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宽带接入网技术——杨建良、查开德

2/14/2005来源:接入系统人气:14354

宽带接入网技术——杨建良、查开德 1、引言 随着通信的发展及“信息高速公路”概念的提出,网络建设将纷纷面向集视频、话音、 数据于一体的宽带综合业务,电信运营不仅要提供基本的电话业务,还要从窄带电话、传 真、数据和图像业务逐渐向可视电话、视像点播(VOD),图文检索和高速数据等宽带新业 务领域延伸。而向用户提供服务的电信网的“最后一公里”——用户接入网却成为制约通信 发展的瓶颈,建立数字化和宽带化的接入网已迫在眉睫。娄今世界各国相继开发了基于现有 铜缆的接入网技术高比特率数字用户环路(HDSL)和不对称数字用户环路(ADSL)、基于光 缆接入技术的OAN、光纤同轴混合网络(HFC)以及无线接入技术等宽带用户接入网技术,本 文将对以上几种宽带接入网,特别是对基于光缆接入技术的PON与HFC宽带接入网的网络结构 及其关键技术进行详细分析。 2、接入网的各种技术方案 2.1基于现有铜缆的技术方案 (1)数字倍增设备(PAIRGAIN):数字倍增设备是采用64kbps PCM数字编码标准及回波抑 制技术,在现有一对双绞铜线上为用户提供全双工144kbps速率2B+D信号传输。同时,为了 适应电话业务的发展,也采用32kbps的自适应编码(ADPCM)技术,在一对双绞线上传送4路 电话信号。 (2)高比特率数字用户环路(HDSL):HDSL使用两对双绞线,每对线的传输速率为1168kbps 全双工信号,提供2048kbps的E1业务。HDSL的无中继传输距离比传统的PCM技术要长一倍以上, 对线对的要求没有传统的传输技术严格,所以安装方便快捷,一般不用中继器,维护方便, 已被广泛地应用在移动通信基站中继、无线寻呼中继、DDN(数字数据网)节点中继、ISDN 基站接入、帧中继、RLU(远端用户线单元)中继以及计算机LAN(局域网)互联等业务。因 而,在未来10-20年内会保持发展势头,直到铜缆被光比利时所取代。 (3)不对称数字用户环路(ADSL):近年来,用户对宽带业务,特别是对娱乐的需求迅速增 长,ADSL技术可以在现有的双绞铜线上提供这些业务,如视频点播(VOD)等。这些业务上下 行数据传输速率不一样,下行传送的数字信号速率可高达6Mbps,甚至更高,而上行传送的仅 是一些速率很低的控制信号,两个方向传送的数字信号速率相关很大,ADSL不仅具有HDSL的 优点,而且在信号调制数字相位均衡、回波抑制等方面采用了更先进的器件和动态控制技术。 其调制技术所括正在交调幅(QAM)、无载波幅度相位调制(CAP)和散多音频(DMT)技术, 大多数是采用QAM和DMT技术。 ADSL对不同的业务和上下行信号采用频分复用方式。ADSL将一条双绞线构成的用户线频 谱分成三部分:低频部分,上行信道和下行信道,其中低频部分提供普通的电话业务,通过 无源滤器使其与数字信道分开;上行信道用于传送控制信息,速率一般为144kbps或384kbps ;下行信道占据其余带宽,提供6Mbps或更高速率(目前最高达155Mbps)的业务,离散多音 频(DMT)是把全频道划分为许多子信道(最多512个子信道)来传送信息,不同子信道传送 的信息量可以不同,设备的高速自适应数字信号滤波器对线路进行实时监测。当线路特性出 现任何变化时,自动控制回波抑制器、数字均衡顺,并根据每一子信道的信噪比来分配不同 的信息量(比特),最高可达15bit,以补偿线路的变化,从而达到较高的传输质量。ADSL 可以采用现有的双绞铜线直接从端局连接到用户端,也可以经过光缆到路边再采用ADSL设备 经配电缆连接到用户。 HDSL技术,ADSL技术都可以挖掘现有铜线资源的潜力,投资小,见效快,在未来的宽带 用户环路中将占有一定的市场。 2.2基于无线的接入方式 无线接入方式很多,有微波传输技术(包括一点多址微波)、卫星通信技术、蜂窝移动 通信技术(包括FDMA、TDMA和CDMA)、CT2、DECT、PHS集群通信技术、无线局域网等,无线 接入网的优势是: (1)组网灵活、安装维护简单:采用无线接入网可以在无需详细规划和事先设计的情况下 安装好公用设备。用户搬迁及业务改变将十分简单迅速、易扩容、无需话务预测。 (2)费用低:无线接入网初装费用与有线接网相近,但其维护、实施后期扩建、扩容费用 将大大低于有线的费用。无线接入网对传输距离和用户密度元气不敏感。这样,对于距离 较远和用户密度不高的地区具有明显的经济优势。 (3)无线接入方式还有一些独有的特点,如允许在移动状态下通信,在紧急状况和临时应 用条件下迅速提供通信业务,并可跨越自然障碍进行通信。 2.3光接入网(OAN) 光接入网原理结构见图1,光接入网OAN采用光纤传输技术,要地交换机或远端模块与 用户之间采用光纤或部分采用光纤传输系统。它是采用基带数字传输技术并以双向交互式 业务为目的的接入传输系统,将来应能以数字或模拟技术升级来传输宽带广播式和交互式 业务。ITU-T在新制定的标准G.982中定义光接入网为光传输系统支持共用同一网络侧接口 的接入链路。图1所示为OAN的一种通用参考配置,它适合于光纤到路边(FTTC)、光纤到 大楼(FTTB),光纤到办公室(FTTO)和光纤到家庭(FTTH)等各种情况。OLT(光线路 终端)为OAN提供网络侧接口并连至一个或多个ODN(光网络单元)提供光传输手段,主要 功能是完成光信号的分配。ONU为OAN提供用户侧接口并和ODN相连,其网络侧光接口,用 户侧为电接口。ONU需要光/电和电/光转换功能,还要完成对语音信号的数/模转换、复用 、信令处理和维护管理功能。AF为适配功能。如ODN中包含任何有源光接入网(AON)。当 ODN全部由无源器件(光纤、光无源分路器、波分复用器等)组成,而不包含任何有源有 源节点,这种接入网称为无源光接入网(PON)。 无源光接入网是光接入网的发展趋势。PON中的关键技术是上行信道的多址技术,上下 行双向传输的复用技术、突发模式的光接收技术与快速比特同步技术等。PON中OLT到ONU下 行信号传输较简单,一般是在OLT中将需要送至各ONU的信息采用时分复用(TDM)方式组成 复帧送至馈线光纤, 经光分路器进行功率分路,以广播方式送到每一个ONU,ONU收到下行 复帧信号后根据下行比特流中的同步时钟信号,分别取出属于自己的那一部分信息。而ONU 到OLT的上行信号的传输,则采用先进的多址技术。G.982建议的多址接入技术为时分多址 (TDMA),但也不排除副载波多址(DSMA),波分多址(WDMA)及码十(CDMA)等其它多 址传输技术。至于上下秆双向传输的复用技术,则有空间分离复用(SDM),时间压缩复 用(TCM),波分复用(WDM)和副载波复用(SCM)。 上行信道的时分多址技术(TDMA)是,将上行传输时间分为若干时隙,在每个时隙内 只安排一个ONU以分组的方式OLT发送分组信息,各ONU按OLT规定的顺序向上游发送,为避 免各ONU向上游发送的码流在ODN合路时可能发生碰撞,这就要求OLT测定它与各ONU的距离 后对各ONU进行严格的发送定时。由于各ONU与OLT间距离不一样,它们各自传输的上行码 流衰减也不一样,到达OLT时的各分组信号幅度不同,因此,在OLT端不能采用判决门限恒 定的常规光接收机,根据每一分组信号开始的几个比特信号幅度的大小建立合理的判决门 限。各ONU从OLT 发送的下行信号获取定时信息,并在OLT规定的时隙内发送上行分组信号 ,故到达OLT的各上行分组信号在频率上是同步的,但由于传输距离不同,故在OLT端必 须采用快速比特同步电路,在每一分组信号开始几个比特信号的时间范围内迅速建立比特 同步。据称,目前已采用专用集成电咱(ASIC)在622Mbps速率的PON上实现这种关键的同 的功能。采用TDMA方式的PON只需要交为简单的光器件,因此经济。但由于OLT端需要采用 上新技术,电路部分较复杂。 2.4光纤同轴混合网络(HFC) HFC是建立在现有的有线电视同轴网基础上的,其网络形式是在前端HE(Head End)到 光节点ONU之间采用AN-SCM光波技术通过光缆传输,光节点到用户宅中利用原有的同轴电缆 分配网传输和分配用户信息。它的基本特点是保留了传统的模拟传输方式,实现了上/下 行双向和数字与模拟的混合传输,能够同时提供电话、模拟视频、数字视频和交互业务, 建设费用相对较少。HFC网络的升级十分灵活。HFC技术最初在1993年由美国西部HFC技术 为200万用户提供业务,一些运营公司也制定了大规模建设HFC的计划。美国时代华纳(T ime Wanrner)的全服务网络(频率1GHz), 可提供96套模拟与数字电视节目频道和54 套付费电视节目频道。 HFC宽带接入网是在如图2所示的光纤-同轴混合分配网的基础上发展起来的。它只能 传输单向的广播电视信号。光纤的引入,仅仅改善了传输电视信号的质量,使系统传输 带宽有一定的改善。 为了在HFC宽带网中传输双向交互式业务,并逐步发展为宽带接入网,将图2系统中的 单向放大器换成双向放大器,在光网单元ONU中增加回传激光发射机,前端HE中增加接收 单元,如图3所示。下行业务从HE通过光纤光比利时由入的光信号携带,传送到ONU,在 ONU经过光电转换,变为电信号,以同轴分配系统传送到用户家中。从用户家中来的上行 数字信号在ONU中经过电光转换,通过光纤光缆传送到HE,再传送到网络的其它部分。同 时,系统可以在ONU附近设置电视会议中心,避免上行模拟传输。上行模拟传输不采用与 数字化有关的许多设备,大大减少了系统的费用。 由HFC网络传送的视频节目通过数字压缩以后,再采用先进的调制技术,如正交调幅 (QAM)、残留边带调制(VSB),正交相移键控(APSK)等技术,就可以在较窄的频段 传送较多的数字视频节目。比如在550MHz-750MHz频段,如果采用64QAM,可传MPEG-2O 数字图像频道200个,如果采用256QAM,则可传MPEG-2数字图像频道800个。 HFC中的关键技术是: (a)保密性问题,因为涉及收费电视、个人数据传输,整个网络的安全性可考虑采用 加解扰及与Ethernet和Internet类似的ip地址,使接收设备都可读取数据流前端的地址, 但只有授权的设备可读取后面的数据。其他各种加密方法也值得研究。 (b)上行通道传输与下行通道(趋向于使用QAM或CAP调制)不同,上行通道(4- 50MHz处于短波、超短波频段)受到干扰更为严重,各种电子器件、家电设备产生的大 量干扰会进入上行通道,由此产生的噪声在强度及频带上都是时变的,同时接口不匹 配产生的回波以及将来越来越多的家用电器都产生对上行信号的干扰。另一个问题来源 于这种总线星形的拓扑结构,多个用户的上行信号通过放大器汇集在节点处,造成噪声 的累积。针对上述环境,需要一种抗干扰很强的传输方法,最好是具有频率上的灵活性, 可以避免使用那些受到强干扰的频带,考虑采用的调制方法有OPSK、QAM、DMT、DWMT与 CDMA等。 (c)通信网中的媒介接入控制(MAC)协议,当传输的某一块数据出错(采用FEC仍不能 纠正)或丢失时,需采用特定协议进行重传;另外,如果光节点下的用户不足时,如何 解决频带争用,以及当上行频带中的干扰随时间而改变,需通知使用上行频带的各节点 避开干扰严惩的频段以保证一定的误码率,这些都是MAC协议应解决的问题,可以借鉴 现有以太网的MAC协议进行开发。 (d)ATM交换技术,由于HFC最终应能实现三网合一的功能,将包括电话、数据、数字 视频、模拟视频等多种交互式业务。其中电话、视频信息与数据不同,对恒定的传输数 据率要求较高。另外,如何使HFC网具有现代电话网灵活的交换功能且可适应各种不同 需求的业务是急需解决的问题。ATM被认为大有潜力,这方面的研究工作也是当前的一 个热点。 (e)电缆供电问题,如果每个光节点服务的用户较多,各分支器、双向放大器采用远 程馈电还是本地供电以及由此引起造价、地区性断电等问题也需考虑。 3、几种接入技术的比较 铜线接入技术的优点感动利用现有的铜缆设备,很快地为用户提供服务。但铜线 受传输距离的限制,带宽和传输质量有限,所以不是长远的选择。 无线用户环路灵活、具有可移动性、不需要线路设施、安装维护简单快捷、使用方 便,因些一般可应用在用户密度低、敷设电缆不方便、线路距离长的地域。在市区可用 于应急场合,如用户要求装机时限短的一些应急通信、临时通信等。 由于光纤的频带宽,传输距离远,质量好,所以是接入网传输媒介的首选。PON (特别对FTTH)是未来发展方向,但目前它在建造费用和运行费用方面不能与目前的铜 线网竞争,在目前新的宽带业务市场还不太确定的时候,投资者承担的风险较大。 HFC结构是光纤逐步推向用户的一种经济的演变策略,HFC可以充分利用现有的CATV 同轴网络频带宽的特点,不需要重新敷设配线网,除了能提供传统的有线电视节目外, 可在短时间内为用户提供电信业务和宽带交互式多媒体业务。由于网络是树型结构, 即使是重新敷设或增大服务范围都很容易,因此,网络的造价较低。目前HFC所需要解决 的问题是: 1)HFC没有标准化。在频谱安排上,欧洲是到862MHz,美国不统一。目前HFC以提供传统 CATV和VOD为主,对传输中、高速数据没有很好的方案,也没有考虑一频段与无线信号的 互相干扰问题; 2)HFC采用的是模拟频分多路复用技术,而主干网络和交换机都是采用数字技术,中间需 要数模转换,使网络变得复杂,并增加同步、网管和信令和技术难度。而且采用模拟传输 技术,必须使用超线性激光器,价格较贵; 3)HFC的上行信号存在噪声积累,即“漏斗效应”。 4)同轴电缆的低频段群延时较差,每赫兹带宽所传送的比特数有限,当交互式业务种类 增加时,上行信道过于拥挤。5)由于HFC是树关拓扑结构,安全保密性能不够好。某个 用户点的故障可能会影响连在同一同轴电缆上的用户,同时增加故障寻找的难度。