 m o c a 研究现状 m o c a 成立于2 0 0 4 年1 月，创立者为c i s c o 、c o m c a s t 、e c h o s t a r 、e n t r o p i 、 m o t o r o l a 与t o s h i b a 等。m o c a 希望能够以同轴电缆( c o a x ) 来提供多媒体视频 信息传递的途径；它们利用e n t r o p i c 的技术( c l i n k ) 作为m o c a1 0 规范的依 据。m o c a 的成员认为，美国的家庭里同轴电缆的普及率高达7 0 ，整个基础设施 十分完整，加上同轴电缆传输多媒体视频资料的技术已经相当成熟稳定，适合利 用它来传输多媒体视频资料。 但事实上，家庭内部有同轴电缆插孔的地方毕竟还是集中在客厅及少数卧房 或书房，在使用上还是比无线技术( w i f i ) 和h o m e p l u g 限制较多。 m o c a1 o 规范的技术基础是基于美国e n t r o p i c 公司的c l i n k 技术，该技术 使用8 0 0 - 1 5 0 0 m h z 频段，可选2 - 3 8 m h z 如果系统中将来考虑传输卫星直播信号， 则m o c a 可用信道大大减少。 m o c a 每个信道带宽为5 0 m h z ，总共有1 5 个频道每个信道可以支持一个 n c ( 局端) 设备，每个n c 支持3 1 个c p e ( 终端用户) 设备。 m o c a 采用o f d m 调制和t d m a t d d ( 时分多址十分双工) 技术，m a c 部分的t d m a 是采用软件来实现的每个载波最高可进行1 2 8 q a m 调制，每个信道理论上最大的 物理数据速率为2 7 0 m b p s 和最大的有效数据速率为1 3 0 m b p s 随着链路损耗的加 大或链路s n r 的降低，依次降低为6 4 0 q a m 、3 2 q a m 、1 6 q a m 、8 q a m 、q p s k 、b p s k 调制方式，实际有效数据速度就会成倍降低。 设备典型发送电平3 d b m ；接收电平范围0 - 7 5 d b m ；典型时延：3 m s 。 m o c a 作为一个相对较新的技术解决方案，在美、日、韩三国受到大家的关 注，在国内也渐渐被人们所了解。 1 3 本文的主要工作 接入网位于t c p i p 网络层次中的第二层，其主要工作是对数据帧的操作。 在发送端，它将网络层的比特流组装成帧，向高层传送，在接收端，将i p 数据 包加上帧头和校验，然后根据链路层的协议进行转发和控制。常用的以太网采用 p p p 点对点协议实现数据帧的控制和传输，m o c a 网络的数据控制和传输由n c 网 络协调器实现，取代了以太网协议中的协议。一个m o c a 网络中只有一个n c ，在 网络中占据主导地位。 3 华东师范大学硕士学位论文 本文首先对接入网络进行了介绍，对各种接入方式极其关键技术、优缺点作 了对比，对接入网络所处的数据链路层的技术作了详细讨论。然后对m o c a 网络 的数据传输及控制机制进行了阐述，并讨论了关键的调制技术一o f d m 。文章组装 了一种基于m o c a 标准的网络设备，并对该设备的基本性能作了测试，得出了相 关的测试结论。 本文将从以下几个方面展开：第二章介绍接入网技术，对各种接入方式及其 优缺点作对比；第三章讨论数据链路层的协议及相关技术；第四章是本文的核心， 对m o c a 网络的关键技术，数据帧的传输与控制作详细讨论，以理解m o c a 网络的 各种传输和控制机制；第五章对m o c a 网络采用的信道调制技术进行讨论；第六 章对m o c a 网络进行测试，对测试工作进行了总结。 4 华东师范大学硕士学位论文 2 接入网络技术介绍 本章介绍接入网的基本内容。接入网( a c c e s sn e t w o r k ，a n ) 是指交换局到 用户终端之间的所有机线设备，i t u - t 定义如下：接入网是指由业务结点接口 ( s n i ) 和相关用户网络接口( u n i ) 之间的一系列传送实体( 诸如线路设施和传 输) 所组成，为传送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统 9 。其在网络 中的位置如下图所示： ! ：主? 卜系统； l ! l 己线系统 ：引入线； ；i 图2 - 1 接入网的位置 接入网所包括的范围可由三个接口来标志。在网络侧它通过结点接口与业务 结点( s n ) 相连；在用户侧经由用户网络接口( u n i ) 与用户终端相连；而管理 功能则通过q 3 接口与电信管理网( t m n ) 相连。下图表示了接入网和这3 个接口 的关系： 乜翁管理网( 麟) 臀j | | ! 接( ) 斗+ 管理接u ( ) 嚣h 型堕卜h 壹 j 鞋产网络援u ( 掰i ) 娩务够点接1 j i ) 图2 - 2接入网接口连接 接入网主要完成复用、交叉连接和传输功能，不具备交换功能，它提供了开 放的标准接口，可实现与任何种类的交换设备进行连接。其中主干系统为传统的 电缆和光缆，一般长数千米；配线系统也可能是电缆和光缆，其长度一般为几百 米，而引入线通常几米到几十米。 接入网技术可根据使用的媒体分为光纤接入、铜线接入、光纤同轴混合接入 ( h f c ) 和无线接入等多种类型。 接入网技术是为了解决接入互联网的最后一千米问题，对宽带网络起着重要 作用。随着网络技术的不断发展，综合化、宽带化、智能化和个人化不断扩大， 用户对多媒体通信的需求日益增强，而主干网络大量的使用光钎进行通信，使主 华东师范大学硕士学位论文 干网的传输速率达到l o g b p s 级别，接入网因环境、技术、价格等因素，目前的 传输速率较低。因此，研究优良的接入技术，对解决网络通信的瓶颈有很大帮助。 2 1 接入网的主要功能和特点 接入网是业务提供点与最终用户之间的连接网络，其主要功能如下： 1 ) 用户口功能( u p f ) ：将特定的用户网络接口( u n i ) 要求与核心 功能和管理功能相适配。 2 ) 业务口功能( s p f ) ：将特定s n i 规定的要求与公用承载通路相适配。 3 ) 核心功能( c e ) ：处于u p f 和s p f 之间，主要作用是负责将个别用户口 承载通路或业务口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。其功能 还包括为了通过a n 传送所需要的协议适配和复用所进行的对协议承载 通路的处理。 4 ) 传送功能( t f ) ：为a n 中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道， 也为传输媒质提供媒质适配功能。 5 ) a n 系统管理功能( s m f ) ：协调a n 内u p f 、s p f 、c f 、和t f 的适配、维 护和操作，也负责协调用户终端和业务结点的操作功能。 作为业务提供点与最终用户之间的接口网络，接入网具有以下特点： 1 ) 主要完成服用、交叉连接和传输功能，不具备交换功能。 2 ) 提供开放的v 5 标准接口，可实现与任何种类的交换设备进行连接。v 5 接口是专为接入网发展而提出的本地交换机和接入网之间的接口。 3 ) 光纤化程度高。接入网可以将其远端设备o n u ( p o n 光钎接入中的光网络 单元) 放置在更接近用户处，使得剩下的铜线距离缩短，有利于减少投 资和宽带业务的引入。 4 ) 能提供各种综合业务。接入网除接入交换业务外，还可接入数据业务、 视像业务以及租用线业务等。 5 ) 对环境的适应能力强。接入网的远端室外型设备o n u 可以适应各种恶劣 环境，无须严格的机房环境要求。 6 ) 组网能力强。接入网可根据实际情况提供环型、星型、链型、树型等灵 活多样的组网方式。 7 ) 可采用x d s l 、有源或无源光网络、h f c 和无线等多种接入技术。 8 ) 接入网可独立于交换机进行升级，灵活性高，有利于引入新业务和向宽 带过渡。 9 ) 提供功能较为全面的网管系统，实现对接入网内所有设备的集中维护以 6 华东师范大学硕士学位论文 及环境监控等。 2 2 接入网的体系结构 为便于网络设计和管理，接入网按垂直方向分解为三个独立的层次，每一层 为其相邻的高层提供传输服务。这三层分别是电路层( c l ，c i r c u i tl a y e r ) 、传 输通道层( t p ，t r a n s m i s s i o np a t h ) 、传输媒质层( t m ，t r a n s m i s s i o nm e d i a l a y e r ) ，如下图所示： 电路层( c l ) 传输通道腠( 什) 传输媒瑷胺( 丁搪) 图2 - 3接入网体系结构 电路层网络负责电路层接入点之间的信息传递。电路层网络直接面向公用交 换业务，并向用户直接提供通信业务 6 。传输通道层网络负责通道层接入点之 间的信息传递并支持一个或多个电路层网络，为其提供传送服务，通道的建立可 由交叉连接设备负责。传输媒质层与传输媒质( 如光缆、微波等) 有关，它支持 一个或多哥通道层网络，为传输通道层网络节点( 如d x c ) 之间提供合适的通道 容量，若做进一步划分，该层又可细分为段层和物理层。 以上三层之间相互独立，相邻层之间符合客户月艮务者关系，客户指使用传 输服务的层面，服务者指提供传输服务的层面。对于接入网而言，电路层上面还 有接入网特有的接入承载处理功能( a f ) ，再加上层管理和系统管理功能后，就 构成了接入网通用协议参考模型。 2 3 接入网的分类 接入网有多种分类方法，如按照传输媒质、拓扑结构、采用的技术等，通常 我们按照传输媒质将接入网分为以下几类：基于普通电话线的x d s l 接入；同轴 电缆与光纤混合接入( h f c ) ；光纤接入和宽带无线接入，下面就这些接入方式的 特点极其发展状况做简单的介绍和比较。 2 3 1x d s l 接入 数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 技术是基于普通电话线的宽 带接入技术，它可以在一根电话线上分别传送数据和语音信号，其中数据信号并 华东师范大学硕士学位论文 不通过电话交换设备，并且不需要拨号，属于一直在线的专线上网方式。d s l 有 很多模式，如a d s l 、r a d s l 、h d s l 和v d s l 等。通常把所有的d s l 技术统称为x d s l ， “x ”代表不同种类的d s l 技术 7 。 按数据传输的上下行速率的异同，d s l 分为对称和非对称传输两种模式。下 面以具有代表性的非对称数字用户线a d s l 为例说明d s l 技术的原理。 1 概述 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 是一种非对称d s l 技术， 所谓非对称是指数据传输的上下行速率不同。a d s l 使用电话线中2 6 k h z 一1 1 m h z 频段传输数据，在一对铜线上支持上行速率5 1 2 k b p s i m b p s ，下行速率卜8 m b p s ， 有效传输距离3 - 5 k i n 。a d s l 支持的主要业务是高速数据互联，无需改动现有铜线 网络设施就能提供宽带业务，其接入的设备及网络模型如下图所示： 图2 - 4a d s l 网络结构图 由图可知a d s l 网络结构主要由两部分组成：用户端设备和中心端设备。用 户端设备主要有a d s lm o d e m 和p o t s ( p l a i no l dt e l e p h o n es e r v i c e ) 分离器； 中心端设备主要有p o t s 分离器和d s l a m ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n ea c c e s s m u l t i p l e x e r ，数字用户线接入复用器) 。 a d s lm o d e m 将用户设备送来的数据封装成p p p 帧格式，经a d s l 调制电路调 制成适合在铜线上远距离传输的模拟信号后，送到双绞线对进行传输。p o t s 分 离器将来自a d s lm o d e m 的模拟信号和来自电话机的语音信号合成后通过铜质双 绞线对进行传输，反之亦然。 d s l a m 主要有两个功能：a d s l 接入( d s l a m 一般内嵌多个a d s lm o d e m ，可同 时接入多个a d s l 访问) 和接入服务复用( 将同时接入的多个a d s l 复用到公共数 据网络，如i n t e r n e t 、帧中继或中心l a n ) 。 2 ia d s l 技术原理 8 华东师范大学硕士学位论文 a d s l 通过f d m ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ，频分多路复用) 方式把 p o t s 、上行和下行业务分配在不同的频段上，目前被广泛采用的a d s l 调制技术 有3 种：q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，正交幅度调制) 、c a p ( c a r r i e r l e s sa m p l i r u d ea n dp h a s em o d u l a t i o n ，无载波幅度相位调制) 和 d m t ( d i s c r e t em u l t i - t o n e ，离散多音频调制) 。其中d m t 调制技术被a n s i 标准 化小组t i e i 4 制定的国家标准所采用。但由于此项标准推出时间不长，目前仍 有相当数量的a d s l 产品采用q a m 或c a p 调制技术。 q a m 用于a d s l 的主要问题是如何适应不同电话线路之间性能较大的差异性。 要取得较为理想的工作特性，q a m 接收器需要一个和发送端具有相同频谱和相位 特性的输入信号用与解码，q a m 接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号 产生的失真，因此采用q a m 的a d s l 系统的复杂性主要来自它的自适应均衡器。 c a p 调制技术是以q a m 调制技术为基础发展而来的，可以说它是q a m 技术的 一个变种。输入数据被送入编码器，在编码器内，m 位输入比特被映射为k = 2 m 个不同的复数符号4 = a n + j b ，由k 个不同的复数符号构成k c a p 线路编码。 编码后a 。和玩被分别送入同相和正交数字整形滤波器，求和后送入d a 转换器， 最后经低通滤波器信号发送出去。c a p 技术用于a d s l 的主要技术难点是要克服 近端串音对信号的干扰。一般可通过使用近端串音抵消器或近端串音均衡器来解 决这一问题。 d m t 是一种多载波调制技术。其核心思想是将整个传输频带分成若干子信 道，每个子信道对应不同频率的载波，在不同载波上分别进行q a m 调制，不同信 道上传输的信息容量( 即每个载波调制的数据信号) 根据当前子信道的传输性能 决定。 d m t 调制技术的实现过程是：首先将频带0 - i 1 0 4 m h z 分割成2 5 6 个由频率 指示的正交子信道，每个子信道占用4 3 1 2 5 k h z 带宽，如下图所示： 频率 | 唾。3 1 2 5 k h z 图2 - 5d m t 信道划分示意图 输入信号经比特分配和缓存，将输入数据划分为比特块。经格栅编码调制 ( t c m ) 后，再进行5 1 2 点离散傅立叶反变换将信号变换到时域，这时的比特块 将转换成2 5 6 个q a m 子字符。随后对每个比特块加上循环前缀( 用于消除码间干 9 华东师范大学硕十学位论文 扰) ，经数模转换和发送滤波器将信号送入信道。在接收段则按相反的次序进行 接收解码。基于d i d t 的a d s l 语音信号是利用o - 4 k h z 的频率传送，2 0 1 3 8 k h z 用 于上行信道( u p s t r e a m ) ，1 4 0 - 11 0 4 k h z 用于下行信道( d o w n s t r e a m ) 。 a d s l 通过不对称传输，利用f d m 技术使p o t s 以及a d s l 的上行和下行传输 共用同一条双绞线；也可利用e c ( e c h oc a n c e l l a t i o n ，回波抵消) 技术使上、 下行信道分开来减小串音的因，从而实现信号的高速传送。 a d s l 采用频分复用技术，将带宽分为3 个频段。其中，语音信号( p o t s 信 道) 利用o - 4 k h z 的频率传送；下行通道再被时分复用为一个或多个高速信道和 低速信道；而上行通道也会被复用为相应的低速信道。在p o t s 频带与a d s l 频带 之间留有一个保护性的边界。复用的频谱图如下所示“ 频率 04 2 0 1 3 81 4 01 1 k h zk h z k h z k h z k h z m h z 图2 - 6a d s l 频谱示意图 在a d s l 的发展过程中，针对线路上采用的不同编码技术，出现过基于 c a p q a m 的a d s l 和基于d m t 的a d s l 两种方案，前者一般不需要采用回波抵消技 术，因此在上行和下行频带之间设有一个起保护作用的边际频带，以减小实际滤 波器的复杂度。而后者在上行和下行频带之间不存在保护边际，可以更有效地利 用带宽资源，但需要应用回波抵消技术。 回波抵消技术是上行信道和下行信道在频带上的重叠部分相互抵消。通过本 地的回波抵消技术，可以有效地分开上下行信道，减少串音的影响，从而实现信 号的高速传送。与频分复用技术相比，回波抵消技术消除了因频率叠加所带来的 干扰，因而可以使a d s l 系统在性能指标上有较大的提高。回波抵消的a d s l 频谱 如图所示： 04 2 0 1 3 81 k h zk h z k h z k h z m h z 图2 - 7 使用回波抵消技术的a d s l 频谱示意图 1 0 籁攀 华东师范人学硕上学位论文 3 a d s l 接入方式小结 a d s l 利用已有的家庭电话线网络进行网络接入，只需在局端和用户终端安 装调制与解调设备，无需重新布线；设备安装简单，容易操作；目前的传输速率 可以满足家庭网络的需要，且价格适宜，因此是目前家庭上网的首选。同时a d s l 接入也存在一些不足，如设备灵活性不好，适用范围目前还不广泛，2 m b p s 的速 率对于基本的网络需求还可满足，对于高带宽要求的用户则无法实现。 2 3 2 混合光纤同轴电缆网( h f c ) h f c ( h y b r i df i b e r c o a x ，混合光纤一同轴电缆网) 是在c a t v ( c o m m u n i t y a n t e n n at v ，共用天线电视) 的基础上发展起来的，适用于已敷设大量同轴电缆 用户的地区。由于大多数家庭用户安装了有线电视线路，广播电视运营商将有线 电视线路和f t t b ( f i b e rt ot h eb u i l d i n g ，光纤到楼) 结合起来，可以有效地 降低网络线路建设成本。这使得h f c 成为一种灵活而便宜的接入方案，可以与电 信的a d s l 竞争。 1 h f c 的主要特点 h f c 网络的主干线部分采用光纤，用光分路器将光信号分配到各个服务区， 在光节点处完成光电转换，再用有线电视同轴电缆将信号分送到各用户家中。 在c a t v 电缆中，数字信号被转换成模拟信号传输。c a t v 电缆采用f d m 方式进行 信道复用，用户使用模拟终端( 电视机) 不会受到影响。 h f c 具有以下优点： 1 ) 组网成本低。由于利用了已有的有线电视网络，所以光纤到楼层以后， 到户端的网络不需重新布线，从而降低了成本。 2 ) h f c 网具有双绞线无法比拟的传输带宽优势。 3 ) h f c 的传输距离很远，可达几十千米。 4 ) h f c 是基于光缆主干网的，所以能很好地向光纤接入网发展，拥有良好 的拓展性。 同时h f c 也存在一些缺点，具体表现如下： 1 ) h f c 使用7 5 0 m h z 的有线电视电缆，而过去的c a t v 使用的是5 5 0 m h z 电缆， 因此存在着更换旧c a t v 线路的问题。 2 ) h f c 采用的是f d m 技术，而主干网和交换单元都是采用数字技术，这就 增加了网络的技术难度。 3 ) h f c 采用的是分层树型结构，数据带宽由多个用户共享，当多用户同时 使用时，其传输速率明显下降。 4 ) h f c 的上行信道存在“噪声漏斗效应 问题，该问题还没能得到很好的 华东师范人学硕上学位论文 解决。 h f c 支持多种业务，包括：传统业务，如模拟广播电视，调频广播；高速 数据业务，如基于i p 技术的高速i n t e r n e t 接入；i p 话音i p 视频业务；其他增 值业务，如远程教学、远程医疗、v p n ( 虚拟专网) 等。 2 h f c 的网络结构 h f c 网络主要由以下几个部分组成：网络前端、光纤馈线网、光纤节点、同 轴配线网等。 网络前端是h f c 网络中的关键部分。h f c 网络中，由于各用户站间无法直接 接收彼此之间的信号，因而无法对自己的业务传输进行自我调整。而网络前端， 能同时接收各用户发送的上行信号，可有效地实现对各用户间业务传输的协调和 控制。 在h f c 网络中，光纤馈线网一般由若干条下行光纤和一条( 或几条) 上行光 纤组成。下行光纤将前端发出的光信号传送至光纤节点，而上行光纤则将来自光 纤节点的上行光信号传送至前端。 光纤节点是光纤馈线网与同轴配线网间的光电接口单元。它将来自下行光 纤的光信号转换成电信号后由同轴电缆传送至用户；同时将同轴电缆上的上行电 信号转换成光信号后由上行光纤传送至h f c 网络前端。 h f c 的主要设备包括前端设备和用户端设备，如下图所示： ! 一一_ 一一- 一_ 一一一一一一一一一一一一一_ 一一一一- ： 图2 - 8h f c 网络结构示意图 前端设备位于中心局，由前端单元( 合成器、分离器等) 、光纤接口( 光收 发器) 和网络管理组成。它将c a t v 信号和数字网络信号调制到光纤上，并对用 户端送来的上行信号解调。用户端设备由光纤节点( 光收发器) 、用户端接口单 华东师范大学硕士学位论文 元( c a b l em o d e m ) 和多路复用器等组成。中心前端信号在光收发器经电光转换 后送至h f c 网络，用户端光纤节点将收到的光信号经光电转换后，经多路复用 器送至各终端设备。 c m t s ( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ，电缆调制解调器终端系统) 是 h f c 网络的头端系统主要设备，其功能体现在为计算机网络通信合理分配下行和 上行载频频率、高速数据调制解调和上下行通道的数据交换。 c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 用于连接h f c 网络和用户终端。c a b l em o d e m 的工作原理是先对数据进行调制，然后在一个频率范围内传输，而接收时则进行 解调。与普通m o d e m 不同的是，经过c a b l em o d e m 调制的信号是在有线电视系统 一个频道中传输的，传输的带宽比较宽。 双向放大器能够对上行信号和下行信号进行双向放大传输，频率带宽为 5 - 7 5 0 m h z ，正向通道衰减量、均衡量可调，反向通道衰减量可调，方便通道设计 和调整，带有双工滤波器，确保低噪声、高质量的传输。 3 h f c 频带 h f c 网络具有较为充裕的可用频带，理论上最高可用频率可达1 g h z 。按频谱 划分，可分为上行数字频带、下行模拟频带以及下行数字频带。 如下图所示，上行数字频带位于h f c 网络频谱中的5 - 4 2 m h z ，用于传输从用 户终端到网络前端的上行数字业务。一般地，为克服上行信道中的功率控制、信 道误码特性、系统管理等问题，上行数字频带被划分成1 - 2 m h z 带宽的上行信道。 下行模拟频带位于h f c 频谱中的5 0 5 5 0 m h z 部分，这与原有的c a t v 系统完 全兼容。下行数字频带位于h f c 系统频谱中的5 5 0 m h z i g h z 部分。其中的 5 5 0 - 7 5 0 m h z 用于传送各种现有的数字业务，7 5 0 m h z 一1 g h z 为将来业务所保留。下 行数字频带被划分成6 m t l z 的下行信道，每一信道可传输每秒几十兆比特的下行 数据流。 额率 m h zm h zm h zm h zm h z 图2 - 9h f c 网络的频谱分配示意图 c a b l em o d e m 分别在两个不同的方向接收和发送数据。在下行方向普遍采用 的调制方式是q p s k ( 速率可达l o m b p s ) 和2 5 6 q a m ( 速率可达3 6 m b p s ) ，在上行 方向大都采用q p s k 的调制方式，因为q p s k 比更高一级的调制方式更能抗干扰。 华东师范大学硕士学位论文 4 小结 h f c 的优势在于建设和管理费用便宜，带宽较高；劣势在于将数据信号转化 模拟方式传输，容易受噪声影响。随着目前光纤线路和光纤设备价格的逐渐降低， f ，r t h ( f i b e rt ot h eh o m e ，光纤到户) 将逐渐取代h f c 。 2 3 3 光纤接入 1 概述 光纤接入网( o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，o a n ) 是以光纤为传输介质，并利 用光波作为载波传诵信号的接入网。泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间 采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。光纤接入网系统的基本配置如下图 所示： j ：t l f l 嬲援入髓掰网霎； 弱 图2 - 1 0 光纤接入网系统的基本配置 由图可以看出，光接入网由光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 、 光配线网络( o p t i c a ld i s t r i b u t i n gn e t w o r k ，o d n ) 、光网络单元( o p t i c a l n e t w o r ku n i t ，o n u ) 及相关适配功能( a d a p t a t i o nf u n c t i o n ，a f ) 设备组成。 o l t 的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口，并经一个或 多个o d n 与用户侧的o n u 通信。o l t 与o n u 的关系为主从通信关系，o l t 可以分 离交换和非交换业务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 和本地提供维护 和指配功能。o l t 可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远 端集中器或复用器接口。o l t 在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成 在一个设备内。 o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分 配任务。o d n 是由无源光元件( 如光纤光缆、光连接器和光分路器等) 组成的纯 无源的光配线网，呈树型、星型分支结构。 o n u 的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用户 1 4 华东师范大学硕上学位论文 侧。o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤，处理光信号，并为多个小企事业用 户和居民用户提供业务接口。o n u 的网络侧是光接口，而用户册是电接口。因此， o n u 需要有光电和电光转换功能，还要完成对语声信号的数模和模数转换、 复用信令处理和维护管理功能。o n u 的位置有很大灵活性，既可以设置在用户住 宅处，也可设置在d p ( 配线处) 。 a f 为o n u 和用户设备提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在o n u 内， 也可以完全独立。 2 p o n 技术 p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，无源光网络) ，主要由光纤线路终端( o l t ) ， 光纤分配网络( o d n ) 和光网络单元( o n u ) 组成 5 。o l t 具有与交换机接口的功能， 完成下行电到光、上行光到电的转换，以及分配和控制各信道的连接，并对各个 光电接口实施监控、提供操纵、维护及管理功能。下图是o n u 和o l t 的功能框图， o l t 和o n u 均由三部分组成：核心层、业务层和公共层。o d n 在o l t 和o n u 之间建立 光传输通道，完成光信号功率分配、波长复用等功能，完全由光纤无源器件组成， 也是p o n 名称的由来。o n u 为网络提供用户侧的接口，完成下行光到电、上行电到 光的转换，实现各类业务的接入，如x d s l 、e 1 、e t h e r n e t 、p s t n 等 1 2 。 耀声 掴一霪剧阿 高赢丽。1 口同阈网i 一 图2 - 11o n u 与o l t 功能框图 在p o n 中，o l t 至o n u 的下行信号传输过程是：o l t 送至各o n u 的信息采用光时 分复用( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，0 t d m ) 方式组成复帧送到馈线 光纤；通过无源光分路器以广播方式送至每一个o n u ，o n u 收到下行复帧信号后， 分别取出属于自己的那一部分信息。各o n u 至o l t 的上行信号采用o t d m a ，o w d m a ， o c d m a 以及o s c m a 等多址接入技术。 3 以太网无源光网络e p o n e p o n ( e t h e r n e to v e rp o n ) 是指采用p o n 的拓扑结构实现以太网的接入。与 p o n 相比，它采用了以太网的帧结构和接口，而网络结构又与传统的以太网有所 区别。 e p o n 位于业务网络接口到用户网络接口间，通过s n i 与业务节点相连，通过 u n i 与用户设备相连。e p o n 主要由三部分组成，即光线路终端o l t ，光配线网络o