宽带接入技术的发展与应用.docx
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宽带接入技术的发展与应用
宽带接入技术的发展与应用
1.引言
随着Internet的迅猛发展，人们对远程教学、远程医疗、视频会议等多媒体应用的需求大幅度增加，电子商务更是网络应用的典型热点。
同时，人们对网络带宽及速率也提出了更高的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带方向迅速发展。
目前对于主干网来讲，各种宽带组网技术日益成熟和完善，波分复用系统的带宽已达400Gbit/s，IPoverATM、IPoverSDH、IPoverWDM（DWDM）等技术已经开始投入使用，并提出了建立全优化光学主干网络，可以说网络的主干已经为承载各种宽带业务作好了准备。
但是位于通信网络与用户之间的接入网发展相对滞后，接入网技术成为制约通信发展的瓶颈。
为了给广大用户提供端到瑞的宽带连接，保证宽带业务的开展，接入网的宽带化、数字化是前提和基础，同时也是网络技术中的一大热点和高利润增长点。
网络接入方式的结构,统称为网络的接入技术,其发生在连接网络与用户的最后一段路程,网络的接入部分是目前最有希望大幅提高网络性能的环节。
对本地环路网来说这是一个瓶颈，全球拥有上亿条用户接入线，因其功能有限阻碍着网络用户业务的发展，而与用户线路另一端的高性能设备形成了鲜明的反差。
随着电子技术和光电技术的迅速发展，数字电子系统（从个人计算机到网络交换机或路由器）以及信息传输设备性能都在快速稳步的增长，为解决这一环路瓶提供了广阔的发展前景。
由于在本地环路铜线上传输的仍然是模拟信号，人们仍然使用着狭窄的无线电频道穿越拥挤的无线电频谱。
目前如何大规模拓宽网络接入的瓶颈为全球现有的10.5亿条接入线提供超宽频带,已是当前网络技术发展的焦点,瓶颈是相对的,一对金属线可以提供支持双向交谈的足够容量,但传统的铜线所能提供的带宽,对高性能的数据网络和因特网来说的确有些勉为其难,数据用户不仅希望与对方交谈,而希望通过视频会议系统看到对方的虚拟影象,所以对传统的接入技术（接入方式、接入布线）提出高性能的要求，以突破网络接入环节的瓶颈。
以增加网络最后一段路程中的带宽，在大范围达到并满足用户在家庭或小型办公室的通信要求的基本前提。
而局部环路的瓶颈是由今天提供的较低比特率造成的，事实上，除了本地环路的带宽限制外，当前的数据网络技术已足以保证提供运动图像和其它高带宽服务。
目前正广泛兴起的宽带网接入相对于传统的窄带接入而言显示了其不可比拟的优势和强劲的生命力。
为了适应新的形式和需要，出现了多种宽带接入网技术。
包括铜线接入技术、光纤接入技术、混合光纤同轴（HFC）接入技术等多种有线接入技术以及无线接入技术等。
然而，各种各样的宽带接入方式都有其自身的长短、优劣，不同需要的用户应该根据自己的实际情况做出合理的选择。
2.铜线接入技术
传统铜线接入技术，即借助电话线路，通过调制解调器拨号实现用户接入的方式，速率已达56kbit／s（通信一方应为数字线路接入），但这种速率还远远不能满足用户对宽带业务的需求。
虽然铜线的传输带宽有限，但由于电话网非常普及，电话线占居着全世界用户线的90％以上，如何充分利用这部分宝贵资源，采用各种先进的调制技术和编码技术，提高铜线的传输速率，是中、近期接入网宽带化的重要任务，目前，以电话线为传输介质的宽带接入技术主要有以下几种。
xDSL是DSL（DigitalSubscriberLine）的统称，意即数字用户线路，是以铜电话线为传输介质的点对点传输技术。
尽管xDSL可以包括HDSL（高速数字用户线）、SDSL（对称数字用户线）、ADSL（非对称数字用户线）、VDSL（甚高比特率数字用户线）,但是目前市面上主要流行的还是ADSL（非对称数字用户线路）和VDSL（甚高速数字用户线）。
VDSL以其52Mbps的理论速度相对于于ADSL1.5Mbps的理论速度而言，具有绝对的性能优势，但是其高昂的价格也让用户望而却步。
它适合于单位用户召开电视电话会议等。
DSL实质是一系列的超级Modem，他们的传输速率要远远高于普通的模拟Modem，甚至能够提供比普通模拟Modem快300倍的兆级传输速率。
由于DSL使用普通的电话线（不象其他的高速传输技术，如CableModem），所以DSL技术被认为是解决“最后一英里”问题的最佳选择之一。
其最大的优势在于利用现有的电话网络架构，为用户提供更高的传输速度。
用户在两个方向并非需要同等的带宽,相反他们希望更多的带宽用于接收视频或因特网服务,为满足这一非对称的接入要求,工业界已开发出非对称数字用户线路技术（ADSL）。
ADSL技术为家庭和小型业务提供了增强带宽的标准方式，国际电信联盟公布的G.Lite或ADSLLite标准规定的下行带宽为1.5Mbs,上行带宽为384Kbps,前者大约是现有拨号模拟调制解调器的50倍，为此实际上与网络建立了两个连接，它们分别用于电话和数据业务，并可同时打开和连续使用。
在现时中，为了满足电视会议或建立Web主机的需求，对数据服务要求不多的用户也可能仍然需求对称的高速支持。
为满足这部分用户要求对称高速的支持，开发的DSL（SDSL）可以在环路上提供宽带接入，对称的DSL可以在两个方向提供最高1.5Mbps的数据传输率，从而充分利用铜线环路技术带来的所有价值.
2.1高速数字用户环路（HDSL）技术
HDSL是数字用户线（DSL）技术中的一种，它采用高速自适应数字滤波技术和先进的信号处理器，进行线路均衡，消除线路串音，实现回波抑制，不需要再生中继器，适合所有用户环路，设计、安装和维护方便、简捷。
HDSL采用的编码类型为2B1Q码或CAP码，可以利用现有电话线缆的用户线中两对或三对双绞线来提供全双工的T1／E1信号传输，对于普通0.4～0.6mm线径的用户线路来讲传输距离可达3～6km，比传统的PCM技术要长一倍以上，如果线径更粗些，传输距离可接近10km。
HDSL技术广泛适用于移动通信基站中继、无线寻呼中继、视频会议、ISDN基群接入、远端用户线单元（RLU）中继以及计算机局域网互联等业务，由于它要求传输介质为2～3对双绞线，因此常用于中继线路或专用数字线路，一般终端用户线路不采用该技术。
与HDSL有关的标准包括ANSI的T1E1.4。
ETSI的DTR／TM－3017以及ITU－T的G.991.1等，该技术目前还没有统一的国际标准。
这种性能主要由于两个主要的HDSL技术；2B1Q和全双工传输，实现回音消除，HDSL系统由两个单元组成，一个在用户端（NTU），另一个在转换端（LTU）。
两者通过两个或三个双绞线对，每对可单独传输1168/784KBIT/S数据位流以584KBIT/S和/392KBIT/S的低波特率传输，低波特率使长距离传输变为可能。
显示删除和自适应技术实现和服务。
为替换本地局与用户局间的E1连接，HDSL技术提供几种应用和服务。
2.1.2高质量的视频电话，为点到点连接也好，为视频会议也好，可能成为每个人生活中的一个重要部分。
这项应用需1MBIT/S速率，HDSL能够支持。
2.1.2因为标准的成熟，我们能看见每家不只需要一根视频电话线，可能一个五口之家需要4到5根视频线，其中包括传真。
HDSL可通过一条双绞线支持15条线路。
2.1.3越来越多的人想在家里办公来节省时间，为这一需求。
要在工作地点和家庭之间实现高速数据传输。
2.1.4每个家庭的报纸和杂志服务，同样是一个很迫切的要求。
2.2非对称数字用户环路（ADSL）技术
ADSL是一种非对称的数字用户环路，即用户线的上行速率和下行速率不同，根据用户使用各种多媒体业务的特点，上行速率较低，下行速率则比较高，特别适合传输多媒体信息业务。
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，它采用正交调幅（QAM）、无载波幅度相位调制（CAP）、离散多音频调制（DMT）等调制技术，通过对不同的业务和上下行信号采用频分复用方式，实现了在一对普通电话线上同时传送一路高速下行单向数据、一路双向较低速率的数据以及一路模拟电话信号，可直接利用用户现有的电话线路，在线路两侧各安装一台ADSL调制解调器即可。
在普通电话双绞线上，ADSL的典型的上行速率为16～640kbit/s，下行速率为1.544～8.192Mbit／s，传输距离为3～6km，有关ADSL的标准有ANSI的T1E1.4、ITU－T的G.922.2、G.992.1等。
ADSL除可提供电话业务外，还能提供多种宽带业务，在未来几年内，ADSL接入技术将会是终端用户最主要的宽带接入方式。
ADSL是利用数字编码技术从现有的铜制电话线上获取最大数据传输容量，同时又不干扰在同一条线路上进行的常规语音服务。
ADSL的基本原理是使用电话话音以外的频率来传输数据，使用户在浏览Internet的同时可以打电话或发传真，而且不会影响通话的质量和网络下载速度。
ADSL技术有利于充分利用铜缆资源，保护已有投资，能够在正常开通现有话音业务的同时提供宽带业务。
目前ADSL的技术和产品已比较成熟、价格也在不断下降，特别是对中国电信这样一个拥有大量铜缆资源和超过1.35亿电话用户的运营商来说，有重要的现实意义和巨大的发展潜力。
如果今后五年内有20％的电话用户能够使用ADSL，用户数量就会超过2000万，这将是一个巨大的市场。
ADSL的应用主要有两种方式：
2.2.1在交换端局到用户间直接使用ADSL，可以利用已有电话铜缆，快速满足用户的宽带业务需求。
更重要的是，这种方式从网络结构上将话音和数据业务流量分离，将数据业务流量从接入部分直接分流到数据网络中，能够有效地缓解用户上网负荷对电话交换网的压力。
可根据线路条件、设备产品价格、用户业务需求和资费等具体情况，开通ADSL（或G.lite）的多种子速率，包括限速提供512Kbps、284Kbs等。
2.2.2FTTx＋ADSL方式。
由于光节点靠近用户，铜缆距离较短，线间串扰较小，因此可以达以较高的传输速率，并可随着技术的发展向VDSL升级。
ADSL尚在起飞阶段时，internet业务就已呈现了爆炸式的增长，能否经济有效的支持internet业务已成为接入网技术考虑的重要因素。
尽管ADSL技术能支持internet业务，但成本仍嫌偏高，用户侧设备的安装仍嫌麻烦。
ITU-T专家们充分意识到这一工作的重要与市场前景，成立了课题组开发简化的无电话分离器的ADSL标准，并已在1998年10月通过建议G.922.2。
其基本思路有两点，第一是速率降低到1.5Mb/s左右，第二在用户处不用电话分离器，价格会大大下降，其应用前景十分可观。
G.992.2规定下行速率降到64kb/s至1.5Mb/s，上行速率为32kb/s至512kb/s，线路码仍为DMT，主要业务则为internet接入、Web流览、IP电话、远程教育、在家工作、可视电话和电话等。
当然还有不少地方须改进，如组帧效率的改进、比特交换与速率适配等。
目前，市面上电信和铁通都在经营ADSL业务，在他们经营的业务中，分为虚拟拨号ADSL和固定IPADSL，在带宽上也分有等级：
512K、1M、2M等。
对于普通的家庭用户，电信提供512K的虚拟拨号ADSL，铁通提供2M的虚拟拨号ADSL。
对于非营运性的家庭用户，电信提供512k的虚拟拨号ADSL，铁通提供2M的虚拟拨号ADSL。
但是选择铁通需要使用铁通的固定电话，因此位置必须靠近铁路才行。
2.3超高速数字用户环路（VDSL）技术
VDSL和ADSL技术相似，也是一种非对称的数字用户环路技术，采用频分复用方式，将POTS、ISDN以及VDSL的上、下行信号放在不同的频段传输，但VDSL比ADSL的传输速率更高，是高速的ADSL。
VDSL采用CAP、DMT和DWMT等编码方式，在一对普通电话双绞线上提供的典型速率为上行1.6～2.3Mbit／s，下行12.96～55.2Mbit／S（目前最高达到155Mbit／s），速率比ADSL高约10倍，但传输距离比ADSL也低得多，典型的传输距离为0.3～1.5km。
由于VDSL的传输距离比较短，因此特别适合于光纤接入网中与用户相连接的最后“一公里”，并且要求光网络单元（ONU）尽量与用户接近，其系统配置图与ADSL类似，存在于用户与本地ONU之间。
VDSL可同时传送多种宽带业务，如高清晰度电视（HDTV）、清晰度图像通信以及可视化计算等，其国际标准还正在制定。
2.4对称数字用户线（SDSL）
对称数字用户线它与HDSL类似，可以在两个方向上（上行和下行）传送1.544Mbit／s的带宽，但它利用一对铜双绞线。
一对铜双绞线的使用使其传送距离受到限制，SDSL应用的传送范围为3km左右。
它可在小范围的应用上找到位置，如住宅电视会议或远端LAN接入等。
2.5IDSL（ISDNDSL综合数字业务用户环路）
IDSL技术也与HDSL相同,它可以提供ISDN的基本速率（2B+D）或基群速率（30B+D）的双向业务,但IDL与ISDN完全不同,ISDN是交换技术，ISDL是网络技术。
不同于ISDN的最大特性是交换数据不通过交换机。
2.6UDSL（Ultrahighbit-rateDSL:
超高速数字用户环路）
UDSL也是ADSL技术的一种,但其传输速率更高，可达155Mb/s,不过传输距离只有数十米,Internet用户使用价值不大。
目前仅处于实验阶段。
3.混合光纤同轴（HFC）接入技术
为了解决终端用户通过普通电话线入网速率较低的问题，人们一方面通过xDSL技术提高电话线路的传输速率，另一方面尝试利用目前覆盖范围广、最具潜力、具有很大带宽的CATV网络。
HFC（HybridFiberCoaxial）网是指光纤同轴电缆混合网，它是一种新型的宽带网络，采用光纤到服务区，而在进入用户的“最后1公里”采用同轴电缆。
最常见的也就是有线电视网络，它比较合理有效地利用了当前的先进成熟技术，融数字与模拟传输为一体，集光电功能于一身，同时提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目、较好性能价格比的电话服务、高速数据传输服务和多种信息增值服务，还可以逐步开展交互式数字视频应用。
HFC接入技术就是以现有的CATV网络为基础，采用模拟频分复用技术，综合应用模拟和数字传输技术、射频技术和计算机技术所产生的一种宽带接入网技术。
与光纤到路边（FTTC）不同的是，其同轴电缆不是星型结构，而是采用树型结构，通过分支器连接到终端用户。
光分配节点（ODU）到头端（HE）为星型拓扑结构，采用AN－SCM光波技术通过光缆传输信号，所有连接到光节点的用户共享一条光纤线路。
HFC技术可以统一提供CATV、话音、数据及其他一些交互业务，它在5～50MHz频段通过QPSK和TDMA等技术提供上行非广播数据通信业务，在50～550MHz频段采用残留边带调制（VSB）技术提供普通广播电视业务，在550～750MHZ频段采用QAM和TDMA等技术提供下行数据通信业务，如数字电视和VOD等，750MHz以上频段暂时保留以后使用。
终端用户要想通过HFC接入，需要安装一个用户接口盒（UIB），它可以提供三种连接：
使用CATV同轴电线连接到机项盒（STB），然后连接到用户电视机；使用双绞线连接到用户电话机；通过CableModem连接到用户计算机。
由于CATV网络覆盖范围已经很广泛，而且同轴的带宽比铜线的带宽要宽得多，因此HFC是一种相对比较经济、高性能的宽带接入方案，是光纤逐步推向用户的一种经济的演变策略，尤其是在有线电视网络比较发达的地区，HFC是一种很好的宽带接入方案。
不过HFC接入技术的应用也有一些需要解决的问题，首先，原有的CATV网络只提供广播业务，大都为单向网络，为实现双向通信，需要有双向分配放大器、双向滤波器和双向干线放大器等。
其次，HFC接入系统为树型结构，同轴的带宽是由所有用户公用的，而且还有一部分带宽要用于传送电视节目，用于数据通信的带宽受到限制，目前一般一个同轴网络内至多连接500个用户，另外树型结构使其上行信号存在噪声积累。
再者，HFC网络的安全保密性、系统健壮性以及价格等问题也有待进一步解决和完善。
最后，IEEE的802.14工作组正在制定HFC物理层和MAC层标准，但HFC目前还没有统一的国际标准。
在我国开展HFC接入，还有一个经营体制的问题，需要打破行业界限。
HFC网是目前世界上公认较好的接入方式，是解决信息高速公路最后1公里宽带接入网的最佳方案。
HFC综合网可以提供电视广播（模拟及数字电视）、影视点播、数据通信、电信服务（电话、传真等）、电子商贸、远程教学与医疗、以及增值服务（电子邮件、电子图书馆）等极为丰富的服务内容。
由于HFC网络大部分采用传统的高速局域网技术，但是最重要的组成部分也就是同轴电缆到用户电脑这一段使用了另外的一种独立技术，这就是CableModem，即电缆调制解调器又名线缆调制解调器，是一种将数据终端设备（计算机）连接到有线电视网（CableTV），以使用户能进行数据通信，访问Internet等信息资源的设备。
它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的，主要用于有线电视网进行数据传输。
用户可以通过CM连接有线电视宽带网（即HFC网络）接入有线电视数据网，有线电视数据网再和internet高速相连，用户即可在家中高速连入internet网。
尽管它依靠现有的有线电视网络，但是它必须对现有的有线电缆进行双向改造后才能实现对Internet的上传。
利用Cablemodem接入Internet可以实现10Mb/s～40Mb/s的带宽，下载速度可以轻松超过100kb/s，有时甚至可以高达300kb/s，用它可以非常舒心地享受宽带多媒体业务，而且Cablemodem可以绑定独立的IP。
CableModem其主要功能是将数字信号调制到射频（FR）以及将射频信号中的数字信息解调出来。
除此之外，CableModem还提供标准的以太网接口，部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能，因此，要比传统的Modem复杂得多。
CableModem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable（电缆）的一个频率范围内传输,接收时进行解调，传输机理与普通Modem相同，不同之处在于它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的。
而普通Modem的传输介质在用户与交换机之间是独立的，即用户独享通讯介质。
CableModem属于共享介质系统，其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。
CableModem提供双向信道：
从计算机终端到网络方向称为上游（Upstream）信道，从网络到计算机终端方向称为下游（Downstream）信道。
上游信道带宽一般在200kbit／s到2Mbit／s之间，最高可达10Mbit／s。
上游信道采用的载波频率范围在5MHz到40MHz之间，由于这一频段易受家用电器噪声的干扰，信道环境较差，一般采用较可行的QPSK调制方式。
下游信道的带宽一般在3Mbit／s至10Mbit／s之间，最高可达36Mbit／s。
下游信道采用的载波频率范围在42MHz到750MHz之间，一般将数字信号调制到一个6MHz的电视载波上，典型的调制方式有QPSK和QAM64等，前者可提供10Mbit／s带宽，后者可提供36Mbit/s带宽。
CableModem本身不单纯是调制解调器，它集MODEM、调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、SNMP代理和以太网集线器的功能于一身。
它无须拨号上网，不占用电话线，可永久连接。
服务商的设备同用户的Modem之间建立了一个VLAN（虚拟专网）连接，大多数的Modem提供一个标准的10BaseT以太网接口同用户的PC设备或局域网集线器相联。
CableModem彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达10Mbps以上，下行速率则更高。
而传统的Modem虽然已经开发出了速率56Kbps的产品，但其理论传输极限为64Kbps，再想提高已不大可能。
我们可以看出CableModem是未来网络发展的一个主流之一，但是，目前尚无CableModem的国际标准，各厂家的产品的传输速率均不相同。
HFC网的优点就是可以充分利用现有的有线电视网络，不需要再单独架设网络，并且速度比较快，但是它的缺点就是HFC网络结构是树型的，CableModem上行10M下行38M的信道带宽是整个社区用户共享的，一旦用户数增多，每个用户所分配的带宽就会急剧下降，而且共享型网络拓扑致命的缺陷就是它的安全性（整个社区属于一个网段），数据传送基于广播机制，同一个社区的所有用户都可以接收到他人的数据包。
从长远看，HFC网计划提供的是全业务网（FSN），将来用户数从500户降到25户，实现光纤到路边。
最终用户数可望降到一户，实现光纤到家，提供一条通向宽带通信的新途径。
但回传信道的干扰仍需解决。
目前有多种解决方案，其中较彻底的是小型光节点方案，就是用独立的光纤来传双向业务。
小型光节点采用低成本激光器，很靠近用户，同轴网部分为无源网。
回传信道则安排在高频端，彻底避免回传信道的干扰问题。
第二种比较好的是采用同步码分多址（S-CDMA）技术。
此时信号处理增益可达21.5dB，干扰大大减少，系统可工作在负信噪比条件，较好解决回传信道的噪声和干扰问题。
HFC的最新发展趋势是与DWDM相结合，充分利用DWDM的降价趋势简化第二枢纽站，将路由器和服务器等移到前端，消除光－射频－光变换过程，可以简化系统，进一步降低成本。
4.SDH应用于接入网
目前的市场，带宽需求和技术都已显示有必要把SDH技术上的巨大优势带进接入网领域，使SDH的功能和接口尽可能靠近用户。
在接入网中应用SDH的主要优势在于：
对于要求高可靠高质量业务的大企事业用户，SDH可以提供理想的网络性能和业务可靠性。
此时可以直接用SDH系统以点到点或环形拓扑形式与用户相连。
可以增加传输带宽，改进网管能力，简化维护工作，降低运行维护成本。
SDH的固有灵活性，使网络运营者可以更快更有效地提供用户所需的长期和短期业务需求以及组网需要。
对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统尤其适合，它可以迅速灵活地提供所需的2Mb/s透明通道。
当然，考虑到接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性，适用于接入网的SDH设备必须是高度紧凑、低功耗和低成本的新型系统。
目前已有若干厂家研制出专用于接入网的SDH设备，其应用市场前景看好。
为了更充分利用SDH的优势，需要将SDH进一步扩展至低带宽用户，特别是无线用户，提供64kb/s等级的灵活性并能综合现有和新的业务传送平台。
具体实施方法有多种，使用STM-0子速率连接（subSTM-0）对于小带宽用户是经济有效的方案，同时又能保持全部SDH管理能力和功能。
目前ITU-T第15研究组已开发了新的建议G.708，规定了两种接口，即传送TUG-2的接口（sSTM-2n）和传送TU-12的接口（sSTM-1k）。
采用sSTM-2n接口时，信号速率为7.488Mb/s、14.4Mb/s和28.224Mb/s。
采用sSTM-1k接口时，k值限于1、2、4、8和16，主要适用于无线传送技术。
其速率分别为2.88Mb/s、5.18Mb/s、9.792Mb/s、19.008Mb/s和37.4Mb/s。
届时SDH将进一步向用户推进，在接入网领域占据更大的份额。
5.HOMEPNA接入
HomePNA全名是HomePhoneLineNetworkingAlliance，它是1998年6月由全球多家知名的通讯及晶片大厂共同制订的利用电话线在小范围内搭建局域
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