现代通信技术与系统.docx
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现代通信技术与系统
现代通信技术与系统
陆韬编著
注：
本教材已由武汉大学出版社出版
版权所有，翻录必究
二OO八年七月
武汉大学出版社
第9章有线通信综合接入网技术
宽带互联网的组网结构分为“用户接入网”和“城域骨干网+长途广域网”两部分；宽带接入网是使用最广泛,发展技术较快的重要通信技术,代表着通信网络的主要组成部分。
本章叙述了宽带互联接入网的主流组网技术和发展的新标准，共分为四个部分：
第1节概述了通信宽带互联网组网概念与国际规范；第2节简述了通信宽带铜线接入技术；第3节简述了通信网宽带光纤接入技术；第4节简述了用户综合通信网组网技术；其中第2-4节均为最新通信接入网技术的技术发展成果；整章内容构成了通信接入网络的基础理论要点，具有很强的实用性。
§9-1宽带互联网组网技术概论
§9-1-1通信接入网概论
1.通信接入网概论
根据ITU-T建议G.902的定义：
通信接入网（AN）是由通信业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列通信业务传输设施所组成的，该设施受到通信运营商（电信公司）的监控、配置和管理。
它主要包括用户终端设备、用户线传输系统和通信业务节点接口设备等三大部分。
其功能主要是将用户的各种通信业务信息汇聚传送至电信公司的通信系统（如节点机房等）。
我国自20世纪90年代（1990年之后）开始，大量采用全塑铜芯双绞线市内通信电缆，敷设于通信用户与电信局（交接箱、节点机房等）之间，形成了庞大的通信电缆（属于“一类双绞线”）接入网的特点；目前城市通信机房一般分为“交换传输中心机房（监控中心）”和“小区节点机房（无人职守）”两大类，每个中心机房统一监管若干个小区节点机房，通过（单模）光纤传输系统，疏导其通信业务量；每个小区节点机房则汇聚其自然地域范围内的所有通信用户，一般每个小区节点机房的用户区域半径在2.5Km以内，最大不超过5.0Km，用户总数一般不超过1.5万户。
接入技术可以分为有线接入技术和无线接入技术两大类，目前向用户提供宽带业务的主要有基于铜线的ADSL技术、光纤接入（EPON、GPON）技术、基于HFC的CableModem及宽带无线等接入方式，而ADSL和光纤两种接入方式占了95%以上的市场份额。
本章主要介绍有线通信接入技术。
2．接入网的定义
根据ITU-T建议G.902的定义：
接入网（AN）是由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体所组成的电信承载系统，并可通过标准管理（Q3）接口进行配置和管理。
它通常包含用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户网络接口设备。
其主要的作用包括复用和传输功能，但一般不包括交换功能，并且独立于交换机。
另外接入网对用户信令是透明的，不做处理，相应的信令处理由SN完成。
图9.1接入网的系统组成示意图
ITU-T接入网的主要设计目标如下：
（1）支持各类综合电信业务的接入。
将接入网从具体的业务网中剥离出来，成为一种独立于具体业务网的基础接入平台，以支持电话、宽带、IPTV等各类电信业务接入，有利于降低接入网的建设成本。
（2）开放、标准化SNI接口。
将接入网与本地交换设备之间的接口，即SNI接口由专用接口定义为标准化的开放接口，这样AN设备和交换设备就可以由不同的厂商提供，为大量企业参与接入设备市场的竞争提供了技术保证，有利于设备价格的下降。
（3）独立于SN的网络管理系统。
该网管系统通过标准化的接口连接TMN，由TMN实施对接入网的操作、维护和管理。
以上对接入网的定义，既包括了窄带接入网又包括了宽带接入网。
通常宽带与窄带的划分标准是用户网络接口上的速率，即将以分组交换方式为基础，把用户网络接口上的最大接入速率超过2Mb/s的用户接入系统称为宽带接入，对最小接入速率则没有限制；窄带接入系统是基于传统的64kb/s的电路交换方式发展而来的，对基于IP的高速数据业务支持能力较差。
3．接入网的范围定界
接入网覆盖的范围由三个接口界定，如图9.1所示。
网络侧经SNI与业务节点（SN）相连，CPE可以是简单的一个终端，也可以是一个复杂的局域网或其他任意的用户专用网。
TMN侧可通过标准管理接口Q3对接入网设备进行配置和管理。
其中SN是提供业务的实体，比如SN可以是本地交换机、IP路由器、租用线业务节点或特定配置的视频点播（VOD）等。
接入网允许与多个SN相连，既可以接入多个支持不同业务的SN，也可以接入支持相同业务的多个SN。
图9.2接入网的一般物理结构示意图
4．接入网的一般物理结构
接入网从物理上可分为馈线段、配线段和引入线段，图9.2为接入网的一般物理结构。
连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段，接入网的局端设备可以放在机房内，即和业务节点放在一起，也可以放在机房外，如某个小区中心、马路边或写字楼内。
如果局端设备与业务节点放在一起，则局端设备一般通过电接口与业务节点直连；如果局端设备没有与业务节点放在一起，则馈线段一般采用有源光接入技术，如SDH、PDH等。
网络拓扑结构可以是环型或星型。
连接局端设备和远端设备之间的部分称为配线段，远端设备一般放在马路边、小区中心、大楼内、用户办公室或用户家中，局端设备和远端设备之间可采用无源光纤、无线或铜线方式传输。
网络拓扑结构可以是星型或树型。
引入线部分的传输媒介一般为铜线或无线。
§9-1-2主要功能和协议参考模型
1．接入网的功能模型
接入网的功能结构分为五个基本功能组：
用户口功能（UPF）、业务口功能（SPF）、核心功能（CF）、传送功能（TF）和接入网系统管理功能（AN-SMF），其结构如图9.3所示。
图9.3接入网的功能结构示意图
（1）用户口功能用户口功能的主要作用是将特定UNI的要求与核心功能和管理功能相适配，它完成的主要功能有：
终结UNI功能、A/D转换和信令转换、UNI的激活与去激活、UNI承载通路/承载能力的处理、UNI的测试。
（2）业务口功能业务口功能的主要作用是将特定SNI规定的要求与公用承载通路相适配以便核心功能处理，也负责选择有关的信息以便在AN-SMF中进行处理，主要功能有：
终结SNI功能、将承载通路的需要和即时的管理及操作需要映射进核心的功能、对特定的SNI所需的协议进行协议映射，以及SNI的测试。
（3）核心功能核心功能的主要作用是负责将个别用户承载通路或业务口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。
核心功能可以在接入网内分配，具体包括：
接入承载通路的处理、承载通路集中、信令和分组信息的复用、ATM传送承载通路的仿真及管理和控制。
（4）传送功能传送功能的主要作用是为接入网中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道，也为所用传输媒介提供媒介适配功能，主要功能有：
复用功能、交叉连接功能、管理功能、物理媒介功能等。
（5）接入网系统管理功能接入网系统管理功能的主要作用是协调接入网内UPF、SPF、CF和TF的指配、操作和维护，也负责协调用户终端（经UNI）和业务节点（经SNI）的操作功能,主要功能有：
配置和控制功能、指配协调功能、故障监测和指示功能、用户信息和性能数据收集功能、安全控制功能、资源管理功能、对UPF和SN协调的即时管理和操作功能。
2．接入网的参考模型
接入网的功能结构实际是以ITU-TG.803建议的分层模型为基础的，而分层模型则定义了构成接入网的各实体之间的相互配合关系，接入网的通用协议参考模型如图9.4所示。
其中电路层面向电路层接入点之间信息的承载模式，例如电路模式、分组模式、帧中继模式、ATM模式等。
图9.4接入网通用协议参考模型示意图
通道层定义了通道层接入点之间信息的传递方式，并为电路层提供透明的通道，如PDH、SDH、ATM及其他类型的通道。
传输媒介层则与具体的传输媒介相关，相当于OSI的物理层，它可以是铜线系统（xDSL）、光纤接入系统、无线接入系统、混合接入系统等，而具体的传输媒介可以是双绞线、光纤、无线或同轴光纤混合方式等。
接入承载处理功能位于电路层之上，主要用于用户承载体、用户信令及控制与管理。
§9-1-3接入网的接口与分类
接入网有三种主要接口，即业务节点接口、用户网络接口和维护管理接口等。
1．业务节点接口（SNI）
SNI是接入网和SN之间的接口，可分为支持单一接入的SNI和综合接入的SNI。
目前支持单一接入的SNI主要有模拟Z接口和数字V接口两大类，其中Z接口对应于UNI的模拟2线音频接口，可提供模拟电话业务或模拟租用线业务；数字V接口主要包括ITU-T定义的V1-V5，其中V1、V3和Ｖ4仅用于N-ISDN，V2接口虽然可以连接本地或远端的数字通信业务，但在具体的使用中其通路类型、通路分配方式和信令规范也难以达到标准化程度，影响了应用的经济性。
支持综合接入的标准化接口目前有V5接口和以ATM为基础支持宽带综合接入的VB5接口，但VB5目前尚在制定中，还很不完善。
2．用户网络接口（UNI）
UNI在用户侧，接入网经由用户网络接口与用户宅用设备（CPE）或用户驻地网（CPN）相连。
用户网络接口主要有传统的模拟电话Z接口、ISDN基本速率接口、ISDN基群速率接口、ATM接口、E1接口、以太网接口，以及其他接口。
用户终端可以是计算机、普通电话机或其他电信终端设备。
用户驻地网可以是局域网或其他任何专用通信网。
3．维护管理接口（Q3）
维护管理接口是电信管理网与电信网各部分的标准接口。
接入网也是经Q3接口与电信管理网（TMN）相连，以方便TMN管理功能的实施。
4．接入网的分类
根据宽带接入网采用的传输媒介和传输技术的不同，接入网可分为宽带有线接入网和宽带无线接入网两大类。
宽带有线接入网技术主要包括：
基于双绞线的xDSL技术、基于HFC网（光纤和同轴电缆混合网）的CableModem技术、光纤接入网技术等。
宽带无线接入网技术主要包括：
3.5GHz固定无线接入、LMDS等。
§9-1-4V5接口
1.V5接口概述
V5的概念最初由美国Bellcore（贝尔实验室）提出，它是专为接入网的发展而提出的本地交换机（LE）和接入网之间的新型数字接口，属于SNI范畴。
20世纪90年代初，随着通信网的数字化，业务的综合化，以及光纤和数字用户传输系统大量引入，要求LE提供数字用户接入的能力。
而ITU-T已经定义的V1～V4接口都不够标准化，很难满足应用中的实际需求。
V5接口正是为了适应接入网范围内多种传输媒介、多种接入配置、多种业务并存的情况而提出的，根据速率的不同，V5接口分为V5.1和V5.2接口。
由于这一新接口规范的重要性和迫切性，ITU-T第13组于1994年以加速程序分别通过了V5.1接口的G.964建议和V5.2接口的G.965建议。
与V5接口相关的标准还涉及V5.1和V5.2接口的测试规范、具有V5接口的AN/LE设备的配置管理、故障管理和性能管理等方面。
我国则在ITU-T的V5接口技术规范基础上，于1996年完成了相应的V5.1和V5.2接口技术规范的制定，并根据我国电信网络的现状，明确了部分可选参数，指明了适用于我国的PSTN协议消息和协议数据单元，并提供适合我国国情的V5接口国内PSTN协议映射规范技术要求。
如果AN-SNI侧和SN-SNI侧不在同一地方，则可以使用V5接口来实现透明的远端连接。
V5接口协议规定了接入网和LE之间互联的信号物理标准、呼叫控制信息传递协议，使得PSTN/ISDN用户端口终止于接入网而不是LE。
通过V5接口接入网只需要完成对用户端业务的提供，呼叫控制功能仍然留给LE完成。
这样就各司其职、独立发展，有助于不同网间互联。
V5接口主要的优点如下：
（1）支持接入网通过复用/分路手段实现对大量用户信令和业务流更有效的传输；
（2）支持通过Q3接口对接入网进行网络管理；
（3）支持对接入网的资源管理和维护；
（4）支持用户选择LE；
（5）充分有效地利用网络带宽资源。
2.V5接口支持的业务
V5接口的现行标准有V5.1和V5.2两个，二者的区别如下：
V5.1接口由一条2.048Mb/s的链路构成，一般在连接小规模的接入网时使用，时隙与业务端口一一对应，不支持集线功能，不支持用户端口的ISDN基群速率接入，也没有通信链路保护功能。
V5.2接口按需可以由1～16个2.048Mb/s链路构成，用于中大规模的接入网连接。
它支持集线功能、时隙动态分配、用户端口的ISDN基群速率接入，可以使用大于E1速率的链路（最高16个E1速率）；V5.2接口能使用承载通路连接（BCC）协议以允许LE向接入网发出请求，并完成接入网用户端口和V5接口指定时隙间的连接建立和释放，提供专门的保护协议进行通信链路保护。
V5.1接口可以看成V5.2接口的子集，V5.1接口可以升级为V5.2接口。
（1）PSTN业务V5接口既支持单个模拟用户的接入，又支持用户小交换机（PABX）的接入，其中用户信令可以是双音多频信号也可以是线路状态信号，二者均对用户附加业务没有影响。
在使用PABX的情况下，支持用户直接拨入功能。
（2）ISDN业务V5.1接口支持ISDN-BRI（2B+D，即144kb/s速度）接入，而V5.2接口既支持ISDN-BRI接入，又支持ISDN-PRI（3B+D，即2048kb/s速度）接入。
B通道和D通道的承载业务、分组业务和补充业务均不受限制。
但V5接口不直接支持低于64kb/s的通道速率。
（3）专线业务专线包括永久租用线、半永久租用线和永久线路（PL），可以是模拟用户，也可以是数字用户。
半永久租用线路通过V5接口，可以使用ISDN中的一个或两个B通道，而永久租用线和永久线路则旁路V5接口。
图9.5V5接口连接示意图（a）V5.1接口；（b）V5.2接口
§9-2宽带铜线电缆接入技术
§9-2-1ADSL接入网技术
1．系统介绍
到目前为止，全球电信运营商的用户有70%以上，仍然是通过双绞线电缆接入电信网络的，这部分的总投资达数千亿美元。
在“光纤到户”技术（FTTH）短期内还无法完全实现的情况下，开发基于双绞线电缆的宽带接入技术，既可以延长原有双绞线铜缆的寿命，又可以降低接入网的系统建设成本，对电信运营商和用户都极有吸引力。
习惯上将各种基于双绞线电缆的宽带接入技术统称为xDSL,其中ADSL技术是目前最有活力的一种宽带接入技术，是大多数传统电信运营商从铜线接入到宽带光纤接入的首选过渡技术。
非对称数字用户线接入技术（ADSL：
AsymmetricDigitalSubscriberLine）的提出最初是为了支持基于ATM的VOD视频点播业务。
20世纪80年代末，电信界内认为VOD是未来宽带网上的主要应用之一，当时电信网入户的线路资源主要是双绞线电缆，在这种条件下人们自然想到利用双绞线开发宽带接入技术。
由于VOD信息流具有上下行不对称的特点，而普通电话双绞线的传输能力又毕竟有限，为了把这有限的传输能力尽可能地用于视频信号的传输，因此，这种服务于VOD的宽带接入技术，应具备上下行不对称的传输能力，即下行速率传输视频流远大于上行速率传输点播命令。
自20世纪80年代末期ADSL技术出现后，曾经一度沉寂。
直到20世纪90年代中后期（我国是自2000年之后），互联网Internet的应用由专业领域走向大众化，并且戏剧性地飞速增长，彻底打乱了电信行业既定的“以ATM技术为主流”的发展方向；互联网上的信息量急剧膨胀，使得传统的窄带接入难以满足大量信息传送的要求，ADSL作为一种宽带接入技术其传输特点恰好与个人用户和小型企事业用户信息流的特征一致，即下行的带宽远高于上行。
这样借助于Internet互联网的发展，ADSL技术不但起死回生，而且从此大规模走向市场，成为目前电信行业的一种主流的宽带接入技术，特别是随着新一代ADSL（ADSL2+/VDSL2接入技术）技术的开发应用，为该系列技术的应用打开了新的大门。
2．工作原理及接入参考模型
ADSL技术是一种以普通电话双绞线作为传输媒介，实现高速数据接入的一种技术。
其最远传输距离可达4～5km，下行传输速率理论值最高可达6～8Mb/s，上行最高768kb/s，因而传输速度比传统的56kb/s模拟调制解调器快100多倍，这也是传统的电信窄带ISDN（传输速率128kb/s）接入系统所无法比拟的。
为实现普通双绞线上互不干扰的同时执行电话业务与高速数据传输，ADSL采用FDM（频分复用）和离散多音调制（DMT：
DiscreteMultitone）技术。
传统电话通信目前仅利用了双绞线20kHz以下的传输频带，20kHz以上频带的传输能力处于空闲状态。
ADSL采用频分复用（FDM）技术，将双绞线电缆上的可用频带划分为三部分：
其中，上行信道频带为25～138kHz，主要用于发送数据和控制信息；下行信道频带为138～1104kHz；传统话音业务仍然占用20kHz以下的低频段。
就是采用这种方式，利用双绞线的空闲频带，ADSL才实现了全双工数据通信，如图9.6所示。
图9.6ADSL频谱安排参考方案示意图
另外为提高频带利用率，ADSL将这些可用频带又分为一个个子信道，每个子信道的频宽为4.315kHz。
根据信道的性能，输入数据可以“自适应地”分配到每个子信道上。
每个子信道上调制数据信号的效率由该子信道在双绞线中的传输效果决定，背景噪声低、串音小、衰耗低，调制效率就越高，传输效果越好，传输的比特数也就越多。
反之调制效率越低、传输的比特数也就越少。
这就是DMT调制技术。
如果某个子信道上背景干扰或串音信号太强，ADSL系统则可以关掉这个子信道，因此ADSL有较强的适应性，可根据传输环境的好坏而改变传输速率。
ADSL下行传输速率最高6～8Mb/s，上行最高768kb/s，这种最高传输速率只有在线路条件非常理想的情况下才能达到。
在实际应用中，由于受到线路长度背景噪声和串音的影响，一般ADSL很难达到这个速率。
基于ADSL技术的宽带接入网主要由局端设备和用户端设备组成：
局端设备（DSLAM：
DSLAccessMultiplexer）、用户端设备、话音分离器、网管系统。
局端设备与用户端设备完成ADSL频带的传输、调制解调，局端设备还完成多路ADSL信号的复用，并与骨干网相连。
话音分离器是无源器件，停电期间普通电话可照样工作，它由高通和低通滤波器组成，其作用是将ADSL频带信号与话音频带信号合路与分路。
这样，ADSL的高速数据业务与话音业务就可以互不干扰。
3．应用领域及不足
现在ADSL的应用领域主要是个人住宅用户的Internet接入，也可用于远端LAN、小型办公室/企业Internet接入等。
其主要的缺点是：
带宽（传输速率）仍嫌不够快。
图9.7ADSL系统接入参考模型示意图
§9-2-2新一代ADSL2+/VDSL2接入技术
1．ADSL2+接入技术
随着ADSL技术在全球范围的大规模推广以及针对于DSL技术的应用和服务的不断推出，第二代ADSL技术标准由ITU－T于2003年1月通过的“ADSL2＋（G.992.5）”推出，它在第一代ADSL（G.992.1）的标准基础上进行了全面的、较大的改进，主要是将频谱范围从１.１ＭＨｚ扩展至２．２ＭＨｚ，相应地，最大子载波数目也由２５６增加至５１２，如下页图9.8所示。
它支持的净数据速率最小下行速率可达25Ｍb／s，上行速率可达８００ｋｂ／ｓ。
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。
ＡＤＳＬ２＋的传送模式在Ｇ．９９２．１标准规定的ＡＴＭ（异步传送模式）和ＳＴＭ（同步传送模式）的基础上，增加了ＰＴＭ（分组传送模式），能够更高效率地传送日益增长的以太网业务。
ＡＤＳＬ２＋标准中还增加了话音、全数字模式等方面的规范，即在没有ＰＯＴＳ业务时用该话带传送数据，这样可增加２５６ｋｂ的上行带宽；定义了更灵活的帧结构以支持四种延迟通道、四个承载信道，支持对误码和时延的配置。
与ＡＤＳＬ相比，ＡＤＳＬ２＋在技术和应用上都取得了突破。
第一，传统的ＡＤＳＬ系统能提供的最大下行速率为８Ｍ；而ＡＤＳＬ２＋通过频谱的扩展，实现从２６ＫＨｚ到２．２ＭＨｚ的频率分布，实现５１２个子载频，最大下行速率至少可以达到２０Ｍｂ/ｓ，可以在较宽松的距离内轻松提供如视频电话、ＶＯＤ、视频会议等宽带业务。
电话
通道
图9.8ADSL2+制式频谱安排方案示意图
第二，传统的ＡＤＳＬ系统最大覆盖范围约为３ｋｍ，如果线路有损伤、噪音干扰，那么覆盖的范围就更小，严重限制了用户的接入能力。
而ＡＤＳＬ２＋采用增强的调制方式和无缝速率适配，可以更好地降低线路噪声对信号的影响，可将覆盖距离延伸至６ｋｍ左右，能接入的用户数量大大提高。
第三，传统的ＡＤＳＬ系统在业务开通前或业务运行期间无法对线路的参数进行监测，对线路是否能开通ＡＤＳＬ业务或发生故障时判断故障点无能为力；而ＡＤＳＬ２＋具有强大的线路诊断能力，整个系统的线路质量评测和故障定位功能比从前有了很大改善，使ＡＤＳＬ业务变得更加容易管理和维护。
相当一段时间内，ＡＤＳＬ都将是宽带接入的主流方式，而ＡＤＳＬ２＋凭借其技术上的领先性，必将延续ＡＤＳＬ的既有地位成为市场应用主流。
以下的案例也说明ＡＤＳＬ２＋具有广泛的应用前景。
２００４年浙江杭州电信公司升级了ADSL2+设备后，对于许多远距离无法接入的用户进行了覆盖。
使６公里以内的用户实现稳定上网，在３.９公里的情况下，同步速率达到３．５Ｍｂ/ｓ；在５．５公里的情况下，同步速率超过７００ｋｂ/ｓ。
同时将设备适用频带从４ｋ－１.１Ｍ扩展到４Ｋ－２.２Ｍ，有效的减小了线间串扰，提高了综合出线率。
目前新一代ADSL设备均采用ADSL2+设备接入用户。
2.VDSL2接入技术
为了进一步推动宽带接入网的技术发展，ITU－T于2005年5月推出了“VDSL2＋（G.993.2）”标准，VDSL2是迄今为止最新、最先进的xDSL宽带铜线电缆通信标准；能够在短距离（350M）范围内提供高达100Mb/s的上下对称数据速率，也可以在1.2~1.5公里距离内提供全双工30Mb/s的超高数据速率；因而VDSL2标准支持语音、视频、数据、HDTV和互动游戏等三重（triple-play）业务的广泛部署，可以帮助通信公司逐步、灵活和节省成本地升级现有的xDSL基础架构。
业界首个与该标准完全兼容的是英飞凌半导体公司的“VINAX”VDSL2芯片组，于标准颁布的次日（2005-05-28）即宣布研发成功。
VDSL2仍使用DMT线路编码，与ADSL系列标准完全兼容，子载波数目也由512个增加至最大4,096个；新的VDSL2解决方案既可以满足VDSL2、也可以满足ADSL/2+设备的要求。
因此使用者只需使用一种技术就能平滑、逐步和高效地将现有网络升级到VDSL2，并允许他们用单个网络覆盖所有xDSL业务应用；因而形成了接入系统在0.6km内使用VDSL2标准，在1~3km范围使用ADSL2+标准，而在3km以上使用ADSL标准的铜线电缆接入网通信格局。
同时用户仍可以继续使用ADSLMODEM，想升级带宽，接收先进的通信三重业务时，只需简单地升级他们的用户端设备（CPE）就可以了。
这实现了更低的设施和维护成本以及到VDSL2的无缝（软件）升级。
§9-3宽带光纤接入技术
§9-3-1概述
1．系统介绍
光纤接入网指采用光纤传输技术的接入网，一般指本地交换机与用户之间采用光纤或部分采用光纤通信的接入系统。
按照用户端的光网络单元（ONU）放置的位置不同又划分为FTTC（光纤到路边）、FTTB（光纤到大楼）、FTTH（光纤到户）等等。
因此光纤接入网又称
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