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XDSL实验
西安电子科技大学通信工程学院
《宽带通信网实验指导书》
xDSL实验
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【实验目的】
了解xDSL技术的发展状况，掌握ADSL和VDSL技术的基本知识，学会搭建基本的ADSL和VDSL系统，并掌握基本的配置。
（4课时）
【预备知识】
1、DSL技术的发展
所谓DSL，是英文“数字用户线”（DigitalSubscriberLine）的缩写。
它是在普通的双绞电话线上实现高速数据传输的技术。
数据传输的距离通常在300m到6km之间，数据传输的速率在1.5M~52Mbps之间．传输距离越短，传输速率越高。
根据所采用的技术和性能指标的不同，DSL技术有多种不同的类型，如HDSL、SDSL、ADSL和VDSL等，统称为xDSL。
其中，x表尔第一个字母是可变的。
（1）ISDN
最早的DSL技术是ISDN。
ISDH的总目标是集成所有由电话连接的业务（包括数据），并通过一个端到端的数字网络进行传输。
由于交换机的数字化和干线的数字化已经先行启动，因此，ISDN系统实现中的主要工作就是使模拟本地环路以及与之相连的模拟交换机数字化。
由于ISDN的主要工作就是把PSTN的最后一段即本地环路数字化，因此ISDN是公认的第一代DSL技术。
在ISDN中，采用了时分复用（TDM）的方法把传输过程划分为大量固定长度的时间段，称为通道（Channel）。
ISDN由两个基本通道组成，即B通道和D通道，此外还有几个逻辑通道。
B通道用于承载用户数据以及数字化的话音和视频信息。
它以64kbps的速率运行，既可以用于电路交换，也可以用于分组交换。
而D通道的基本目的是为每一个ISDN线路提供信令和控制，其传输速率为16kbps。
因为D通道上的信号交换很少会用到它的全部带宽，因此D通道上剩余的传输能力也可以用于传输数据，不过在D通道中，信令和控制信号的传输具有更高的优先级。
在ISDN中，有2种接口速率，即基本速率接口BRI（BasicRateInterface）和一次速率接口PRI（PrimaryRateInterface）。
这里，BRI通常用于远程接入及Internet连接，它是由两个B通道和一个D通道构成的。
对于无压缩的数据，BRI的最大传输速率为128kbps。
如果D通道也用于数据传输，则最大传输速率可为144kbps。
BRI通常是由一对双绞线提供的，传输距离约为5.5km。
这里，ISDN的上行和下行传输速率是相等的，这种特性被称为“对称性”。
PRI是更高速率的接口，用于集成PBI连接，传输速率可达T1/E1水平，即1.544Mbps或2.048Mbps，并以64kbps为递增单元。
PRI的D通道和B通道一样，都是64kbps。
在美国和加拿大，PRI为23B+D，因此传输速率为1.544Mbps；而在欧洲和世界其他大部分地区，PRI为30B+D，故传输速率为2.048Mbps。
PRI通常为两对双绞线的干线电路连接。
（2）HDSL
到1984年，经过在PSTN干线中多年使用之后，出现了直接为用户安装的T1系统。
它是由两对双绞线构成的，一对用于发送，另一对用于接收，传输速率为1.544Mbps。
T1线的传输距离可以用再生器延长到数英里，再生器之间的典型间隔为6000英尺（约2km）。
经过改装之后，同样两对双绞线的传输能力就从两对模拟话音传输，扩展到了24路数字电话传输。
因此，T1技术在PSTN的数字接入部分也取得了广泛的成功。
对应于北美地区的T1标准，在欧洲和我国采用的是E1标准。
而HDSL就可以理解为是对T1/E1接入技术的改进。
由于T1/El需要两对双绞线传输，而日每隔6000英尺还需要一个有源再生器，因此对于普通居民用户来说，T1/El还是过于昂贵。
但是如果Tl/E1只需要一对线传输或者在更长的距离里不用再生器，则应该获得更广泛的应用。
HDSL就是为这种需求提供的技术。
采用HDSL提供T1/E1服务，对服务提供商和用户都有好处。
主要的好处是对提供商的，而用户则可以从提供商获得间接的好处。
首先，在不需要环路再生器的情况下，HDSL可以在0.5mm铜线上传输1.2万英尺，在0.4mm铜线上传输9000英尺。
它还可以允许2个桥接抽头，每个桥接抽头上的线的长度不长于5000英尺。
其次，如果采用更宽的线宽（22规或0.63mm）或采用HDSL再生器，HDSL的长度可以达到26000英尺（7.93km）。
这种HDSL再生器称为加倍器,它比T1/E1的再生器更有效，更强大。
最后，HDSL几乎可以应用于任何场合。
CAP或2B1Q的HDSL可以适用于80%~90%的铜线。
（3）SDSL
第二代HDSL（HDSL2）在线编码方式上采用了更强的CAP调制，因此可以在一对铜线上达到与HDSL相同的性能。
由于HDSL2只用一对铜线实现对称传输，因此也被称为SDSL，可理解为“对称DSL（SymmetricDSL）”或“单线对DSL（Single-pairDSL）”。
（4）ADSL
1989年，ADSL的概念开始出现。
所谓ADSL，即非对称DSL（AsymmetricDSL），其最初的目的是希望实现1.5Mbps的下行传输速率和16kbps的上行传输速率，以传输MPEG-1的图像信号。
这里，下行传输是指从局端到用户端的传输，而上行传输是指从用户端到局端的传输。
到了1993年，为了传输MPEG-2的视频信号，对ADSL下行传输速率的要求提高到6Mbps，对上行传输速率提高到以64kbps。
在ADSL中，之所以采用这种非对称传输的方法，一方面是从应用上考虑，即对于Internet等应用来说，下行下载的数据量通常要远远大于上行传输的数据量。
另外就是从技术上考虑，采用这种非对称传输技术可以大大减小近端串扰（NEXT：
Near-EndCrosstalk），并实现数据传输和电话传输在同一对电话线上的兼容。
ADSL的进一步发展就是自适应速率DSL，即所谓的RADSL（Rate—AdaptiveDSL）。
这种方法可以根据电话线的信道情况自适应调整传输速率，实现最大为7Mbps~10Mbps的下行传输速率和512kbps~900kbps的上行传输速率。
当前主要的ADSL芯片基本上都具备RADSL的能力。
ADSL的传输距离是与传输速率密切相关的。
一般来说，随着传输距离的增加，传输速率会逐渐下降。
在RADSL中，对于3km以内的传输距离，下行传输速率可以达到8Mbps；而对于6km的传输距离，下行传输速率将下降到1.5Mbps。
（5）VDSL
到1994年下半年，VDSL的概念开始出现。
这是对ADSL概念的扩展，它希望实现最大为52Mbps的下行传输速率，并且传输速率、传输距离可变。
此外，VDSL要求既可以对称传输，又可以非对称传输。
因此，VDSL是DSL家族中最为复杂的技术。
VDSL的传输距离与传输速率基本上成反比随着传输距离的增加，传输速率在不断下降。
由于VDSL的传输速率极高，而传输距离相对较近，因此VDSL通常应用于光纤传输的最后1km距离以内。
（6）DSL的标准
目前，与DSL标准有关的国际组织很多，其中比较重要的是美国国家标准协会ANSI、欧洲技术标准协会ETSI和国际电信联盟ITU。
在ANSI中，T1E1委员会负责网络接口、功率及保护方面的工作，TlEl.4工作组具体负责DSL接入的标准工作。
在ETSI中，负责DSL接入标准的是TM6工作组。
这两个标准组织只是局部地区的标准组织，而ITU则是一个全球性的标准组织。
目前，ITU中与DSL有关的主要标准如下：
●G.991.1：
第一代DSL标准；
●G.991.2：
第二代HDSL标难（HDSL2或SDSL）；
●G.992.1：
全速率ADSL标准（G.dmt）；
●G.992.2：
无分离器的ADSL标准（G.Lite）；
●G.993：
保留为VDSL的未来标准（尚未完全确定）；
●G.994.1：
DSL的握手流程（G.hs）；
●G.995.1：
DSL概览；
●G.996.1：
DSL的测试流程（G.test）；
●G.997.1：
DSL的物理层维护工具（G.oam）。
2、ADSL技术
ADSL是一种上、下行传输速率不相等的DSL技术。
这里，上行传输是从用户到中心局方向的传输，下行传输是从中心局到用户方向的传输。
ADSL的下行传输速率接近8Mbps，上行传输速率接近640kbps，而且在同一对双绞线上还可以同时传输传统的模拟话音信号。
由于ADSL的下行速率不等于且远远大于上行速率，因此被称作非对称DSL技术ADSL。
除了速率更高和上、下行速率非对称外，ADSL相对于以往DSL技术的另一项重要突破在于它可以在同一对双绞线中同时提供传统的模拟话音业务（见图），这样不仅便于用户使用，而且省掉了另外铺设线路的成本。
在图中，传统的模拟话音信号是通过基带频率传输的，占用30H~3400Hz的信道，而ADSL传输的数据信号则是通过30kHz~1.1MHz的信道传输。
为使ADDL信号和传统话音信号同时在一根铜线内传输，需要一个低通-高通滤波器组，其中高通部分通过ADSL信号，抑制模拟话音信号，低通部分通过模拟话音信号，抑制ADSL信号，这样就可以将两种信号从频率上分开。
这个低通-高通滤波器组就是图中的信号分离器（Splitter）。
图1：
ADSL接入网参考模型
在图中，ATU-C和ATU-R分别是ADSL在局端和用户端的收发设备。
在局端，ADSL收发器通过V接口与ATM宽带网络或高速以太网连接，接入数字骨干网络。
在用户端，ADSL收发器通过T接口和用户家庭内部网络连接（一般使用以太网接口），然后连接用户的网络设备如电脑、机顶盒等。
用户端的普通电话通过分离器，将模拟话音以频分复用方式并入同一对双绞线中。
在局端，通过同样的分离器滤波可将话音信号和ADSL信号分开，并将话音信号送往PSTN网络进行电路交换。
ADSL的主要技术特点是：
●使用高于3kHz的频带来传输数字信号。
●使用高性能的DMT调制编码技术。
前面介绍的HDSL技术使用的是2B1Q调制编码技术。
2B1Q是PAM调制的一种，它的一个数据符号只能代表2比特信息。
而ADSL中的DMT技术，则是将整个信道划分为最多256个子载波，然后在每个离散的子载波中，根据各自信噪比的大小，实现16到256点的星座编码，即每个子载波中的一个符号可以代表4~8个比特。
所以DMT的频谱利用率很高，可以使ADSL实现更高的传输速率。
●使用FDM频分复用和回声对消混合技术。
可实现ADSL系统的全双工和非对称通信。
频分复用和回声对消是实现双工通信的两种技术。
前者将整个信道从频域上划分为独立的两个或多个部分，分别用于上行和下行传输，彼此之间不会有相互干扰。
后者则用于上、下行传输频段相同的通信系统，可以将本地发送信号在本地接收端的泄漏衰减到很小，即通过减小近端串扰来实现上、下行频带相同时的双工通信。
不论是模拟还是数字通信，只要它使用相同频带进行上、下行通信，就都要使用回声对消技术。
●使用Splitter信号分离器技术。
在ADSL中，为实现数据和话音的分离，首先要求数据和话音在不同的频带上传输。
分离器通过数据传输与话音传输的频带不同，把话音和数据在频率上分开。
因此，分离器的构成是一个3端口的低通/高通滤波器组：
其中低通滤波器可以通过低频信号，滤除高频传号，因此可用于传输话音信息，同时抑制数据传输的干扰；而高通滤波器可以通过高频传号，滤除低频传号，因此可用于传输数据信息，同时抑制话音传输的干扰。
用户端的话音和数据经过用户端分离器滤波后再混合，同时在双绞线上传输．它们分别占用双绞线中不同的频带。
在中心局，对应于每一个用户端分离器都有一个局端分离器，用于分离双绞线上传输的话音/数据混合信号。
这里，局端分离器也是一个3端口高通/低通滤波器组，其作用与用户端分离器相反。
ADSL系统的构成：
●G.dmt标准的ADSL系统的构成。
G.dmt标准即G.992.1，它规定了全速率ADSL的技术规范。
其最低下行传输速率为6.144Mbps，上行传输速率为640kbps。
在下图中，ATU-R是指ADSL用户端MODEM。
由于ADSL传输速率较高，因此通常可以支持一个家庭网络或一个小型办公局域网。
从PC机发送/接收的数据首先与家庭（或办公）网络相连，然后通过ATU-R转换成可以在电话线上传输的信号。
为了使数据信号与话音信号能同时在电话线上传输，ATU-R和电话都与信号分离器相连，通过频带上的划分实现话音信号与数据信号在双绞线上的混合传输。
话音/数据混合信号到达局端之后，首先通过一个局端的信号分离器，分离出话音和数据信号。
这里，POTS是普通老式电话系统（PlaneOldTelephoneSystem）的英文缩写。
经过分离器的话音信号通过电话网络传输，而数据信号通过专用的高速数据网络传输，这样就避免了电话网络对数据传输速率的限制，可以使数据传输速率大大超过64kbps。
ATU-C是指ADSL局端MODEM。
在局端，对应于每一个用户都有一个单独的分离器和一个单独的ATU-C与其相连，因此DSL是一种点对点的专线传输。
经过ATU-C之后．数据被送入DSLAM。
DSLAM是DSL接入复用器（DSLAccessMultiplexing）的缩写，其功能是将多个用户线传输数据流集合为更高速率的数据．通过高速的网络接口如ATM或STM与骨干网络相连。
经过DSLAM之后，数据通过高速数据网络可以与网络服务提供商的服务器相连。
图2：
G.dmt标准的ADSL系统的构成框图
●G.lite标准的ADSL系统的构成。
在前面所介绍的G.dmt标准的ADSL系统中，使用分离器将话音和数据在领域上分开，因此话音传输和数据传输可以同时在双绞线中进行。
而相比之下，话带MODEM的话音传输和数据传输则是互斥的，是不能同时发生的。
但是安装分离器却是一个非常复杂的过程，需要有经验的技术工人上门安装、调试，而且可能需要对电话线进行一定的改造，如移去加感线圈等等。
因此，人们希望能够在不用分离器的情况下也能采用ADSL技术，这就是所谓的“不用分离器的ADSL”这种ADSL的标准被称为G.lite。
下图中所示为G.dmt标准的ADSL系统（图中左上部分）和G.lite标准的ADSL系统（图中左下部分）的结构比较，以及用户如何使用家用PC通过ADSL接入网访问Internet的过程。
图中，左上部分是一个全速率ADSL的接入示意图，左下部分是一个G.lite标准的ADSL的接入示意图。
在G.lite标准的ADSL接入中，取消了用户端分离器，用户的数据和话音信息直接连在一起，在电话线上传输。
虽然话音信号的有效频谱只有30~3kHz，但带外还是有一些谐波分量和干扰信号。
由于没有用户端分离器，这些带外信号就变成了ADSL信道的干扰噪声信号，使数据传输和话音传输之间相互干扰。
由于这种干扰的影响，G.lite的传输速率远低于G.dmt的传输速率。
在国际电信联盟（ITU）的G.dmt标准中，规定最低下行传输速率为6.144Mbps，上行传输速率为640kbps。
而在相应的G.lite标准中，规定最高下行传输速率为1.536Mbps，上行传输速率为512kbps。
可以看出，G.lite的下行传输速率损失很大。
尽管不用信号分离器会损失ADSL的性能，但是它可以实现用户购买ADSLMODEM之后“即插即用”的功能，因此对于推广ADSL技术仍然具有极大的价值。
图3：
全速ADSL与G.liteADSL
3、VDSL技术
VDSL是新一代更高速的DSL技术，它是英文“Very-high-bit-rateDigitalSubscriberLine”的字头缩写，即“甚高速效字用户线”技术。
VDSL可以在普通双绞线上达到最高52Mbps的传输速率。
它具有多种工作模式，包括对称传输和非对称传输以及多种不同的传输速率，因此可满足不同用户的需求。
由于VDSL传输速率更高，因此它要求双绞线长度更短，通常在300m1km之间，双绞线的长度与传输速率成反比。
与ADSL相比，VDSL在双纹线上使用更高的频带，它使用的频段在电话网和ISDN的频率之上。
因此与ADSL相比，它不仅可以兼容现有的传统话音业务，还可以兼容ISDN业务。
VDSL也是用无源滤波器作为信号分离器来兼容话音和ISDN传输的，其基本原理与ADSL中的类似。
当VDSL达到最高传输速率时，其作用距离只有300米。
因此，VDSL不是直接从局端到用户端的双绞线连接，而是从光纤节点（0NU：
0pticNetworkUnit）到用户端的双绞线连接。
相比之下，HDSL和ADSL都是从局端到用户端直接相连。
下图是VDSL和ADSL拓扑结构的比较。
图4：
VDSL和ADSL拓扑结构比较图
VDSL的工作流程：
参考下图：
图5：
VDSL系统内部的拓扑图
①VDSL接入网的左侧连接FTTC或FTTB光网络，数据经过光纤接口单元（ONU）输入到VDSL的局端设备VTU-O。
②VTU-O的输出经过分离器，与电话业务（POTS）或已有的ISDN业务混合，形成双绞线上传输的混合模拟信号。
这里，分离器的结构和功能与ADSL中的分离器类似，也是一个低通和高通滤波器组，可以在频域上区分高频的VDSL信号与低频的话音和ISDN信号。
③与ONU一端对应，在每个用户端也都有一个分离器。
线路上的模拟信号进入用户端的分离器后，电话或ISDN业务被分离出来，送入电话或ISDN终端,而高速的数据业务则送到VDSL远端设备VTU-R。
④VTU-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，VTU-R也可以和局域网服务器连接。
VDSL使用的频带：
VDSL要使用0.138MHz17MHz之间的16个传输频带，这是在VDSL发展初期提出的传输能力和使用频带的要求。
随着技术的发展和各种标准组织的争论，以及电信运营商和服务运营商为各自利益的争夺，VDSL的传输能力和使用频带出现了很大的变化，最终演变为4频带计划G.997和G.998。
G.997是ETSI通过的频带标准，根据欧洲运营商的要求，具有上行3Mbps、下行14Mbps的非对称业务．以及速率为8Mbps的对称业务。
使用频带范围如下：
G.998是ANSI通过的频带标准，根据北美运营商的要求，具有上行3Mbps、下行22Mbps的非对称业务，以及速率为6Mbps的对称业务。
使用频带范围如下：
VDSL的调制技术：
VDSL目前仍处于标准制订阶段，争论的焦点之一是使用哪种调制方式。
目前提出的主要调制方式有2种：
无载波调幅调相技术（CAP）和离散多音调制技术（DMT）。
CAP调制是QAM调制的一个变种。
在VDSL中，CAP调制的载波频率为33.75kHz的整数倍。
为对抗信道传输的非理想性，CAP调制的关键是要采用复杂的均衡技术。
与CAP相比，DMT是新出现的技术，只有更灵活的性能，但是技术难度也更大。
DMT技术的主要特点是将信道划分为多个子载波，根据每个子载波的信噪比分配其传输比特。
这种技术可以不用复杂的均衡器，性能也更灵活。
在VDSL中的DMT技术是将整个频带划分为512~4096个子载波，相邻子载波的频率间隔是4.3125kHz。
根据每个子载波不同的信噪比，DMT在其中分配不向的比特数，比特分配的方法采用注水算法。
最后在每个的子载波中再进行2维星座编码。
由于双绞线上传输的都是时域信号，因此DMT还要把频域子载波的信号转换到时域才能传输，这是通过离散傅里叶逆变换（IDFT）实现的。
相应地，在接收端应有离散博里叶变换（DFT）处理，把时域信号变换回频域，以供后续的检测和其他处理。
考虑到每个频带都是复数的QAM调制，因此IDFT和DFT的点数都是1024到8192点。
图6：
DMT的原理方框图
VDSL系统的参考模型：
下图给出了详细的VDSL系统的参考模型，它不仅包括网络的各个模块，而又包括了8个功能独立的网络逻辑接口以及4种可能的用户端网络模式。
图7：
VDSL接入网系统参考模型
VDSL的协议模型：
如果从OSI7层协议的角度出发，则可以把VDSL的逻辑功能归结为如下图所示的模型。
可以看出VDSL主要分为2层：
传输汇聚层（TC：
TransmissionConvergence）和物理媒质层（PMD：
PhysicalMediumDependent）。
其小TC层义可以分成2部分：
特定传输协议的TC层（TPS-TC：
TransportProtocolSpecific-TC）和特定物理媒质的TC层（PMS-TC：
PhysicalMediumSpecific-TC）。
图8：
VDSL的协议模型
●TPS-TC层：
TPS-TC层是针对某种特定的上层传输协议的数据汇聚层，不同的协议（如ATM、STM）需要使用不同的TPS-TC层来汇聚数据。
TPS-TC可以把来自不同上层传输协议的数据汇聚到一起，变成结构统一的数据流，并按要求分为快信道数据和慢信道数据，交给PMS-TC进行处理。
同时，它也可以将来自PMS-TC的与应用无关的数据帧拆分到各个不问的应用接口。
因此，TPS-TC对上层的数据接口是不同应用的数据帧（如ATM、STM），对下层的数据接口是与应用无关的快信道和慢信道数据帧。
●PMS-TC层：
PMS-TC层是指定物理媒质的汇聚层，可以对来自TPS-TC的快信道数据和慢信道数据进行成帧、加扰、FEC和交织处理，最后合成PMD传输帧。
同时．它也可以对来自PMD层的数据进行解交织、FEC校验、解扰和帧分解等处理。
因此，PMS-TC对上层的数据接口是快信道和慢信道的数据帧，对下层的数据接口是统一的PMD帧。
●PMD层：
PMD层是VDSL收发器的核心。
它对来自上层的数据帧进行编码和调制，并通过DAC和模拟前端器件将模拟信号发送到双绞线上。
同时，它也可以对接收到的模拟信号进行滤波、放大、采样、解调和解码等处理。
●VDSL系统可以使用不向的上层传输协议，如ATM、STM（SDH）和IP等，而且VDSL系统还应能适应未来的传输协议。
【实验设备】
1、AN2100-03型ADSL接入设备
图9：
AN2100-03前面板
图10：
AN2100-03后面板
功能特点：
●设备分为A型和B型，A型支持32线，B型支持16线，内置话音分离器，可通过FE级联扩展至256线，灵活扩展用户。
可灵活选择220V供电或-48V供电；
●组网方式灵活，支持100Base-T、100Base-F等以太网上行接口，既可单独组网，也可通过以太网接口与AN2200系列设备级联混合组网；
●标准19英寸，1U高度，既可以插入标准19英寸机架，也可以放置在桌面或壁挂安装。
紧凑的设计，大大降低对空间、电源等环境条件的要求；
●支持带内/带外网管，可用WINDOWS的超级终端通过CONSOLE口（串口）对设备进行配置和管理，也可通过TELNET方式连接对设备进行配置和管理。
●设备功耗更低，可大幅节约电能，有效降低运维成本。
2、AN1020-01TADSL调制解调器
图11：
ADSLMODEM
特点：
●全速率、自适应ADSL路由器，支持桥接/路由方式；
●最高下行/上行速率：
8Mbps/1Mbps；
●最大传输距离5.4公里；
●完善、友好的用户配置界面，符合目前流行的Sever/Browser模式；
●支持全速率ADSL标准：
ANSIT1.413Issue2、G.dmt、G.Lite。
数据封装：
●支持RFC1483Bridge
●支持RFC1483Router
●支持Classica
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