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摘要 基于p t m 传送方式的v d s l 系统t p s t c 层的设计与仿真 专业 信号与信息处理 硕士生 朱林平 指导老师 谭洪舟教授 摘要 宽带接入是发展宽带网的难点 也是宽带竞争的焦点 目前 在有线宽接入 方式中 数字用户线 d s l 是一种利用现用的电话双绞线入网的技术 经济方便 其中 甚高速数字用户线 v d s l 是d s l 家族中速率最高的接入方式 v d s l 有两种传送模式 一种是基于分组传输模式 p t m 的v d s l 系统 另一 种是基于异步传输模式 a t m 的v d s l 系统 基于p t m 传送方式的v d s l 系统是一 种基于可变长度封包的v d s l 技术 应用于以太网协议时可以提供在最长1 5 k m 的条件下达到上下行1 0 m b p s 对称的数据速率 其应用前景广泛 v d s l 技术目前仍未大规模商用 全球的标准化工作仍在进行之中 本文主 要对基于p t m 传送方式的v d s l 系统的传送协议相关t c 层 e t c 做了较深入的研 究 依据a n s i 和我国的v d s l 标准 设计了传送协议相关t c 层 文中从外部模 块接口到内部功能都进行了详细的分析 明确了该层要实现的功能 并给出了整 体设计框架 其次 在软件语言环境下 设计了软件实现的结构图 并用c 语 言进行了仿真 然后 在硬件环境里 进一步做e t c 的功能仿真 并分别比较了 软件实现和硬件实现的异同 最后 总结了全文并展望了未来的研究工作 关键词 甚高速数字用户线 传送协议相关t c 层 e t c 软件仿真 硬件仿真 a b s t r a c t d e s i g na n ds i m u l a t i o no ft p s t cl a y e ro f p t mb a s e dv d s l s y s t e m m a j o r s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e z h ul i n p i n g s u p e r v i s o r p r o f h o n g z h o ut a n a b s t r a c t b r o a d b a n da c c e s si sak e yp r o b l e mi nd e v e l o p i n gb r o a d b a n dn e t w o r k i ti sa l s oa c r i t i c a lt a s ki nb r o a d b a n d t e c h n o l o g yc o m p e t i t i o n a tp r e s e n t d s l d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e r i sa ne c o n o m i c a la n dc o n v e n i e n tt e c h n o l o g yu s i n gat w i s t e d p a i rl i n et oa c c e s s t ob r o a d b a n di nw i r el i n e v d s l v e r yh i g hs p e e ds u b s c r i b e rl i n e i st h eh i g h e s tr a t e a c c e s sa p p r o a c hi nt h ed s l f a m i l y t h e r ea r et w ot r a n s m i s s i o nm o d e sf o rv d s l s y s t e m o n ei sb a s e do np t ma n d t h eo t h e ri sb a s e do na r m p t mb a s e dv d s l t r a n s m i t t i n gv a r i a b l el e n g t ho f p a c k e t s o v e re t h e m e t c a nr e a c hs y m m e t r i c10 m b p sr a t ew i t ho v e r1 5 k m d i s t a n c e i ti s a t t r a c t i v ei nf u t u r e v d s lt e c h n o l o g yh a sn o ty e tb e e nw i d e l yu s e di nc o m m e r c i a lp r o d u c t sa n di t s s t a n d a r d i z a t i o ni ss t i l lu n d e rp r o g r e s s t h i st h e s i sm a i n l yd e a l sw i t hs o m er e s e a r c h e s o nt p s t cl a y e ro fp t mb a s e dv d s ls y s t e m b a s e do nt h ea n s ia n dc h i n e s e s t a n d a r do fv d s l w ed e s i g nt h es t r u c t u r eo ft p s t cl a y e r e t e m a la n di n t e r n a l m o d u l ei n t e r f a c eb e i n ga n a l y z e dd e t a i l e d l y t h et h e s i sd e f i n e st h ef u n c t i o no ft p s t c l a y e ra n dd e s i g n st h ew h o l es t r u c t u r e t h e n w ec o n d u c ts o m ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o n s u s i n gc s o f t w a r e a n dt h e n w er e a l i z ee t c 矗o mh a r d w a r ep o i n to fv i e wa n d c o m p a r et h ed i f f e r e n c eo f t w om e t h o d s f i n a l l y t h ec o n c l u s i o ni sp r o v i d e da n df u t u r e r e s e a r c hw o r kj sa d v i s e d k e y w o r d s v d s l t p s t c e t c s o f t w a r es i m u l a t i o n h a r d w a r es i m u l a t i o n 图表索日 图表索弓 表1 1 各种d s l 技术的比较 4 表2 一lv d s l 技术的联盟 9 表2 2v d s l 系统的速率与距离的关系 11 表2 3v d s l 频带划分 1 2 表3 1m i i 接口信号说明 2 0 表5 1v e r i l o g 实现与c 实现比较 6 0 图1 1i p 方式的d s l 网络结构 一 5 图1 2 端到端的a t m 方式的d s l 网络结构 6 图l 一3 电路交换方式的d s l 网络结构 一 6 图2 1v d s l 系统参考模型 i o 图2 2v d s l 系统的拓扑图 1 0 图2 3v d s l a d s l 速率与距离关系 1 2 图2 4v d s l 频带划分 1 2 图2 5i p v d s l 传输协议层模型 一 1 5 图3 1t p s t c 层次化模型结构 1 7 图3 2m i i 在协议栈中的位置 1 9 图3 3m i i 接口上n i b b l e 传送的示意图 2 0 图3 4m i i 接收和发送的时序示意图 2 1 图3 5 以太网帧格式 2 1 图3 6p m s t c 层的结构图 2 2 图3 7e t c 的整体结构 2 3 图3 8h d l c 对以太网包进行封包 传递 卸包的过程 2 4 图3 9h d l c 帧结构 2 4 图3 1 0h d l c 比特填充示意图 2 5 图4 1e t c 软件实现原理图 2 8 图4 2e t c 软件调试方案一 一 3 1 图4 3e t c 软件调试方案二 t 3 1 图表索日 图4 4e t c 软件整体调试方案 图4 5e t c 软件实现类结构文件界面 图4 6e t c 软件实现的运行界面 图4 7e t c 软件实现的发送端输入 图4 8e t c 软件实现的接收端输出 图5 1e t c 硬件实现的原理图 图5 2e t c 上层结构关系图 图5 3 发送端e t ct x 实现的原理图 图5 4t xm i ia n dt xf i f oc o n t r o lr t l 模块写数据仿真波形 图5 5t xm i ia n dt xf i f oc o n t r o lr t l 模块读数掘仿真波形 图5 6t xf i f o 模块仿真波形 图5 7s s p r a m 2 0 4 8 x 8 w r a p p e r 2 3 2 4 模块仿真波形 图5 8t xp a u s er t l 模块仿真波形 图5 9t xa r b i t r a t i o nr t l 模块仿真波形 图5 1 0t xh d l c 模块仿真波形 图5 一1 1s e rt oj a r 模块仿真波形 rtl 图5 1 2l o o p 模块输入输出关系图 b a c k h a tr t l 图5 1 3l o o rb a c ki n tr t l 模块仿真波形 图5 1 4 接收端e t cr x 实现的原理图 图5 一1 5p a rt os e rr t l 模块仿真波形 图5 1 6r xh d l c 模块仿真波形 图5 1 7c r cc o u n t e rn l 模块仿真波形 图5 1 8r xf i f oc o n t r o lr t l 模块仿真波形 图5 1 9r p r e a m b l es f dr t l 模块仿真波形 一 图5 2 0 暂停帧格式 一 图5 2 1r xp a u s er t l 模块仿真波形 一 图5 2 2r xm i ia n dr xa r b i t r a t i o nr t l 模块仿真波形 图5 2 3m i i 模型 图5 2 4 时钟模型 图5 2 5 部分模块连接调试一 3 2 3 3 3 3 3 4 3 4 一 3 6 一 3 7 3 8 4 0 4 0 4 1 4 2 一 4 3 一 4 4 一 4 5 一 4 6 4 6 4 7 t 4 8 4 9 一 5 0 一 5 1 一 5 2 5 3 t 5 4 一 5 4 5 5 5 6 5 6 5 7 图表索日 图5 2 6 部分模块连接调试二 图5 2 7 部分模块连接调试三 图5 2 8 硬件实现整体波形图 图5 2 9 硬件实现发送端输入波形 图5 3 0 硬件实现接收端输出波形 图5 31 硬件仿真发送端输入输出波形 图5 3 2 硬件仿真发送端输入 图5 3 3 硬件仿真发送端输出 图5 3 4 软件仿真发送端输入 图5 3 5 软件仿真发送端输出 图5 3 6 硬软件仿真结果比较 第1 章绪论 第1 章绪论 宽带接入是发展宽带网的难点 也是宽带竞争的焦点 目前来说 光纤到户 虽然能提供很高的带宽 但是成本太高 一般用户无法承受 另一方面 在长期 经营电话业务的过程中 铜缆用户线已经深入到千家万户 利用现有的铜线提供 宽带接入占有很大的市场 d s l 数字用户线路 d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 技术即是利用先进的数字技术 来扩大现有用户电话线传输频带宽度的技术 v d s l 甚高速数字用户线 和 a d s l 非对称数字用户线 都是d s l 家族中的重要组成部分 它们都是以铜质电 话线为传输介质的传输技术组合 与h d s l 高速数字用户线 s d s l 单线制数 字用户线 和r a d s l 速率自适应数字用户线 等 一起统称为x d s l 1 1 研究背景和意义 v d s l 技术的发展经历了较长的历程 d s l 最先是指能够通过用户环路中的 铜双绞线支持i s d n 综合业务数字网 基本速率的数字信息传输技术 i s d n 的基 本信道速率为1 6 0 k b p s 包括两条b 信道和一条d 信道 b 信道的信息传输速率为 6 4 k b p s d 信道的信息传输速率为1 6 k b p s 另步b 1 6 k b p s 的数据用于帧同步 误码 监测和其他开销 八十年代初期 美国t l 委员会通过了一个i s d n 接入线路 g j u 接口1 的标准 规定i s d n 基本接入速率的线路码型为四电平2 8 1 q 码 符号速率为 8 0 k b a u d 信道使用带宽为4 0 k h z i s d n 信号占用一对铜双绞线 采用全双工方 式进行传输 最大传输距离为5 5 k m 八十年代中期 b e l lc o r e 公司提出了高比特率数字用户环路 h d s l 技术的概 念 h d s l 的线路码型也是2 8 1 q 码 最大信息传输速率 b 7 8 4 k b p s 最大传输距 离为3 7 k m h d s l 的首次大规模应用是通过两对用户线 在小于3 7 k m 的距离上 提供1 5 4 4 m b p s 的数据速率 以取代价格昂贵的t 1 数字环路载波设备 九十年代初 美国的一些电话公司开始对通过电话线传输压缩的数字视频信 叫1 山大学硕士学位论文基于p t m 传送方式的v d s l 系统1 1 p s t c 层的设讣与仿真 号产生兴趣 其目的是在不影响原有的电话业务的情况下 对用户提供交互式的 视频业务 交互式的视频业务需要双方向不对称的数字传输 即下行r 从局端到 用户端 的视频信号需要更多的信道带宽 这种需要异致了a d s l 技术的诞生 a d s l 下行方向的数据传输速率超过6 m b p s 而上行方向的数据传输速率可达 6 4 0 k b p s 1 9 9 2 年6 月 美国联邦通信委员会 f c c 通过了允许电信业务经营者提 供视频点播服务的规章制度 但v o d 视像点播 并没有像人们预期的那样出现高 潮 a d s l 技术在人们的记忆中逐渐消失了 1 9 9 5 年以后 随着i n t e m e t 特别是基于w e b 浏览业务的迅速增长 a d s l 技 术重新得到人们的广泛关注 a d s l 不仅比m o d e m 和i s d n 基本速率接入提供了高 得多的数据传输速率 而且a d s l 的数据传输方式正好与w e b 浏览器的需要是一 致的 目前 a d s l 也是中国 韩国等其它国家提供宽带接入而采用的最主要的 技术 另外 在前述的h d s l 技术中 通常需要两对双绞线来提供1 5 4 4 m b p s 的数 据 为了减少用户线数 最近 人们又提出了在一对用户线上来传输t l 或e l 速 率的h d s l 技术 称之为s d s l 其最大传输距离可达3 k m 随着接入网的演化 光纤分阶段取代现有的铜双绞线 铜双绞线变得越来越 短 最近 人们在a d s l 技术的基础上又提出了一种能够提供更高数据传输速率 的数字用户环路技术 即甚高比特率数字用户线 v d s l v d s l 可在1 5 0 0 m 长的 铜双绞线上提供1 2 9 6 m b p s 的数据传输速率 当传输距离小于3 0 0 m 时 其最大传 输速率可达5 1 8 4 m b p s 最初的v d s l 其双向的数据传输速率也是非对称的 随着技术和应用的发展 现在的v d s l 将同时支持对称比特率和不对称比特率数 据的传输f 基于p t m 传送方式的v d s l 技术的研究有着重要的意义 宽带化和i p 化是核 心网发展的趋势 同时又是接入网发展的方向 以太网技术本身的优势加上宽带 i p 接入网发展的需求促进了以太网技术在i p 接入网中的应用 所以 采用v d s l 技术和以太网技术相结合的方案 完全可以解决i p 接入方案的问题 用户也不必 重新布放高成本的5 类双绞线 仅仅通过v d s l 终端适配器 用户就可以接上 i n t e m e t 通过普通电话线就i 叮以传输高速以太网信号 而且也不用担心转向i p 化接入会带来的问题 应用前景广泛 第1 章绪论 1 2x d s l 技术分类及比较 x d s l 中 x 代表着不同种类的数字用户线路技术 各种数字用户线路技术 的不同之处 主要表现在信号的传输速率和距离 还有对称和非对称的区别上 d s l 技术主要分为对称和非对称两大类 对称d s l 技术主要用于替代传统的 t i e i 接入技术 非对称d s l 技术非常适用于对双向带宽要求不一样的应用 如w e b 浏览 多媒体点播 信息发布等 因此适用于i m e m c t 接入 v o d 系统 等 1 对称d s l 技术1 2 i 1 h d s l h i g h b i tr a t ed s l 高比特率d s l h d s l 是x d s l 技术中最成熟的一种 已经得到了较为广泛的应用 这种技 术可以通过现有的铜双绞线以全双工t l 或e 1 方式传输 一个将要出现的称之为 h d s l 2 的版本将可以使用单根双绞线完成同样的任务 其特点是 利用两对双 绞线传输 支持n x 6 4 k b p s 各种速率 最高可达e 1 速率 h d s l 是t 1 e i 的一 种替代技术 主要用于数字交换机的连接 高带宽视频会议 远程教学 蜂窝电 话基站连接 专用网络建立等 2 s d s l s m g l el i n ed s l 单线制d s l 这是h d s l 的单线版本 它可以提供双向高速可变比特率连接 速率范围从 1 6 0 k b p s 到2 0 8 4 m b p s 其特点是 利用单对双绞线 支持多种速率到t 1 e 1 用户可根据数据流量 选择最经济合适的速率 最高可达e l 速率 比用h d s l 节省一对铜线 o 4 m m 双绞线上的最大传输距离为3 公里以上 3 i d s l i s d n 数字用户线 通过在用户端使用i s d n 终端适配器和在双绞线的另一端使用与i s d n 兼容 的接口卡 这种技术可以提供1 2 8 k b d s 的服务 2 非对称d s l 技术日1 1 3 1 1 a d s l a s y m m e t r i cd s l t e 对称d s l a d s l 为网络提供速率从6 4 0 k b p s0 1 m b p s 的上行流量和从l m b p s 到8 m b p s 的下行流量 同时在同一根线上可以仿真提供语音电话服务 特点 利用一对双 绞线传输 有效传输距离在3 5 公里范围以内 支持同时传输数据和语音 f l 山大学硕士学位论文 基于盯m 传送方式的v d s l 系统t p s t c 层的设计与仿真 2 r a d s l r a t ea d a p t i v ed s l 速率自适应d s l 这种技术允许服务提供者调整x d s l 连接的带宽 以适应实际需要并且解决 线长和质量问题 特点 利用一对双绞线传输 支持同步和非同步传输方式 速 率自适应 下行速率从6 4 0 k b p s 到1 2 m b p s 上行速率从1 2 8 k b p s 到1 m b p s 支 持同时传输数据和语音 3 v d s l v e r yh i g hd a t ar a t ed s l 甚高速数字用户线 v d s l 可说是x d s l 技术中速率最快者 它只利用一对双绞线 用户一侧的 安装也比较简单 只要用分离器将v d s l 信号和话音信号分丌 或者在电话前加 装滤波器就能够使用 非对称下行数据的速率为6 5 5 2 m b i t s 上行数据的速率 为0 8 6 4 m b i t s 对称数据的速率为6 5 2 6 m b i t s 传输距离约为3 0 0 1 5 0 0 m 不过 值得注意的是 v d s l 技术的传输速率依赖于传输线的长度 故上述数据 是相对而言的 表1 1 综合了各种d s l 技术主要特点 进行了比较 表1 1 各种d s l 技术的比较 名称标准下行速率上行速率调制方 p o t s 传输线应川情况 m b p s m b p s 并存距离对 k m i d s la n s lt i 6 0 lo 1 60 1 6 2 8 1 q 刁i 行5 5 1 话音 数据 i t u t1 4 3 14 8 3 t h d s la n s i 1 5 4 4 t i 1 5 4 4 t 1 2 8 1 q 不行3 42l a n 互联 i n t e r n e t e t s i 2 0 4 8 e 1 2 0 4 8 e c a p 接入 不提供普通 电话业务 s d s le t s i 1 5 4 4 t 1 1 5 4 4 t 1 2 8 1 q 不行 2 71 l a n i n t e m e t 接入 2 0 4 8 e 1 1 2 0 4 8 e 1 1 c a p a d s la n s i e t s i l 一8 0 6 4 0 一1 c a p d可以3 51 话音业务 i n t e r n e t i t u tm t接入 v o d r a d sa n s i e t s io 0 3 2 90 0 3 2 1 c ap 可以 3 5l 爵音业务 i n t e m e t li t u td m t 接入 v o d v d s la n s i e t s i1 3 5 2 1 s 一2 3 c a p 可以 1 51 i n t e r n e t 接入 v o d i t u td mt l a n 接入 交互式 d w m t 多媒体h d t v 从以上的几种技术可以看出 基于铜线的接入技术发展的总的特点 一是要 最大的发挥已有电话铜线的资源优势 利用其提供话音和宽带业务 二是要适应 i n t e m e t 下行和上行非对称的特点 三是解决线路问干扰和串扰 增大传输距离 四是要适应i n t e r n e t 的迅速发展 与骨干以太网和城域以太网无缝连接 五是降 第l 章绪沧 低成本 不改动已有设备 并能利用已有铜线资源组成家庭式局域网 4 1 1 3x 1 s l 的网络结构 x d s l 是一项物理层的点对点数据传输技术 可支持多种网络协议 多数的 业务提供者希望依靠x d s l 特别是a d s l 来提供宽带业务和应用 x d s l 具体的 网络结构可有多种 这取决于具体的应用和所提供的宽带业务类型 下面以普遍 应用的a d s l 为例 给出三种网络结构 1 3 1i p 方式 图1 1 表示i p 方式的d s l 网络结构i i i l 5 1 它利用a d s l 来提供高速的i n t e m e t 访 问服务 这种网络模型也可用于i n t e r n e t 接入 l a n 网间的互连等 目前有许多 中间协议可支持i p 在a d s l 上传输 如帧中继和a t m 异步传输模式 另外根据 a d s l 论坛的规定 i p 包也可直接在a d s l 上进行传输 图1 1 中 a c 是a d s l 系统的局端收发器 a t u r 是用户端收发器 a t u r 可以直接与p c 机的总线相 连 也可通过以太网与p c 机相连 p c 机通过点对点 p p p 协议建立i n t e m e t 连接 1 3 2a t m 方式 图1 1 i p 方式的d s l 网络结构 根据a d s l 的标准 a n s it 1 4 1 3i s s u e2 币i a d s l 论坛的规定 a t m 信元可直 接在a d s l 信道上进行传输 图1 2 给出了端到端的a t m 方式的d s l n 络结构 目前 电话公司对这种网络结构也非常感兴趣 因为它可提供费用较低的a t m 一卜山大学硕士学位沦文牡于f f m 传送方式的v d s l 系统t p s t c 层的设计与仿真 连接 6 1 a t m 业务 网络 j 奎接在其他的l a n 视频搬 务 j p 网络0 po v e r a t m 基 于a t m 的视频会议单元 上 行速率为4 5 或1 5 5 m b p s a t u c a t u c a t m 接入集中器 a t u r a t u r 翠l 饕 2 5 m t p s a t m 图1 2 端到端的a t m 方式的d s l 网络结构 1 3 3 电路交换方式 台 a t m l a n x d s l 技术可大大降低专用线路的租用费 图1 3 给出了电路交换方式的d s l 网络结构模型p 1 6 1 采用这种方式 x d s l 技术可平滑地综合到现有的基于时分复 用技术的网络结构中 图1 3 电路交换方式的d s l 网络结构 1 4 论文内容和结构安排 本文对基于分组传送模式的v d s l 系统t p s t c 层进行了设计与仿真 主要 内容分为6 章 第l 章为绪论 介绍了研究背景和国内外d s l 技术状况 简要介绍了x d s l 第1 章绪论 技术的发展历程 x d s l 技术分类以及x d s l 技术的网络结构 第2 章系统的介绍了v d s l 技术 包括v d s l 技术标准 v d s l 系统参考模 型 v d s l 系统的关键技术和i p v d s l 技术的传输协议模型 第3 章是t p s t c 层的结构描述 文中从外部模块接口到内部功能都进行了 详细的分析 明确了该层要实现的功能 并给出了整体设计框架 第4 章是e t c 的软件实现 在对t p s t c 层理解的基础上 设计了软件实现 的结构图 并用软件描述语言进行了仿真 第5 章是e t c 的硬件实现 在硬件环境里 进一步做e t c 的功能仿真 并 分别比较了软件实现和硬件实现的异同 最后 对本文进行了总结 以及展望了未来的研究工作 r ii 山大学硕十学位论文丛于p t m 传送a 式的v d s l 系统t p s t c 层的设训与仿真 2 1v d s l 系统概述 第2 章v d s l 系统简介 2 1 1v d s l 的主要特点 v d s l v e r y h i g h b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e r 甚高速数字用户环路 简单 地况 v d s l 就是a d s l 的快速版本 v d s l 与a d s l 不同 后者的干线连接主要 是a t m 而v d s l 贝f j 对a t m 和i p 同时支持 这主要是源于以太网的成熟和向数据 网络核心的渗透 e t h e m e to v e rv d s l j j 是在接入网方面延伸了以太网的应用范 围 是完美的宽带接入解决方案 从整体情况看 v d s l 具有以下特点 1 传输速率高 短距离内的最大下传速率可达5 5 m b p s 上传速率可达1 9 2 m b p s 甚至更高 但它的传输速率与距离是成反比的 通常距离在3 0 0 1 5 0 0 m 由于 距离短 v d s l 技术还能够克i a d s l 技术的选线率低 速率不稳定等问题 2 支持对称和不对称传输 它的多种工作模式 可以满足不同的客户的需求 3 兼容性好 与a d s l 相比 v d s l 在双绞线上使用更高的频带 它使用的频段 在电话网和i s d n 的频率之上 因此 与a d s l 相比 它不仅可以兼容现有的传统 电话业务 还可以兼容i s d n 业务 v d s l 也是用无源滤波器作为信号分离器来兼 容话音和i s d n 传输的 其基本原理与a d s l 中的类似1 7 2 1 2v d s l 的标准化情况 国际上v d s l 标准还没有完全成熟 就标准而言 主要的标准有3 个 1 i t u t g 9 9 3 1 2 0 0 1 年l o 月发布 d r a f t 2 北美的a n s it i e l 4 2 0 0 1 年2 月发布 t r i a ls t a n d a r d 3 欧洲的e t s it s2 7 0 i 功能要求 1 9 9 9 年发布 e t s it s2 7 0 2 收发器规 范 2 0 0 1 年发布 第2 章v d s l 系统简介 v d s l 芯片和系统制造厂商及各电信运营商组成了v d s l 技术联盟 比较 活跃的技术联盟有以下3 个 v d s la l l i a n c e v d s lc o a l i t i o n f s a nv d s l w b r k g r o u p 主要成员和推荐方案表2 1 表2 1v d s l 技术的联盟 主要成员推荐方案备注 v d s la i l i a n c e a l c a r e l n e c e r i c s s o n 等多载波d m t 调制 逐步推出商州 芯片 v d s lc o a l i t i o n b r o a d c o m m e t a l i nk j n 6 n e o n 等单载波q a m 凋制 已推出商川芯 片 f s a n e c i f u j i t s u n e c 等 建议i t u 同时采j l 两 v d s l w o r k g r o u p 种稠制方式 未采纳 为规范和推动v d s l 技术在我国的应用和推广 传送网与接入网标准组于 2 0 0 2 年初开始研究制订我国v d s l 的行业标准 此标准的起草由中国电信集团 公司牵头 国内6 个设备制造商和研究机构参与 我国的通信行业标准 接入网 技术要求 甚高速数字用户线 v d s l l 系统 在2 0 0 2 年正式立项 2 0 0 2 年 1 2 月已通过信息产业部科技司的审批 正式发布 此标准在参考相关国际标准的 基础上 从v d s l 技术的应用出发 对v d s l 的频段划分方式 功率谱密度 线路编码 传输性能 设备二层功能 网管要求等重要内容进行了规定 由于电 话铜缆上的频谱是一种重要资源 频段划分方式决定了v d s l 的传送能力 速率 与距离的关系 进而决定v d s l 的业务能力 因此频段划分方式的确定成为 v d s l 标准制订过程中最为重要的内容 此标准中的核心问题线路频谱安排是根 据中国线路的实际情况进行规定而没有采用a n s i 和e t s i 的方案 2 2 参考模型和工作流程 2 2 1 参考模型p v d s l 系统参考模型如图2 1 所示 v d s l 局端设备与用户端设备之间通过普 通电话铜缆进行点对点传输 其中v t u 0 v t u r 分别是位于局端和用户端的 v d s l 收发器 v t u 一0 产生下行信号 v t u r 产生上行信号 物理媒质为普通电 话双绞线 该双绞线实现v t u 一0 和v t u r 之间的连接 网络接口 v 参考点 和 用户接口 t s 参考点 分别在局端和用户端为v d s l 收发器提供物理接口 里旦型兰壁堡兰 茎三 竺堡垡塑苎塑 旦坠墨竺 星塑丝盐皇堕塞 v u j 斯茧 堙 驻j 一 z l r j 接口 v d s l 用户端设备 图2 1v d s l 系统参考模型 目前 v d s l 有两种传送模式 一种是基于a t m 异步传输模式 传送方式的 v d s l 系统 另一种是基于p t m 分组传输模式 传送方式的v d s l 系统 对于第一 种方式的v d s l 系统 局端设备一般通过a t m 接口和a t m 交换机相连 对于第二 种方式的v d s l 系统 或称为基于以太网的v d s l 系统或i p v d s l 局端设备 般 通过e t h e m e t 接口与以太网交换机或路由器相连 话音分离器 高通滤波器h p f 和 低通滤波器l p f 将同一物理媒质上传输的v d s l 和窄带业务 p o t s 或b r i s d n 分离 2 2 2 工作流程 简化图2 1 v d s l 系统的参考模型 我们可以得到如图2 2 的v d s l 系统的 拓扑结构图 图2 2 v d s l 系统的拓扑图 v d s l 系统的j 作流程是i 1 1 1 v d s l 的接入网的左侧连接f t t c 或者是f t t b 光网络 数据经过光纤接口单 元 o n u 输入到v d s l 的局端没备 第2 章v d s l 系统简介 2 v t u o 的输出经过分离器 与电话业务i f o t s 或已有的i s d n 业务混合 形 成双绞线上传输的混合模拟信号 这里 分离器的结构与a d s l 中的分离器类似 也是一个高通和低通滤波器组 可以在频域上区分高频的v d s l 信号和低频的语 音和i s d n 信号 3 与o n u 一端对应 在每个用户端也有一个分离器 线路上的模拟信号进入用 户端的分离器后 电话或i s d n 业务被分离出来 送入电话或i s d n 终端 而高 速的数据业务则送到v d s l 远端设备v t u r 4 v t u r 将模拟信号做解调解码和其他处理后 输出高速的数字信号给用户端 网络设备 包括计算机 机顶盒 和其他设备 如果用户是一个小的局域网络 v t u r 也可以和局域网服务器连接 2 3 传输能力和使用频带 2 3 1 传输能力 v d s l 的传输速率非常高 并且可以根据应用的不同组成对称和非对称两种 方式 非对称方式中 互动视频是最主要的应用 最高下行速率可以达到5 5 m b p s 一部h d t v 质量的影片其压缩以后的码率通常在2 0 m b p s 左右 则5 5 m b p s 的带 宽允许携带2 部h d t v 在对称方式中 最高速率可以达到2 6 m b p s 目前中国 v d s l 接入中主要以这种方式为主 v d s l 的传输速率和传输距离是成反比关系 的 v d s l 速率越高 距离越近 速率越低 距离越远 其对应关系可以从表2 2 中可见口1 1 1 2 表2 2v d s l 系统的速率与距离的关系 下行传输速率距离 1 2 9 6 1 3 8 m b p s 1 5 0 0 m 2 5 9 2 2 7 6m b p s1 0 0 0 m 5 i 8 4 5 5 2m b p s3 0 0 m v d s l 的传输速率虽然很高 但是作用距离远远小于a d s l 这是因为v d s l 使用高频段 而高频的衰减比低频更大 图2 3 给出了两种接入方式与距离的 之间的关系 巾山大学硕士学位沦文 綦于阿m 传送方式的v d s l 系统t p s t c 层的设训与仿真 2 3 2 使用频带 1234 5 距离 m 图2 3v d s l a d s l 速率与距离关系 v d s l 系统采用的频段划分方案 为减少上下行之间的串扰 起始频率为 2 5 k h z 终止频率为1 2 m h z 图2 4 和表2 3 给出了四个i 行和下行的频段 此四 个频段由频率点麾o f g i 龟2 垮3 龟4 和电5 所划分 在2 5 k h z r g o 和龟1 之 间的频段 仅在v d s l 不与b r i s d n 共用环路时使用 该频段的使用是任选的 在系统初始化时协商 确定设备是否提供 及选择该频段用于上行还是用于下行 f g of 9 1f 9 2f 9 3f 9 4f 9 5 图2 4 v d s l 频带划分 表2 3 v d s l 频带划分 f f m h z 频段方案 f g of 9 1f 9 2f 9 3f 9 4f 9 5 m h z 方案10 0 2 50 13 83 7 58 51 2 n a 方案2 n a0 93 7 58 5 1 2n a 注意 1 方案l 适用于v d s l 与a d s l 业务不在同一束线缆的情况 秘 伯 m 第2 章v d s l 系统简介 2 方案2 使用与v d s l 与a d s l 业务在同一束线缆兼容的情况 3 d s 2 f 9 3 f 9 4 为可选频段 2 4 关键技术 除了上面我们讨论的v d s l 系统的核心问题频谱划分 它还有一系列的关键 技术 如传送协议 线路编码格式等 2 4 1v d s l 传送协议1 9 i 1 1 0 f 1 3 常见的传输模式有 异步传输模式 a t m 分组传输模式 p t m 时分复用 传输模式 t d m 同步传输模式 s t m 在国内标准里面 只对基于a t m 和基于 p t m 的v d s l 系统做了相应的规范 基于a t m 传送方式的v d s l 系统的主干网是 a t m 网络 而基于p t m 传送方式的v d s l 系统的主干网是i p 网络 因此在v d s l 层分别与不同的协议层接口 在本文中只对基于p t m 传送方式的v d s l 系统做相 应的研究 在论文的第三章将对基于p t m 传送方式的协议转换层做详细的讨论 2 4 2 线路编码格式 使用q a m 正交幅度调制 或d m t 离散多音调制 线路编码技术 q a m 属于单载波调制方式 d m t 属于多载波编码技术 由于历史继承等原因 采用 d m t 调制技术的厂家 其v d s l 芯片的接e l 基本上都是u t o p i a 接1 3 虫d i k a n o s g l o b e s p a n a l c a t e l 等 而采用q a m 调制技术的厂家 其v d s l 芯片的接e l 为 e t h e m e t 接口 如b r o a d c o m i n f i n e o n m e t a l i n k 等 这主要是因为支持d m t 调制 方式的厂家基本上是在其原有a d s l 技术的基础上将频带拓宽后 演化为v d s l 技术 众所周知 a d s l 技术都是基于a t m 的u t o p i a 接口 采用q a m 调制技术的 厂家则没有这个限制m q a m 技术相对简单 进展较快 芯片已比较成熟 相应的设备在国内外进 行了比较广泛试验和试商用 设备成本也在不断降低 d m t 技术理论上性能更 卜山大学硕 匕学位论文 基于p t m 传送方式的v d s i 系统t p s t c 层的设计与仿真 好 但实现较复杂 功耗较高 目前商用化设备很少 两种技术各有特点 究竟 哪一种会在今后占主导地位 目前尚不够明朗 2 4 3 纠错控制 电话铜线没有屏蔽 容易受到不同的噪声干扰 为了可靠地传输数据 v d s l 中引入了纠错的功能 纠错是由f e c 前向纠错编码 和交织来实现的 前向纠 错是按照一定的规则在数据中插入附加多余的码元 以纠 f 由脉冲噪声引起的突 发错误 附加插入将引起时延 时延时间大约是可校 f 脉冲最大宽度的4 0 倍 在 v d s l 中编码方式采用的是r e e d s o l o m o n 编码 在这里一个重要问题是 f e c 大 约占8 的数据范围 是取自有效容量还是作为附加的带外信号 前者减少了有 效容量但保持正常的传输距离而后者保持了正常的有效容量但传输距离有所减 少 a d s l 的将f e c 置于带外i 5 1 1 6 1 交织则是把顺序的比特位按一定的规律打乱 将集中的突发干扰分散到一大段数据中 然后通过段f e c 来纠错 交织越深 抗 突发干扰的能力越强 但由此引入的传输延迟就越大 2 4 4 信道分离 早期的v d s l 产品可能仅使用f d m 复用上 i 行信道 并把它们从p o t s 和 i s d n 信道分离出来 在传输对称速率的v d s l 换代产品中 可以使用回波抵消技 术 如果使用简单的p o t s 分离器 最低数据信道与p o t s 信道必须保持适当的间 隔 一般地说 上行信道总是位于下行信道的下面 然而 d a v i c 认为也可颠 倒这种分配关系 以便适合于用户区由同轴电缆组成的系统 j z 4 5 上行复用 为复接多个用户c p e 设备 必须采用某种复用技术 并保证用户的业务质量 在用户侧提供复用的情况下 称为主动方式 多个c p e 设备接入类似于一个集线 器的设备 由集线器负责复用 解复用 在被动方式下 光网络单元 o n u 负责 第2 章v d s l 系统简介 解决复用 方法可以是频分或时分 频分方式分配不同的频段给各个c p e 在时 分情况下 每个c p e 贝i j 分配得到不同的时隙 二者都存在一些问题 时分方式有 浪费时隙的可能性 而频分方式则有两种可能性 一是o n u 给每个c p e 分配的带 宽有可能过低 二是每个c p e 有可能发送过多的数据而降低整体性能 i i 2 5i p v d s l 的传输协议模型 从 s o 七层网络模型来看 v d s l 是属于物理层和数据链路层的传输协议部 分 与其上层协议无关 我们可以将其模型化为图2 5 的结构 2 此图是基于以 太网封包的v d s l 技术模型 即i f v d s l 技术模型 以下行为例 以太网数据包 由以太网的物理层和m a c 接收 去掉以太网头部 将净荷送到转发层p t m p t m 确定特定的路径后送给v d s l 的传输协议相关t c 层 经过h d l c 协议打包后送给 v d s l 的p m s t c 层进行帧处理 然后送到p m d 层完成编码和调制 产生的模拟 信号通过晟下层的物理链路 双绞线 传输 接收端p m d 层收到数据后 进行相 应的解码和解调 得到的数据帧送给p m s t c 层 p m s t c 层进行解帧处理 最 后得到的h d l c 帧

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