DSL技术及其在宽带设备中的应用

2007-11-20 11:01:56来源: 电子工程师

0 引 言

DSL(数字用户线路)是以双绞线为传输介质的传输技术组合,它以便捷的技术实现了本地环路的数字化,解决了网络业务传输过程中的连接用户的"最后1公里"问题,并以其低廉的宽带改造价格吸引了众多运营商及消费者。随着高清晰视频点播、海量文件下载、网络远程教育等需求的出现,DSL技术也在不断地发展。DSL包括ADSL(非对称数字用户线)、HDSL(高速数字用户线)、SDSL(对称数字用户线)等,一般称之为xDSL,它们主要的区别就是体现在信号传输速度、距离、上行速率和下行速率对称性的不同等方面。

1 DSL技术

1.1 ADSL

ADSL标准的编号为T1.413。该标准规定,ADSL将提供下列多种传输通道:

a)高速单工通道:该通道提供DS2速率(二次群速率,4×1.544Mbit/s或4×2.048 Mbit/s),一般为6 Mbit/s的下行数据速率。高速单工通道可分成4个1.5 Mbit/s通道,2个3 Mbit/s通道或1.5 Mbit/s的任意倍数。

b)64 kbit/s双工数据传输通道:该通道可配合高速通道使用,在用户和业务提供者之间进行交互式控制和信息传输。

c)全双工通道:全双工通道可根据业务需要提供160 kbit/s和576 kbit/s速率。例如,用户通过该通道以384 kbit/s的速率连接ISDN(综合业务数字网)的基本速率或以576 khit/s的速率接人高速链路。

ADSL采用DMT(离散多音调制),1.104 MHz带宽分成256个子通道,每个子通道占用4.312 5 kHz的频带,如图1所示。子通道6~3l用做上行传输,子通道33~255用做下行传输,最大上下行速率分别可达640 kbit/s和8 Mbit/s。由于每个子通道可以独立进行调制和传输,基于DMT技术的ADSL可以有很强的抗噪声的能力。

ADSL技术仍然存在着传输距离、功耗、抗干扰、带宽管理等诸多方面的不足,这将直接影响其传输速率,成为它进一步发展的障碍。

1.2 ADSL2

2002年5月进行的'TTU-T会议上通过了新一代的ADSL标准--ADSL2。ADSL2采用与ADSL相同的频段,但传输性能(如长距离、抗线路损伤、抗噪声等方面)有了一定的增强。

a)传输速率的提高:传统G.dmt的物理层帧格式中,最小开销为32 kbit/s;而在ADS12标准中,最小开销为4 kbit/s。通过减小帧开销、提高编码增益、改进初始化状态机和采用更高级的信号处理算法等措施,ADS12传输性能得到了进一步改善。相对于ADSL,ADSL2将上下行传输速率分别提升至800kbit/s和8 Mbit/s,下行最大可达12 Mbit/s;并且在相同的传输距离下,ADSL2可以获得50 kbit/s的速率提高。

b)传输距离的提高:传统G.dmt没有定义单比特的星位图调制,这使得在远距离传输时因信噪比小而无法建立连接。ADSL2允许单比特调制,传输距离更远。通过提高调制效率,在相同传输速率下,ADSL2可以使传输距离延长183 m。

c)智能化的功率管理:ADSL收发器不论是否处在数据传送状态,功率始终是相同的,而ADSL2引入两个新状态(低功耗模式的L2和高功耗模式的L3),使收发器在数据速率低或无数据传送时进入休眠状态,可大大降低功耗,因而使局端(Clentral Office)设备的散热要求降低,这对于解决现在广泛采用的包月制所导致的用户长时间在线造成局端设备功耗过大的问题有着重要意义。

d)实时的故障诊断:ADS12增加了对线路诊断功能的规范,可在初始化过程中及结束后,提供对线路噪声、线路衰减、信噪比等重要参数的测量功能,在业务运行过程中提供对这些重要参数的实时监测能力。ADS12还定义了一种诊断测试模式,可在线路质量很差而无法激活时进行测量。就线路质量评测和故障定位功能而言,ADSL2系统比ADSL系统有了很大的改善,这对提高网络的运行维护水平具有重要意义。

此外,ADSL2增强了在线重配置功能,支持对不同通道的动态速率分配和无缝速率适配;增强了频谱控制功能;具有可选的短初始化序列,支持快速错误恢复,使得初始化的时间从10 s降至3 s。

1.3 ADSL2+

尽管ADSL2提升了ADSL的性能,但没有从根本上解决传输速率的问题,为此,ITU-T提出了ADSL2+标准,并于2003年1月通过,定为G.992.5标准。

ADSL2+继承了ADSL2的全部特性,并在此基础上进一步扩展。ADSL2+将频谱范围从1.104 MHz扩展至2.208 MHz,相应地,最大子载波数目也由256增加至512,其中上行26个通道,下行480个通道。它支持的净数据速率最小下行速率可达16 Mbit/s,上行速率可达800 kbit/s。其带宽分配如图2所示。

ADSL2+对DMT划分的每一个子通道进行QAM(正交调幅)调制,每通道呵承载4k符号数,每个符号按照QAM调制的点数可传送0和最大15 bit/symbol之间的比特数。因此,理论上的最大上行带宽是26×15×4×103=1.56×106bit/s=1.56 Mbit/s,理论上的最大下行带宽是480×15×4×105=28.8×106hit/s=28.8 Mbit/s。应该指出,由于信道质量的关系,实际上无法达到最大的调制点数。此外,通道16和64用做导频通道,通道511是奈奎斯特采样通道,均不用做数据传输。

ADS12+的DMT调制中,可实现通道传输比特数的动态选择。首先是子通道的训练,即通过发送一个接收端已知的训练序列计算每个子通道的信噪比;然后根据每个子通道的信噪比,计算每个子通道可分配的比特数,把待传输的信息拆分为多个信息比特,分别注入相应的子通道。传输过程中,若信道特性发生变化,ADSL2+将根据重新计算得到的信噪比自动调整每通道中的比特数,以适应信道变化,达到最优传输。

ADSL2+的另一个优点是减少多种技术共用时的线问串扰。DSL线路面临的最大干扰是来自临近线路的DSL信号串扰,而考虑到ADSL2+有扩展的带宽,可以将1.104 MHz以下的信号降得很低,而主要使用1.104 MHz和2.208 MHz之间的带宽传送数据,由于这段带宽在传统ADSL传送带宽之外,耦合噪声可以被接收端滤波器过滤,不会影响性能。

ADSL2+打破了ADSL接入方式带宽限制的瓶颈,使其应用范围更加广阔,具备了更远的传输距离、更大的带宽和更实用的运行维护手段。

1.4 SHDSL

SHDSL(单线对高速数字用户线)技术在各种标准化的DSL技术中能较好地解决以E1速率的传输与接入问题,实现了与接入网和城域网传输设备的无缝对接。该技术的主要特点是:

a)提供高速对称传输速率:与传统的ADSL技术不同,SHDSL所提供的是双向对称业务,每对双绞线可提供从192 kbit/s~5.7 Mbit/s的对称速率,而对于扩展应用所支持的4线捆绑传输模式提供相应加倍的带宽,这大大提升了服务范围,改善了服务质量。

b)传输距离远与干扰小:相对于ADSL,在相同速率时SHDSL的传输距离增加30%,由于线路编码采用格编码脉冲幅度调制,因此增强了抗干扰能力。

c)兼容性好:G.991.2标准为数据专线设备的线路接口提供统一的方案,可以与接入网中包括ADSL技术在内的其他传输技术兼容,同时由于标准的统一,推进了SHDSL局端与终端设备的互通性测试工作,为DSL进一步发展壮大用户群铺平了道路。

d)性能强大、服务范围广:SHDSL既能为中小型企业以及大型企业的分支机构提供各种全面的解决方案,满足各种业务需求,如安全、虚拟个人网络和业务延展规划等,也可为服务供应商提供解决语音、视频、视频会议等各种集成通信问题的方案。

SHDSL是运营商在扩容时的一种选择,并不是说要替代现有的DSL。SHDSL可以提供更宽的上行带宽、更多的接人方式,并满足用户新的业务需求,在单站点网站、位置分散的中小型业务单位、大型企业的分支机构和远程办公人员等应用领域将一显身手。

1.5 VDSL

为了适应网络和业务全面IP化和以太网化的发展需求,并解决ADSL技术提供图像业务方面带宽有限、成本偏高等问题,基于以太网内核技术的VDSL(甚高速数字用户线)就应运而生。VDSL是一种新兴的DSL技术,并被称为DSL的终极技术。采用该技术可以进一步提高DSL系统的下行带宽,满足广大用户高速上网的需要,并充分利用现有的电话线网络,保护运营商既有的投资,很好地解决"最后1公里"的网络瓶颈。其主要特点是:

a)超高速率:VDSL技术仍旧在一对铜质双绞线上实现信号传输,可提供的非对称下行数据速率为6.5Mbit/s~52Mbit/s,上行数据速率为0.8Mbit/s~6.4Mbit/s,对称上下行数据速率为6.5Mbit/s~26 Mbit/s,VDSL技术的传输速率依赖于传输距离。

b)与以太网技术相结合:EoVDsL(基于以太网的VDSL)技术结合了二层以太网和VDSL物理层的特点,避免了ATM的复杂性和传统以太网传输距离的限制,获得了较好的性价比。VDSL技术和以太网技术的优越性在EoVDSL上得到了完美的结合,使得这种技术仅仅利用一条网络线路就可向客户端传递多种服务。用户也只需通过VDSL终端适配器,就可以接上Internet,通过普通电话线传输高速以太网信号。

VDSL不仅不存在ATM与IP之间的转换问题,而且克服了传输带宽小和出线率低等问题。但是,VDSL线路质量要求高,传输距离较短,一般为1.5 km以内。

2 DSL技术在DSLAM中的应用

DSLAM(DSL接入复用器)是局端的宽带接入没备,其特征包括优化传输率、聚合链接以优化带宽利用率以及进行流量控制。DSLAM为CPE(客户端设备)和宽带网络接入服务器之间提供数据交换通道,完成多路DSL用户的数据汇聚,并集中转换到一条高速线上,经认证通过后接人InteInet。此外,DSLAM还可为用户提供视频、广播电视、快速Intemet接入及其他高价值应用。

2.1 DSLAM组网原理

图3给出了DSLAM最简单的组网结构。图中,CPE为客户端DSL设备,通常是DSL Modem,话音和数据信号经CPE后共同传往局端的DSLAM,DSLAM侧的分离器过滤出电话信号和数字信号,前者送往PSTN(公共交换电话网)交换机,进行话务处理;后者以ATM方式或以太网方式上行至BRAS(宽带网络接入服务器)。BRAS主要完成对前端接入用户的认证,通过后即可实现该用户的Internet接人请求。

由于在组网时DSLAM设备会接人不同的网络之中,例如ATM骨干网络或IP骨干网络,因此要求DSLAM设备能提供ATM接口和IP接口,也就是所谓的ATM-DSLAM和IP-DSLAM。IP-DSLAM与ATM-DSLAM除了在DSL中的Modem部分相同外,在实现的原理上还是存在一定差异的。

2.2 ATM-DSLAM

图4为ATM-DSLAM的网络结构。图中,上传的数据信号在DSL Modem(ATU-R)中,通过AAL5分段和组装子层(AA15 SAR)功能实现MAC帧到ATM信元的转换,经DSL调制后,信号被传输到局端的DSLAM侧,并对DSL信号进行解调,恢复成ATM信元格式。ATM-DSLAM对许多这样的上传信号进行汇聚,通过一个集中式的BRAS平台连接到Internet。在信号下行时,下发的信号是以ATM信元格式传送给ATM-DSIAM的,这些被接收的ATM信号带着相关的信息,例如ATM业务类型、PVC数据以及其他一些参数等。ATM-DSLAM对不同的业务参数进行识别,并采取不同的处理措施,然后分接到各个对应的DSL信号调制器,然后输出到对端的DSL Modem中。

2.3 IP-DSLAM

由于DSL技术仍停留在基于ATM的传送模式下,要提供IP上联接口,就必须经过ATM到IP的封装转换。根据转换位置的不同,出现了两种IP-DSLAM的实现方式:一种是基于以太网交换结构,在各用户终端板上实现ATM PVC的终结,并将ATM信元适配到以太网帧,然后通过以太网上的接口进入以太网交换结构,最后通过BRAS连接到IP骨干网;另一种是采用ATM交换结构,在上联接口板上集中终结ATM PVC,并将ATM信元适配到以太网帧,再通过以太网的接口进入以太网交换结构。



其中,基于以太网交换的IP-DsLAM由于直接在用户终端板上完成ATM的转换,更适合各种DSL用户板的混合使用,其典型结构如图5所示。图中,以2/3层交换为核心的以太网上行IP-DSLAM一般通过以太网交换机及宽带接入服务器与IP骨干网相连。

2.4 基于DSL技术的IP-DSIAM组网

中国各大运营商ATM网络的资源有限,随着DSLAM建设量的迅速扩大,现存的ATM端口资源基本耗尽,使得新建城域网以IP为主。同时,考虑到ATM网络的建设成本过高,而近年来以太网大规模发展,因此国内厂家最先推出了IP-DSLAM,即DSL的ATM承载层终结在DSLAM内部,DSLAM通过以太网接口连接到IP城域网。

提供DSL用户接入线的IP-DSLAM设备如图6所示,在DSL用户线路上仍然采用ATM信元传输,而在线路终端板上实现ATM信元到以太网帧的转换,通过2层以太网交换机进行线路汇聚,再经BRAS认证后接入IP骨干网。

由于本地用户接入带宽有限,因此采用固定长度的ATM信元传输,可减少传输时延,并使实现数据缓冲变得简单。之所以采用2层以太网交换方式,是为了适应以太网和IP技术的发展,进一步节省端口资源,便于网络扩容。

3 结束语

随着宽带接入的逐渐普及,高速的网络化服务已成为不可逆转的潮流,虽然光纤接人是接人Internet的最佳方式,但这需要一个很长的过渡过程。应该指出,DSL技术在相当长的一段时间内仍将是我国宽带接入的主流技术。本文论述的基于SHDSL技术的高速对称数据传输方案,对于促进高性价比的DSL技术起到了积极的作用,成为新型IP-DSLAM系统的发展方向。必须看到,IP-DSLAM仍有许多技术需要改进,例如进一步增强可扩展性、高带宽和智能性,提供IP转发、分类、策略、整形、调度和用户管理等功能,并且能够传输差分的IP业务。如何在高速传输的基础上,使IP-DSLAM多业务化,并保证安全性,使用户享受到更多、更快、更精彩的服务,这是下一步研究的重点。

关键字:IP转发  整形  信元

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