接入网技术 (1).ppt

第二章铜线接入技术 2 1高比特率数字用户线 HDSL 接入技术2 2第二代高比特率数字用户线 HDSL2 接入技术2 3不对称数字用户线 ADSL 接入技术2 4甚高速数字用户线 VDSL 接入技术 2 1 1HDSL系统的基本构成HDSL技术是一种基于现有铜线的技术 它采用了先进的数字信号自适应均衡技术和回波抵消技术 以消除传输线路中近端串音 脉冲噪声和波形噪声以及因线路阻抗不匹配而产生的回波对信号的干扰 从而能够在现有的电话双绞铜线 两对或三对 上提供准同步数字序列 PDH 一次群速率 T1或E1 的全双工数字连接 2 1高比特率数字用户线 HDSL 接入技术 HDSL系统由很多功能块组成 一个完整的系统参考配置如图2 2所示 图2 2HDSL系统的参考配置 2 1 2HDSL帧结构HDSL既适合T1 又适合E1 这是因为T1和E1使用同样的HDSL帧结构 HDSL的帧结构如图2 4所示 图2 4HDSL帧结构 2 1 3HDSL关键技术一 线路编码终端设备产生的数字信号通常是单极性不归零 NRZ 的二进制信码 这种信号一般不适于在二线用户环路上直接传送 1 HDB3码三阶高密度双极性 HighDensityBilateralcodewith3level HDB3 码 是AMI码的改进型 2 2B1Q码2B1Q码是无冗余度的4电平脉冲幅度调制 PulseAmplitudeModulation PAM 码 属于基带型传输码 在 个码元符号内传送2bit信息 3 CAP码CAP码是一种有冗余的无载波幅度相位调制码 目前的CAP码系统可分为二维八状态码和四维十六状态码两种 二 回波抵消回波抵消技术已经成功地应用在线对增容系统中 它实现了在一对双绞线上进行ISDNBRA双工传输 三 码间干扰与均衡由于用户线路的传输带宽限制和传输特性较差 会使接收信号发生波形失真 四 性能损伤影响HDSL系统性能的主要因素有两个 一是HDSL系统内部两对双绞线之间产生的近端串话 它将随线路频率的增高而增大 二是邻近线对上的PSTN信令产生的脉冲噪声 这种噪声有时较大 甚至会使耦合变压器出现饱和失真 从而产生非线性效应 五 传输标准关于HDSL系统的传输标准 目前主要有两种不同规定 一种是美国国家标准学会 AmericanNationalStandardInstitute ANSI 制定的 另一种是欧洲电信标准学会 ETSI 制定的 ETSI标准规定了两种版本的HDSL系统标准 一种是使用三线对传输E1 每线对传输速率为784kbit s 另一种是使用两线对传输E1 每线对传输速率为1168kbit s 评价HDSL系统性能质量的主要指标如下 1 比特差错率 BitErrorRatio BER 2 允许的传输距离 3 不出现误码条件下 系统能承受的线路劣化程度 2 1 4HDSL的应用特点HDSL技术能在两对双绞铜线上透明地传输E1信号达3 5km 鉴于我国大中城市用户线平均长度为3 4km左右 因此 在接入网中可广泛地基于铜缆技术的HDSL应用 HDSL系统可以认为是铜线接入业务 包括话音 数据及图像 的一个通用平台 HDSL技术的一个重要发展是延长其传输距离和提高传输速率 2 1 5HDSL的局限性 2 2第二代高比特率数字用户线 HDSL2 接入技术 2 2 1HDSL2的设计目标HDSL2的主要设计目标如下 1 一对线上实现两线对HDSL的传输速率 2 获得与两线对HDSL相等的传输距离 3 对环路损坏 衰减 桥接头及串音等 的容忍能力不能低于HDSL 4 对现有业务造成的损害不能超过两线对HDSL 5 能够在实际环路上可靠地运行 6 价格要比传统HDSL低 2 2 2HDSL2的线路编码关于HDSL2的许多争论都是集中于HDSL2线路码的选择上 如果用于E1速率 脉冲幅度调制 PulseAmplitudeModulation PAM 线路码 例如2B1Q 需要三对线 并且不要通带滤波器 无载波幅度相位调制 CAP 码与PAM码 2B1Q 是被选择的两种码型 2 2 3HDSL2中的FDM和回波抵消有一些系统只是简单地把HDSL系统中2B1Q收发器的波特率加倍 这种方案不能完全满足标准规定的传输距离 性能和频谱兼容性要求 回波抵消在频分复用 Frequency DivsionMultiplexing FDM 上更有效 这是一个技术难题 上行流和下行流信号使用不同的频段将会简单一些 这就是HDSL2中采用频分复用 FDM 技术 它消除了自串扰的问题 但要求使用通带滤波器去除有用频段之外的信号 注意 CAP很容易适应这两种环境 PAM需要 优化 以便在通带环境下工作 这就如在FDM下工作一样 尽管HDSL的价格和性能都可以用HDSL2单线对系统达到 但是这并不意味着HDSL会完全淘汰 2 3不对称数字用户线 ADSL 接入技术 2 3 1ADSL的提出不对称数字用户线 AsymmetricDigitalSubscriberLine ADSL 是一种利用现有的传统电话线路高速传输数字信息的技术 ADSL技术是由Bellcore的JoeLechleder于20世纪80年代末首先提出的 与传统传输技术相比 ADSL是一种宽带调制解调器技术 ADSL也可以在相同的线路上同时容纳模拟的语音信息 用户在上网时仍然可以使用电话 2 3 2ADSL的技术特点严格说来 ADSL本身只是一种从铜质电话线路的一端传送数据位流到另一端的技术而己 相当于OSI网络七层的第一层物理层 ADSL系统的主要特点是 不对称 这正好与接入网中图像业务和数据业务的固有不对称性相适应 ADSL技术的主要优点如下 1 可以充分利用现有铜线网路 只要在用户线路两端加装ADSL设备即可为用户提供服务 2 ADSL设备随用随装 无需进行严格业务预测和网路规划 施工简单 时间短 系统初期投资小 3 ADSL设备拆装容易 灵活 方便用户转移 较适合流动性强的家庭用户 4 充分利用双绞线上的带宽 ADSL将一般电话线路上未用到的频谱容量 以先进的调制技术 产生更大 更快的数字通路 提供高速远程接收或发送信息 5 双绞铜线可同时供普通电话业务 PlainOldTelephoneService POTS 的声音和ADSL数字线路使用 因此 在一条ADSL线路上可以同时提供个人计算机 电视和电话频道 要在铜线用户网路中广泛地应用ADSL系统 需要克服一系列技术难题 其中主要有如下几点 1 技术待进一步成熟线路性能要求高 最大程度必须保持在规定的极限范围之内以符合对衰减的要求 阻抗要均匀 使电话机及网络有良好的信号匹配 每条导线与地之间必须相互保持高度平衡 以防止外部干扰 噪声及导线之间的串音 2 设备成本高与模拟电视不兼容 现有模拟电视机需要通过机顶盒进行数 模转换 3 接收机灵敏度由于用户环路末端信号损耗很大 因此 ADSL系统必须首先解决接收机灵敏度问题 4 频谱兼容性为了使ADSL系统可以和其他系统同时应用 发送频谱必须慎重设计 否则 需要在铜缆服务范围内 限制一起布放Tl E1系统和HDSL系统与ADSL系统 5 住宅中的噪声环境用户住宅的噪声环境可能是ADSL系统广泛应用所面临的最大问题 这些噪声包括电话网中常见的脉冲噪声 以及住宅中其他形式的噪声 如无线电波耦合到住宅引入线中所产生的各种干扰 6 容量小只能传4个电视节目 且不能用于遥控电视机和有画中画功能的电视机 节目质量差 2 3 3ADSL的系统结构一 系统构成ADSL系统构成如图2 9所示 它是在一对普通铜线两端 各加装一台ADSL局端设备和远端设备而构成 图2 9ADSL系统结构 ADSL系统的核心是ADSL收发信机 即局端机和远端机 其原理框图如图2 10所示 图2 10ADSL收发信机原理框图 二 传输带宽ADSL基本上是运用频分复用 FDM 或是回波抵消 EC 技术 将ADSL信号分割为多重信道 简单地说 一条ADSL线路 一条ADSL物理信道 可以分割为多条逻辑信道 美国国家标准学会 ANSI TI 413 1998规定 ADSL的下行 载 速度须支持32kbit s的倍数 从32kbit s 6 144Mbit s 上行 传 速度须支持16kbit s以及32kbit s的倍数 从32kbit s 640kbit s ADSL系统用于图像传输可以有多种选择 如l 4个1 536Mbit s通路或1 2个3 072Mbit s通路或1个6 144Mbit s通路以及混合方式 另外 互联网络以及相配合的局域网也可改变这种接入网的结构 2 3 4ADSL的技术基础一 ADSL系统模型和性能1 ADSL系统参考模型如图2 12所示为ADSL系统参考模型 图中显示了ADSL各元素的基本关系及重要元素间的标准接口 在这些接口中 每个功能组的定义是设备提供商提供的设备的各种功能集合 其中有必要的选项或增强的功能 图2 12ADSL系统参考模型 2 ADSL的几个重要特征首先是 规定要支持模拟话音服务 指定服务或POTS 一种特殊的分离器将从交换机到其他部分的4kHz的模拟通道送到ADSL链路的数字带宽下 其次是 考虑ADSL所能提供的服务种类 包括数字广播和宽带业务 如视频和Internet接入 以及网络管理 3 影响ADSL性能的因素影响ADSL系统性能的因素主要有以下几点 1 衰耗衰耗是指在传输系统中 发射端发出的信号经过一定距离的传输后 其信号强度都会减弱 2 反射干扰桥接抽头是一种伸向某处的短线 非终接的抽头发射能量 降低信号的强度 并成为一个噪声源 3 串音干扰由于电容和电感的耦合 处于同一主干电缆中的双绞线发送器的发送信号可能会串入其他发送端或接收器 造成串音 4 噪声干扰传输线路可能受到若干形式噪声干扰的影响 为达到有效数据传输 应确保接收信号的强度 动态范围 信噪比在可接受的范围之内 二 ADSL的调制技术ADSL调制解调器利用数字信号处理器技术将大量的数据压缩到双绞铜质电话线上 再运用转换器 分频器 模 数转换器等组件来进行处理 ADSL拥有极高的带宽 其信号衰减又极小 在最远约5 5km的距离内 每1Mbit s可以低于90dB 1 调制解调器的基本模型 1 加扰及解扰多数DSL在发送端及接收端都有加扰以及解扰功能 2 FEC编译码FEC 前向纠错控制 是一种极重要的差错控制技术 它比CRC CyclicalRedundancyCheck 循环冗余检查 更重要也更复杂 3 交错 Interleaving DSL在数据传输中常会发生一长串的错误 FEC较难实施对这种长串错误的校正 4 整形 shaping 整波就是维持传输数据适当的输出波形 5 补偿 equalizing 当通信系统在接近理论阈值运行时 通常在其发送端及接收端都会采用补偿器 以获得最佳传输 2 QAM调制技术正交波幅调制 QuadratureAmplitudeModulation QAM 是一种对无线 有线或光纤传输链路上的数字信息进行编码 并结合振幅和相位两种调制方法的非专用的调制方式 QAM使用带有相同频率成份的一条正弦和一条余弦波来传递信息 3 CAP调制技术无载波幅度相位调制 CarrierlessAmplitude PhaseModulation CAP 技术是以QAM调制技术为基础发展而来的 可以说它是QAM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 2m个不同的复数符号An an jbn 由k个不同的复数符号构成k CAP线路编码 4 DMT调制技术DMT DiscreteMultiTone 离散多音频 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QAM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 DMT调制技术的实现过程是 首先将频带0 1 104MHz分割为256个由频率指示的正交子信道 每个子信道占用4kHz带宽 输入信号经过比特分配和缓存 将输入数据划分为比特块 经格栅编码调制 TCM 后 再进行512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256个QAM子字符 随后对每个比特块加上循环前缀 用于消除码间干扰 经数 模变换 D A 和发送滤波器将信号送入信道 在接收端则按相反的次序进行接收解码 传输线路上高频衰减远大于低频衰减 相差约可达10dB 此外 无线电广播等电磁波也会对信号造成窄频噪声 DMT调制技术提供了子信道传输速率自适应和动态调整的理论 但还要通过具体的方法实现 ADSL设备主要是通过初始化过程中的收发器训练 子信道分析和运行中的功率调整来实现的 其具体过程如下 在ADSL系统加电后 为了优化通信链路的传输容量和可靠性 ADSL收发器先要在各个子信道发送一些训练信息 进行收发器的训练 收发器根据接收到的信号对传输通道进行分析 包括信道的衰减 信噪比和数据比特数 确定适合该信道的传输和处理参数 包括平均环路衰减估值 选定速率的性能容限 每个子载波支持的比特数量 发送功率电平及净汉傻拇 渌俾实龋辉诠 鞴 讨校DMT系统具有在不中断业务情况下 对业务性能监控的功能 对异常的事件 故障和误码可进行监测 对相对衰减大和信噪比低于容限要求的子信道 可增加信号功率 对信噪比较高的 可减小信号功率 功率调整幅度范围为3dB DMT具有以下优点 1 带宽利用率更高 2 可实现动态带宽分配 3 抗窄带噪声能力强 4 抗脉冲噪声能力强 三 ADSL的传输方式1 下行方向传输任何承载通道可编程为传输32kbit s的字节流 不是32kbit s倍数的余数 则并入帧的附加信息区中 ADSL规范指定了4种下行单工承载通道 ASO AS3 的传输级别 它们是1 536Mbit s T1速率 的简单倍数 分别是1 536Mbit s 3 702Mbit s 4 608Mbit s和6 144Mbit s 传输级别1是必要的 常用于最短的回路上 所以可提供最快的速度 传输级别2是可选择的 传输速率为4 608Mbit s 传输级别3也是可选择的 其速率为3 072Mbit s 传输级别4是必要的 常用于最长的环路上传输 所以只能支持最低的l 536Mbit s的速度 而且只能在AS0次信道上运行 2 上行方向传输ADSL系统最多可同时支持3个双工承载信道 即LS0 LS2 其中 LS0固定作为以1 536Mbit s为基数 或以2 048Mbit s为基数 的传输等级的控制信道 ATM则使用LS2作为控制信道 除了C通道 ADSL系统可以有两个可选的双向承载信道 一个是160kbit s的LS1 另一个是384kbit s或576kbit s的LS2 ANSITI 413 1998标准中规定 ADSL的ATM上行方向之数据传输必须支持单等待时间模式 也就是说 只能选择快速或者交错路径中的一种进行传输 并且只能使用LS0次信道 若使用双等待时间模式 同时使用快速及交错路径 则必须使用LS0及LS1次信道进行上行方向的传输 并分别配置这两个次信道供不同路径使用 如果双向信道用来支持ATM信元的传输 则只使用LS2次信道 其速率为448kbit s或672kbit s 四个传输等级的C信道速率均为64kbit s ADSL接入技术最早的规划是要应用在以视频方面为主的服务上 所以有最低带宽 也就是第4级传输的1 536Mbit s的规定 这个规定也在ANSITI 413 1995 Issue1 的标准里面 四 ADSL帧结构1 ADSL超帧结构现代的协议功能都是分层的 ADSL也不例外 在协议的最低层 是以DMT或者CAP的线路码的形式出现的比特 第一部分是快速数据缓冲区内容 fastdatabuffercontents 快速数据被认为是对时延敏感而容错性较好的 例如音频和视频 数据 ADSL将尽可能地减小其时延 ADSL的快速数据缓冲区内容就放在此处 在它前面有一个特殊的八位码组 快速字节 也称之为快速数据比特 需要时它可以携带循环校验码 CRC 和指示比特 快速数据利用FEC进行纠错 第二部分是交错数据缓冲区内容 interleaveddatabuffercontents 交错数据被封装成尽量没有噪声的数据 但这样做付出的是处理速度和时延增加的代价 交错数据比特使得数据不容易受噪音的影响 其主要用于纯数据应用 如高速的Internet接入 ADSL的发送端及接收端都各有两条相关联的路径 其中一条称为快速路径 另一条称为交错路径 ADSL超帧中的帧并没有绝对长度 这是因为ADSL线路的速率以及其非对称特性 使得帧本身的长度会随着变化 正如前面曾提过 ADSL是以每246 s的周期送出一个帧 其中快速数据及交错数据各占123 s 也就是说 ADSL最大的帧长度是由最高的信道速率所决定的 2 ADSL的帧头ADSL是使用帧头来同步承载通道的 有了ADSL帧头 链路两端的设备才能知道链路是如何配置 AS和LS 的 它们的速率是多少 以及如何在ADSL帧流中对其进行定位 1 快速数据帧从图2 23中看出 快速数据帧中包括了若干个附加信息字节 下行方向为快速字节 Fastbyte AEX字节和LEX字节 其中快速字节就是快速数据帧的帧头 图2 23下行方向ADSL的快速数据结构 图2 25显示了4个主要的帧头功能 帧0和帧1中有错误检验 crc 和用于OAM的指示比特 ib 帧34和帧35中是用于其他OAM功能的比特 其他帧携带配置比特 eoc 和同步控制比特 sc 以决定承载信道的结构等等 图2 25快速字节结构 2 交错数据帧ADSL交错数据帧的结构图如图2 26和图2 27所示 交错路径上的ADSL交错帧为mux数据帧 图2 26下行方向ADSL的交错数据结构图2 27上行方向ADSL的交错数据结构 同步字节视其所存在的帧号的不同 有四种不同的作用 这四种作用与快速字节稍有不同 携带超帧中交错路径部分的CRC检查资料 当没有载体次信道使用交错路径时 同步字节携带aoc信道 当交错路径的LEX字节用来携带一个字节的ADSL附加信息信道 ADSLoverheadchannel aoc 数据时 同步字节会送出信号 携带同步控制信息以便在需要时将字节填入或删除来提供同步作用 2 3 5ADSL的分布模型及其应用一 分布模型分布模型决定了ADSL帧内比特传送时采用哪种形式 ADSL的分布模型有四种 比特同步模式 分组适应模式 端到端分组模式和ATM模式 1 比特同步模式ADSL最简单的分布模型称为比特同步模式 如图2 28 a 所示 它的基本含义是指链路的远端 ATU R 缓冲区内的任何比特 快速数据或交错数据 会在局端 ATU C 的缓冲区内弹出 2 分组适应模式第二种分布模式是分组适应模式 如图2 28 b 所示 这种模式只是改变了用户的预设 与比特同步模式主要的不同是 虽然在信道上数据仍然以比特流的模式在TDM信道中传送 但用户预设的设备 分组适配器 要收发分组而不是比特流 3 端到端分组模式第三种分布模式是端到端分组模式 如图2 28 c 所示 它与分组适应模式相似 端到端分组模式与分组适应模式主要不同是 端到端分组是被复用到ADSL链路上的 4 异步转移模式第四种分布模式是异步转移模式 ATM 或者也可以说 是端到端ATM模式 如图2 28 d 所示 二 基本应用1 ADSLforTCP IP适应模式ADSL分组允许以分组分布模式通过填充ADSL的帧和超帧进行传送 ADSL最初的运用是让长时间等待的Internet和Web用户从PSTN转向它们自己的分组网 这个分组网有可能是基于IP的 2 ADSLforTCP IP端到端模式ADSL论坛为ATM和TCP IP协议部分定义了ADSL网络的TCP IP适应模式 如果信息只是在ATM网络和服务器上可用 有了适应模式就会允许预设的TCP IP去获取此信息 2 4甚高速数字用户线 VDSL 接入技术 鉴于现有ADSL技术在提供图像业务方面的带宽十分有限以及其成本偏高的缺点 人们又开发出了一种称为甚高速数字用户线 VeryhighspeedDigitalSubscriberLine VDSL 的系统 2 4 1VDSL系统构成一 VDSL系统结构VDSL的系统结构如图2 31所示 使用VDSL系统 普通模拟电话线仍不需改动 上半部 图像信号由局端的局用数字终端图像接口经馈线光纤送给远端 速率可以为STM 4 622Mbit s 或更高 图2 31VDSL系统结构 VDSL收发机通常采用离散多音频 DMT 调制 也可采用CAP调制 它具有很大的灵活性和优良的高频传送性能 虽然 ADSL可满足在双绞线上以高达8Mbit s的速率传送数据的需求 二 VDSL的体系结构VDSL计划用于光纤用户环路 FTTL 和光纤到路边 FTTC 网络的 最后一公里 的链接 FTTL和FTTC网络需要有远离中心局 CentralOffice CO 的小型接入节点 这些节点需要有高速宽带光纤传输 通常一个节点就在靠近住宅区的路边 为10 50户提供服务 这样 从节点到用户的环路长度就比以CO到用户的环路短 VDSL不仅仅是为了Internet的接入 它还将为ATM或B ISDN业务的普及而发展 2 4 2VDSL的相关技术一 传输模式VDSL的设计目标是进一步利用现有的光纤满足居民对宽带业务的需求 ATM将作为多种宽带业务的统一传输方式 除了ATM外 实现VDSL还有其他的几种方式 VDSL标准中以铜线 光纤为线路方式定义了5种主要的传输模式 如图2 33所示 在这些传输模式中大部分的结构类似于ADSL 图2 33VDSL传输模式 1 STM模式同步转移模式 SynchronousTransportModule STM 是最简单的一种传输方式 也称STM为时分复用 TDM 不同设备和业务的比特流在传输过程中被分配固定的带宽 2 分组模式在这种模式中 不同业务和设备间的比特流被分成不同长度 不同地址的分组包进行传输 所有的分组包在相同的 信道 上 以最大的带宽传输 3 ATM模式ATM在VDSL网络中可以有3种形式 第一种是ATM端到端模式 它与分组包类似 每个ATM信元都带有自身的地址 并通过非固定的线路传输 不同的是ATM信元长度比分组包小 且有固定的长度 第二 三种分别是ATM与STM和ATM与分组模式的混合使用 这两种形式从逻辑上讲是VDSL在ATM设备间形成了一个端到端的传输通道 二 传输速率与距离由于将光纤直接与用户相连的造价太高 因此光纤到户 FTTH 和光纤到大楼 FTTB 受到很多的争议 三 其他技术VDSL所用的技术在很大程度上与ADSL相类似 不同的是 ADSL必须面对更大的动态范围要求 而VDSL相对要简单得多 VDSL开销和功耗都比ADSL小 用户方VDSL单元需要完成物理层媒质访问 接入 控制及上行数据复用功能 在VDSL系统中经常使用的线路码技术主要有以下几种 1 无载波调幅 调相技术 CarrierlessAmplitude Phasemodulation CAP 2 离散多音频技术 DiscreteMultiTone DMT 3 离散小波多音频技术 DiscreteWaveletMultiTone DWMT 4 简单线路码 SimpleLineCode SLC 这是一种4电平基带信号 经基带滤波后送给接收端 VDSL下行信道能够传输压缩的视频信号 压缩的视频信号要求有低时延和时延稳定的实时信号 这样的信号不适合用一般数据通信中的差错重发算法 VDSL下行数据有许多分配方法 最简单的方法是将数据直接广播给下行方向上的每一个用户设备 CPE 或者发送到集线器 由集线器把数据进行分路 并根据信元上的地址或直接利用信号流本身的时分复用将不同的信息分开 2 4 3VDSL存在的问题 1 不能确定VDSL能可靠地传输数据的最大距离 2 业务环境问题虽然上行和下行数据速率还没有完全确定下来 但是完全有理由相信未来的VDSL将使用ATM信元格式来载送视频及不对称数据信息 3 用户设备分配及电话网络与用户设备之间的接口从开销上考虑 可以使用无源网络接口器件 用户的VDSL单元可以置于用户网络设备中 上行复用的处理可以按照局域网总线接入方式进行 4 开销也是一个不能忽略的因素与ADSL相比 VDSL是直接与本地交换相连接的 所以VDSL的开销比ADSL小得多 1 串音问题VDSL在较短的应用范围可能产生以下几种串音 图2 35和图2 36表示了VDSL技术在两种应用配置中的串音情况 其中 NEXT代表近端串音 FEXT代表远端串音 在用户端终止的VDSL端点调制解调器称为VTU R 图2 35VDSL及其他xDSL技术在CO中混合的串音说明图 图2 36VDSL及其他xDSL技术在用户单元 CP 中混合的串音说