ADSL宽带接入技术及应用

2006-05-07 15:50:11来源: 电子技术应用

接入技术的特点和系统基本组成、对目前ADSL的单载波线路编码调制和多载波线路编码调制的两类线路编码与调制技术进行了深入比较,对ADSL传输技术的新趋势ADSL G.Lite进行了探讨,详细阐述了ADSL接入网络中Packet和ATM两种数据传输模式的特点。

随着信息技术的发展,特别是Internet的商业应用和多媒体服务诸方面的迅速发展,用户对信息传输速率提出了越来越高的要求。要改善目前上网速率慢的情况,除了增加骨干网的带宽、路由器速度和服务器的处理能力外,更主要的在于如何提高用户接入网的传输速率。为了实现用户接入的数字化、宽带化,提高用户上网速度,光纤到户(FTTH)是今后发展的必然方向。但由于光纤用户网的成本过高,要实现光纤到户还需要很长的时间。而且目前全世界已经有超过7亿条固定铜线在使用,所以目前应该首先考虑如何利用已经铺设好的铜线来传送高速数据。在今后十几年甚至几十年内大多数用户网仍将继续使用现有的铜线环路。近年来人们提出了多项过渡性的宽带接入网技术,其中ADSL(非对称数字用户环路)是最具前景与竞争力的一种,在未来十几年甚至几十年内将占主导地位。

目前,ADSL的热潮席卷世界各地,Intel、Compaq、Siemens、CISCO、3COM、Alcatel等公司均致力于发展ADSL技术,相继推出了ADSL产品,全球许多电信厂商和ISP也纷纷推广各自的ADSL服务,北美、新加坡等率先将ADSL正式投入营业,日本、韩国及中国台湾地区等已进入试验阶段,中国电信在北京、上海、广东、福建等地已进行相关的网络测试并开始试验性推广,深圳已进入了实用阶段。

1 ADSL的主要特点

DSL(Digital Subscriber Line)是以铜质电话线为传输介质的传输技术组合,它包括HDSL、SDSL、VDSL、ADSL和RADSL等,一般称之为xDSL。其主要差别表现在信号传输速度、距离、上行速率、下行速率、对称性几个方面。

HDSL与SDSL支持对称的T1/E1(1.544Mbps/20.48Mbps)传输。其中HDSL的有效传输距离为3~4公里,且需要两至四对铜质双绞电话线;SDSL最大有效传输距离为3公里,只需一对铜线。比较而言,对称DSL更适用于企业点对点连接应用,如文件传输、视频会议等收发数据量大致相应的工作。同非对称DSL相比,对称DSL的市场要小得多。

VDSL、ADSL和RADSL属于非对称式传输。其中VDSL技术是xDSL技术中最快的一种,在一对铜质双绞电话线上,上行数据的速率可达13~52Mbps,下行数据的速率为1.5~2.3Mbps,但是VDSL的传输距离只在几百米以内,VDSL可以成为光纤到户的具有高性价比的替代方案。ADSL技术是1989年由Bellcore提出的一种新兴的标准化调制解调传输技术,该技术可以在普通电话线上将现有电话线路的频宽经由调制解调技术处理后扩大,ADSL将高速数字信号安排在普通电话频段的高频侧,再用滤波器滤除如环路不连续点和震铃引起的瞬态干扰后即可与传统电话信号在同一对双绞线共存而不互相影响;ANSIT1.143标准规定ADSL在传输距离为9000~12000英尺时,下行速率为8Mbps,上行速率为1.5Mbps;在传输距离为15000~18000英尺时,数据速率降为下行1.5Mbps和上行64kbps。从ADSL的传输速率和传输距离上看,ADSL都能够较好地满足目前用户接入Internet的要求;而且ADSL这种不对称的传输技术符合Internet业务下行数据量大,上行数据量小的特点。RADSL能够提供的速度范围与ADSL基本相同,但它可以根据双绞铜线质量的优劣和传输距离的远近动态地调整用户的访问速度。正是RADSL的这些特点使RADSL成为用于网上高速冲浪、视频点播、远程局域网络访问的理想技术,因为在这些应用中用户下载的信息往往比上载的信息要多得多。

2 ADSL与其它接入技术的比较

ADSL接入服务具有独特的技术优势和较高的性能价格比,它无需另铺电缆,节省投资;渗入能力强,接入快,适合于集中与分散的用户;能为用户提供上、下行不对称的传输带宽;采用点一点的拓扑结构,用户可独享高带宽;可广泛用于视频业务及高速INTERNET等数据的接入。

2.1 ADSL与Cable Modem的比较

ADSL技术不同于电缆调制解调器,它不被众多用户所共享,因此其速率和容量不会像电缆调制解调器那样受用户数量多少的影响。Cable Modem的HFC接入方案采用分层树型结构,其优势是带宽比较高(10M),但这种技术本身是一个较粗糙的总线型网络,这就意味着用户要和邻近用户分离有限的带宽,当一条线路上用户激增时,其速率将减慢。有关资料表明,大部分情况下,HFC方案必需兼顾现有的有线电视节目,因而占用了部分带宽,有部分带宽可供传送其它数据信号,所以只能达到Cable Modem的理论传输速率的一小半。大量实验表明,其速度减为1M~2Mbps,更常见的是400K~500Kbps。综合来看,即使在理想状态下,HFC只相当于一个10Mbps的共享式总线型以太网,而ADSL接入方案在网络拓扑结构上较为先进,因为每个用户都有单独的一条线路与ADSL局端相连,它的结构可以看作是星型结构,它的数据传输带宽是由每一用户独享的。

2.2 ADSL与普通拨号Modem及N-ISDN的比较

普通拨号Modem的最高速率是56K,N-ISDN的速率为128K,显然ADSL的速率优热是不言而喻的。ADSL可将现有的铜电话线(亦称“铜双绞线”)转化成多媒体宽带分布系统。它在同一铜线上分别传送数据和语音信号,数据信号不通过电话交换机设备,减轻了电话交换机的负载,它无需像普通的模拟调制解调器那样拨号,永远处于“在线”状态,很难出现掉线的情况,用户在享受高传输速率的同时,还可使用电话服务。另外,利用ADSL,多人通过局域网上网且不易拥挤。一个公司甚至一个住宅小区的局域网通过ADSL上网,冲浪的速度仍能保持较高状态。

3 ADSL的应用前景

ADSL作为一种高速接入技术具有很强的生命力,目前世界上许多电信公司对ADSL传输系统进行了成功开发,欧洲和北美已开始规模应用。一般认为,ADSL可以在以下诸多方面将得到广泛应用。

高速数据接入。用户可以通过ADSL宽带接入方式快速地浏览各种互连网上的信息,进行网上交谈、游戏、动画和收发电子邮件,获得所需要的信息。深圳已提供ADSL高速宽带接入Internet服务,ADSL用户访问相应的站点即可享受多种宽带多媒体服务。

视频点播。基于非对称性传输技术的ADSL特别适合用户对音乐、影视和交互式游戏的点播,用户可以根据自己的需要,任意地对上述业务进行随意控制,而不必象有线电视节目一样受控于电视台。如深圳视聆通宽带网站与广州视聆通宽带网站上的视频点播VOD、音乐厅、网上剧场等;并可提供网上游戏、交互电视和网上购物等宽带多媒体服务。

网络互连业务。ADSL宽带接入方式可以接不同地点的企业网或局域网连接起来,避免了企业分散所带来的麻烦,同时又不影响各用户对互连网的浏览。

家庭办公。通信技术的飞跃发展已经越来越影响着人们的生活与工作方式,一些企业的工作人员因为某种原因需要在家里履行自己的工作职责,通过高速的接入方式从自己企业信息库中提取所需要的信息甚至而对面地和同事进行交谈,完成自己的工作任务。

远程教学、远程医疗等。随着ADSL技术的进一步推广应用,ADSL接入服务还将可以提供点对点的远程医疗,远程教学等服务。通过宽带的接入方式,教育和医疗资源的全社会共享将成为大势所趋。

4 ADSL接入技术原理

ADSL的接入模型主要有中央交换局端模块和远端模块组成,其接入系统如图1所示。ADSL接入系统采用市话双绞线路作为传输媒质,能同时支持数据和话音业务,因此接入系统的基本结构由局端数据复用设备DSLAM(DSL Acess Multiplexer)、局端话音数据分离器(Splitter)、本地市话线路、用户端话音数据分离器和用户端数据设备RTU(Remote Terminal Unit)组成。

一般将多个ADSL局端收发模块ATU-C(ADSL Transmission Unit-Central)集成在DSLAM设备中的一线线路卡内,来自不同线路卡的用户数据流量经DSLAM复用后形成上行数据链路,并由DSLAM来提供所需的网络数据接口。每个ATU-C对应的局端Splitter通常也可集成在DSLAM设备中,再由局端集成的Splitter组提供一个通向话音交换机的市话电缆接口。一般用户端话音数据分离器为一单独分立设备,由它提供面向用户室内话机和RTU设备的线路接口。用户端Splitter一般安装在市话线路中入户线的进门处以避免用户室内并机分支线路对ADSL高频数据传输通路造成的影响。ADSL用户端收发模块ATU-R(ADSL Transmission Unit-Remote)包含在用户端数据设备RTU内,并由RTU最终向用户提供通用的用户数据接口。

ADSL接入系统中,原有的模拟话音双工通路通过局端和用户端Splitter来维持。话音数据分离器由高频滤波器和低频滤波器组成,它将ADSL线路模拟频带划分为高频段和低频段,其中高频段用于数字载波调制的数据传输通路,低频段用于话音通路。ADSL接入系统中上行和下行数据通路的建立则通过ATU-C和ATU-R的初始化同步过程来完成。

ADSL设备既可以直接接入系统中的局端设备DSLAM,又可以是用户端设备RTU。目前ADSL设备在线路接口上采用的调制技术主要有QAM、CAP和DMT方式;而在数据接口上采用的传送模式则主要有以太包和ATM信元等方式。但是不管这些设备的在向线路接口或数据接口的具体实现方式如何,它们在面向线路接口的物理媒质相关模块中均应具备线路编码、传输同步过程初始化、话音和数据通道的分离、线路传输同步过程初始化、话音和数据通道的分离、线路传输信号的加解扰码以及数字传输通道的嵌入操作控制等功能;而在面向数据接口的传输汇聚模块则应具备数字信道的复用及解复用、数字传输信号的前向纠错、线路传输帧格式的实现、面向高层(如ATM链路局或IP网络层)的协议处理和网元设备管理等功能。

5 ADSL线路编码与调制技术

ADSL传输系统中使用的线路编码和调制技术主要有两种相互竞争、互不兼容的ADSL调制编码技术,每种线路编码和调制技术都有其各自的代表产品。一种是被美国国家标准ANSI T1.413、欧洲电话标准ESIETR 328以及ITU G.992采用的离散多音频(DMT)线路编码技术。另一种是市场上广泛使用的无载波调幅/调相(CAP)技术。CAP类似于QAM,QAM与CAP线路编码均属于单载波线路调制技术。CAP由QAM编码技术发展而来,其调制效率或频带利用率也与QAM相同。QAM是两个正交的载波经调制后相加。而CAP的正交化是将数字信号通过两个相同幅频特性但有k/2相差的横向带通数字滤波器来完成。滤波器的输出相加后经过D/A转换进行传输。接收端采用“软判决”技术对信号进行解调,再用判决前债均衡器对电缆芯径变化和桥接抽头进行适配。CAP采用二维线性码,并结构格码以减少近端串音。

DMT线路编码属于正交频分复用方式的多载波线路调制技术。DMT首先对数字信号进行IFFT变换,相当于把信号调制到多个正交载波上,接受端对其进行FFT变换即可接受原信号。ANSI T1.413为ADSL传输系统定义了256个载波,每个载占用4.3125kHz的线路模拟频带,并且每个载波均使用QAM线路编码。因此在理想情况下,QAM、CAP和DMT三种线路编码的调制效率是相同的。DMT线路编码的每个载波通常补称为一个Tone,ADSL上行传输通道可征用几十个Tone,而下行传输通道则可征用两百多个Tone。从理论上看,每个Tone的传输设计能力应该相当甚至大于一个V.34话音Modem的数据传输能力。此外为了更好地抑制脉冲噪声,DMT采用了Reed Solomon前向纠错码和栅格码技术。

由于CAP信号传输占用全部信道带宽,所以频域和时域噪声都会对它造成影响。DMT的每个很窄的子信道频带内的电缆特性可以近似认为是线性的,因此脉冲混叠可以减至最低程度。在每个子信道内传送的比特率可以按该信道内信号和噪声的大小自适应地变化,故DMT技术可自动避免工作在干扰较大的频段。

DMT和CAP技术都可以实现速率的自适应调整,这就是RADSL。不同的是DMT可以从64kbps开始32kbps的间隔平滑递增。而CAP只能从640kbps开始作较粗糙的调整。

与CAP方式相比,DMT具有许多优点。在ADSL标准化过程中,DMT调制方式比CAP方式获得了更广泛的支持。DMT对线路信号衰减的适应能力较强,由于DMT线路编码中每个载波的数据传输能力可以根据该载波所在频段的信噪比进行自动调节,因此比较容易适应宽频宽模拟传输信号在市话双绞线路上出现的非均衡衰减。带宽利用率更高,DMT技术可以自适应地调整各个子信道的比特率,可以达到比单频调制高得多的信道速率。可实现动态带宽分配,DMT技术将总的传输带宽分成大量的子信道,这就有可能根据特定业务的带宽需求,灵活地选取子信道的数目,从而达到按需分配带宽的目的。由于线路编码调制效率的调整可以在各个载波内进行,DMT的线路自适应调整的步长可以较小。DMT具有很强抗脉冲噪声和窄带噪声干扰能力,根据傅立叶分析理论,频域中越窄的信号其时域延续时间越长,DMT方式下各子信道的频带都非常窄,因而各子信道信号的时域中都是延续时间较长的符号,故可以抵御短时脉冲的干扰;如果线路中出现窄带噪声干扰,可以直接关闭被窄带噪声覆盖的几个信道,系统传送性能不会受到太大影响。

从性能上看,DMT是比较理想的编码调制方式,信噪比高、传输距离远,或同样距离下传速率较高。但DMT也存在一些问题,比如DMT对某个子信道的比特率进行调整时,会在该子信道的频带上引起噪声,对相邻子信道产生干扰,而且比CAP实现复杂。为得到更广泛的应用,DMT应该很好地解决其存在的问题,使优势充分发挥出来。

6 ADSL技术的发展趋势

从理论上说ADSL系统中数据信号和话音信号占用法同频带传输,但由于电话设备的非线性响应,高频段的ADSL信号会干扰电话业务;同样,电话信号也会干扰数据信号。所以,ADSL系统必须在用户端安装防止数据信号和电话信号互相干扰的分离器,而且安装工作必须由专业技术人员完成,这一定程序上影响了ADSL技术的普及。

为更好地适应市场线路的特点并使ADSL技术得到广泛的应用,ADSL Modem的使用应该象传统的话带Modem那样简单,将电话线插入即可使用。这促使了一种ADSL标准的产生:ITU-T于1998年10月制定了轻便型无话音数据分离器的G.992.2(又称G.Lite)标准。G.Lite Modem的价格比ADSL Modem便宜,支持T1.413标准的ADSL设备可通过软件升级支持G.Lite。目前由世界上主要的电信公司和康柏、英特尔和微软等计算机公司组成了UAWG (Universal ADSL Working Group),其目的是开发出符合G.Lite标准支持即插即用的Modem。得到广泛支持的G.Lite标准将会很快普及。

ADSL G.Lite的设计思路主要有两点。首先,通过降低下行数据通道的传输速率及调制频带内模拟传输信号所占用的频带宽度来获得系统较长的传输距离,从而使ADSL接入系统具有普遍的市话电缆收容率;其次,通过在ADSL接入系统用户端实现无话音分离器的数据传输,简化用户端的设备安装,甚至即插即用,并大大节省ADSL设备的安装费用。ITU-TG.992.2标准草案定义的ADSL G.Lite传输设备的下行数据通道最大设计容量为1.536Mbps,上行数据通道的最大设计容量为512kbps。

G.Lite标准支持传输速率的自适应。它的数据率不仅和传输距离有关,而且和室内的布线情况以及所连接的电话设备有关。在良好的环境中,当下行速率1.5Mbps、上行速率384kbps时可以传输18000英尺,并且限制传输速率低于该值。

为避免G.Lite Modem影响电话设备,当G.Lite Modem标准到电话摘机时即将发送功率减小,同时传输速率也要相应减小。用户挂机后,发送功率和传输速率又会恢复。因此,除非能确信传送时不使用电话,否则最好不要使用ADSL Modem传送需要保证比特率的业务。G.Lite的产生并不是对高速ADSL技术的否定,实际上G.Lite的产生是为了更好地引导用户进入高速铜线传输世界。当用户感到需要比G.Lite更高的传输速度时,即使用其它高速ADSL技术。

7 ADSL用户接入网络技术

由于ADSL接入系统要求为用户提供高速的数据接入业务,因此接入系统本身必须适应骨干数据网络和用户数据网络的技术要求。目前的ADSL接入设备已远远超出了传统意义上传输设备的范畴而成为网络设备的组成部分。当今基于IP技术的数据业务已成为网络应用发展的主流,中国公众多媒体通信网(169网)采用了ATM的传输模式。如何利用ADSL接入技术将用户数据网络系统接入ATM宽带数据骨干网络,并且最终向用户提供基于IP技术的各种数据业务是目前电信部分建设ADSL接入网络的关键。基于ADSL的宽带网络系统如图2所示。目前ADSL用户接入系统设备的网络传送模式主要有两种:一种是Packet传送模式;一种是ATM传送模式。

7.1 Packet传输模式

采用Packet传送模式的ADSL接入系统中,局端DSLAM设备的上行链路数据接口和用户端RTU设备的用户数据接口均为目前流行Ethernet以太网接口。ADSL传输系统承载的传判断数据格式通常可根据局端和用户端设备的功能变化而分别采用可变长度的第二层以太网帧或第三层IP包。采用Packet传送模式的ADSL数据接入网络结构有时也被称为Data Centric结构。DSLAM的上行Ethernet接口经ATM边缘路由器接入ATM宽带数据网,同时接入系统中数据通道的IP路由也由该路由器来解决。因此ATM边缘路由器应考虑在ADSL接入网络的建设成本之中。ADSL接入设备的网元管理系统要求支持采用IP协议的远程配置和监视访问,而考虑到网元管理系统的安全性, 用户数据传送的网段和网元管理系统所在网段应在IP路由上分开。随着ADSL接入系统规模的增长和ADSL数据用户需求的增多,ATM边缘路由器在提供相应增长的Ethernet端口数量的同时,还应具备Ethernet交换的功能,而在用户侧的RTU设备也应具备连接大型企业用户域网和IP路由的能力。

7.2 ATM传输模式

采用ATM传送模式的ADSL接入系统中,局端DSLAM设备上行链路的数据接口通常为标准的ATM接口,并可直接或通过本地传输网络与ATM交换机相连。ADSL传输系统承载的传送数据格式为ATM信元。而接入系统的用户端RTU设备上通常可提供ATMF25.6M或Ethernet 10M的应用接口。采用ATM模式的ADSL数据接入的网络结构有时也被称为Telecom-Centric结构。由于局端DSLAM设备通常在数据传送通道上仅支持单纯的ATM交叉和复用功能,ADSL接入系统中数据通道的IP路由仍需由连接在ATM交换网上的边缘接入路由器来解决,因此ATM接入路由设备也应考虑在ADSL接入网络的建设成本之中。ADSL接入设备的网元管理系统EMS要求支持采用IP协议的远程配置和监视访问,并可直接通过ATM接口或通过Ethernet接口经ATM路由设备与ATM宽带网络相连。由于目前这种EMS系统通常使用专用的PVC(Permanent Virtual Circuit)与被管理网元连接,因此系统具有较好的安全性。随着ADSL接入系统规模的增长和ADSL数据用户需求的增多,接入系统用户侧RTU设备还应具备连接大型企业用户局域网的IP路由功能或支持用户侧路由器的能力。

8 发展ADSL存在的问题

ADSL技术具有许多优越性,但我们同样要一分为二。目前ADSL的技术仍控制在少数国外大公司手中,这种情况可能造成技术垄断。一些Web服务器的性能还远远不能与ADSL所提供的带宽相适应。两大主流标准CAP和DMT都有支持自己的生产厂家,标准暂时不能统一。

由于ADSL方案以现有的电话双绞铜线为接入线路,而电话线毕竟是为打电话而设计的,其传输质量和可靠性无法与现代通信电缆相比。例如,它需补偿和克服比语音传输更大的衰减和串音(近端串音和远端串音),并且电话线从用户处直接通到电信局的结构使它更易受到外界干扰。因此要获得比较满意的ADSL传输性能, 除ADSL设备性能之外,运营商需要提供高质量的线路。因为ADSL设备可以自适应选择传输速率,当线路不能满足要求时,传输速率就行不到保证。因此,在开始ADSL业务之前,要对线路进行测试和优化,如测试环路长度、环路电阻、环路损耗是否可接受,定位并去影响高速传输的加感线圈和桥分点,对线路误码率进行测试等。

总之,各种数据业务对传输速率提出越来越高的要求以及世界上各大公司对G.Lite标准的致认可,将极大地推动ADSL技术的发展和应用,而发展我国自己ADSL设备和业务也将成为未来研究的一个热点。

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