1、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 O O 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,进展技术较快的重要通信技术,代表着通信网络的要紧组成部分。本章表达了宽带互联接入网的主流组网技术和进展的新标准，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进展成果；整章内容构
2、成了通信接入网络的基础理论要点，具有专门强的有用性。9-1宽带互联网组网技术概论9-1-1 通信接入网概论1.通信接入网概论依照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、配置和治理。它要紧包括用户终端设备、用户线传输系统和通信业务节点接口设备等三大部分。其功能要紧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，大量采纳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
3、大的通信电缆属于一类双绞线接入网的特点；目前都市通信机房一样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假设干个小区节点机房，通过单模光纤传输系统，疏导其通信业务量；每个小区节点机房那么汇聚其自然地域范畴内的所有通信用户，一样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，用户总数一样不超过1.5万户。接入技术能够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要紧有基于铜线的ADSL技术、光纤接入EPON、GPON技术、基于HFC的Cable Modem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
4、份额。本章要紧介绍有线通信接入技术。2接入网的定义 依照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，并可通过标准治理Q3接口进行配置和治理。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。其要紧的作用包括复用和传输功能，但一样不包括交换功能，同时独立于交换机。另外接入网对用户信令是透亮的，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接入网的要紧设计目标如下：(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
5、体业务网的基础接入平台，以支持 、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，如此AN设备和交换设备就能够由不同的厂商提供，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的网络治理系统。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、爱护和治理。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，立即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
6、过2 Mb/s的用户接入系统称为宽带接入，对最小接入速率那么没有限制；窄带接入系统是基于传统的64 kb/s的电路交换方式进展而来的，对基于IP的高速数据业务支持能力较差。3接入网的范畴定界 接入网覆盖的范畴由三个接口界定，如图9.1所示。网络侧经SNI与业务节点(SN)相连，CPE能够是简单的一个终端，也能够是一个复杂的局域网或其他任意的用户专用网。TMN侧可通过标准治理接口Q3对接入网设备进行配置和治理。 其中SN是提供业务的实体，比如SN能够是本地交换机、IP路由器、租用线业务节点或特定配置的视频点播 (VOD)等。接入网承诺与多个SN相连，既能够接入多个支持不同业务的SN，也能够接入支
7、持相同业务的多个SN。 图9.2 接入网的一样物理结构示意图 4接入网的一样物理结构 接入网从物理上可分为馈线段、配线段和引入线段，图9.2为接入网的一样物理结构。连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段，接入网的局端设备能够放在机房内，即和业务节点放在一起，也能够放在机房外，如某个小区中心、马路边或写字楼内。假如局端设备与业务节点放在一起，那么局端设备一样通过电接口与业务节点直连；假如局端设备没有与业务节点放在一起，那么馈线段一样采纳有源光接入技术，如SDH、PDH等。网络拓扑结构能够是环型或星型。连接局端设备和远端设备之间的部分称为配线段，远端设备一样放在马路边、小区中心、大楼内、用户办
8、公室或用户家中，局端设备和远端设备之间可采纳无源光纤、无线或铜线方式传输。网络拓扑结构能够是星型或树型。引入线部分的传输媒介一样为铜线或无线。9-1-2要紧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差不多功能组：用户口功能(UPF)、业务口功能(SPF)、核心功能(CF)、传送功能(TF)和接入网系统治理功能(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 用户口功能的要紧作用是将特定UNI的要求与核心功能和治理功能相适配，它完成的要紧功能有：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、U
9、NI的测试。2 业务口功能 业务口功能的要紧作用是将特定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，要紧功能有：终结SNI功能、将承载通路的需要和即时的治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 核心功能的要紧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。核心功能能够在接入网内分配，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治理和操纵。4 传送功能 传送功能的要紧作用是为接入网中不同地点之间公用承载
10、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，要紧功能有：复用功能、交叉连接功能、治理功能、物理媒介功能等。5 接入网系统治理功能 接入网系统治理功能的要紧作用是和谐接入网内UPF、SPF、CF 和TF的指配、操作和爱护，也负责和谐用户终端(经UNI)和业务节点(经SNI)的操作功能, 要紧功能有：配置和操纵功能、指配和谐功能、故障监测和指示功能、用户信息和性能数据收集功能、安全操纵功能、资源治理功能、对UPF和SN和谐的即时治理和操作功能。2接入网的参考模型 接入网的功能结构实际是以ITU-T G.803建议的分层模型为基础的，而分层模型那么定义了构成接入网的各实体之间的相互配合关系
11、，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，并为电路层提供透亮的通道，如PDH、SDH 、ATM及其他类型的通道。传输媒介层那么与具体的传输媒介相关，相当于OSI的物理层，它能够是铜线系统(xDSL)、光纤接入系统、无线接入系统、混合接入系统等，而具体的传输媒介能够是双绞线、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，要紧用于用户承载体、用户信令及操纵与治理。9-1-3接入网的接口与分类 接入网有三种
12、要紧接口，即业务节点接口、用户网络接口和爱护治理接口等。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要紧有模拟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 业务或模拟租用线业务；数字V接口要紧包括ITU-T定义的V1-V5，其中V1、V3和4仅用于N-ISDN，V2接口尽管能够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，阻碍了应用的经济性。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
13、，但VB5目前尚在制定中，还专门不完善。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。用户网络接口要紧有传统的模拟 Z 接口、ISDN差不多速率接口、ISDN 基群速率接口、ATM 接口、E1接口、以太网接口，以及其他接口。用户终端能够是运算机、一般 机或其他电信终端设备。用户驻地网能够是局域网或其他任何专用通信网。3爱护治理接口(Q3) 爱护治理接口是电信治理网与电信网各部分的标准接口。接入网也是经Q3接口与电信治理网(TMN)相连，以方便TMN治理功能的实施。 4接入网的分类 依照宽带接入网采纳的传输媒介和传输技术的不同
14、，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要紧包括：基于双绞线的xDSL技术、基于HFC网(光纤和同轴电缆混合网)的Cable Modem技术、光纤接入网技术等。宽带无线接入网技术要紧包括：3.5 GHz固定无线接入、LMDS等。9-1-4 V5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，它是专为接入网的进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差不多定义的V1V4接口都
15、不够标准化，专门难满足应用中的实际需求。V5接口正是为了适应接入网范畴内多种传输媒介、多种接入配置、多种业务并存的情形而提出的，依照速率的不同，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设备的配置治理、故障治理和性能治理等方面。我国那么在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，并依照我国电信网络的现状，明确了部分可
16、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。假如AN-SNI侧和SN-SNI侧不在同一地点，那么能够使用V5接口来实现透亮的远端连接。V5接口协议规定了接入网和LE之间互联的信号物理标准、呼叫操纵信息传递协议，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，呼叫操纵功能仍旧留给LE完成。如此就各司其职、独立进展，有助于不同网间互联。V5接口要紧的优点如下：(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
17、网络治理；(3) 支持对接入网的资源治理和爱护；(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2.048 Mb/s的链路构成，一样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，也没有通信链路爱护功能。V5.2接口按需能够由116个2.048 Mb/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，能够使用大于E1速率的链路(最高16个E1速率)；V5.2接口能使用承
18、载通路连接(BCC)协议以承诺LE向接入网发出要求，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开释，提供专门的爱护协议进行通信链路爱护。V5.1接口能够看成V5.2接口的子集，V5.1接口能够升级为V5.2接口。1PSTN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，其中用户信令能够是双音多频信号也能够是线路状态信号，二者均对用户附加业务没有阻碍。在使用PABX的情形下，支持用户直截了当拨入功能。2ISDN业务 V5.1接口支持ISDN-BRI2B+D，即144kb/s速度接入，而V5.2接口既支持ISDN-BRI接入，又支持ISDN-PRI3B+D，即2
19、048kb/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接口不直截了当支持低于64 kb/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)，能够是模拟用户，也能够是数字用户。半永久租用线路通过V5接口，能够使用ISDN中的一个或两个B通道，而永久租用线和永久线路那么旁路V5接口。图9.5 V5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 9-2-1 ADSL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，仍旧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
20、技术FTTH短期内还无法完全实现的情形下，开发基于双绞线电缆的宽带接入技术，既能够延长原有双绞线铜缆的寿命，又能够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。适应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：Asymmetric Digital Subscriber Line)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 是以后宽带网上的要紧应用之一，当时电信网入户的线路资源要紧
21、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，而一般 双绞线的传输能力又如何说有限，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技术显现后，曾经一度沉静。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，同时戏剧性地飞速增长，完全打乱了电信行业既定的以ATM技术为主流的进展方向；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
22、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点一致，即下行的带宽远高于上行。如此借助于Internet互联网的进展，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，专门是随着新一代ADSLADSL2+/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技术是一种以一般 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45 km，下行传输速率理论值最高可达68 Mb/s，上行最高768 kb/s，因而传输速度比传统的56 kb/s模
23、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128 kb/s接入系统所无法比拟的。为实现一般双绞线上互不干扰的同时执行 业务与高速数据传输，ADSL采纳FDM(频分复用)和离散多音调制(DMT：Discrete Multitone)技术。传统 通信目前仅利用了双绞线20 kHz 以下的传输频带，20 kHz 以上频带的传输能力处于闲暇状态。ADSL采纳频分复用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25138 kHz，要紧用于发送数据和操纵信息；下行信道频带为1381104 kHz；传统话音业务仍旧占用20 kHz以下的低频段。确实是采纳这种方式
24、，利用双绞线的闲暇频带，ADSL才实现了全双工数据通信，如图9.6所示。图9.6 ADSL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4.315 kHz 。依照信道的性能，输入数据能够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成效决定，背景噪声低、串音小、衰耗低，调制效率就越高，传输成效越好，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。这确实是DMT调制技术。假如某个子信道上背景干扰或串音信号太强，ADSL系统那么能够关掉那个子信道，因此ADSL 有较强的适应性，可依照传输
25、环境的好坏而改变传输速率。ADSL下行传输速率最高68 Mb/s ，上行最高768 kb/s，这种最高传输速率只有在线路条件专门理想的情形下才能达到。在实际应用中，由于受到线路长度背景噪声和串音的阻碍，一样ADSL 专门难达到那个速率。基于ADSL技术的宽带接入网要紧由局端设备和用户端设备组成：局端设备(DSLAM：DSL Access Multiplexer)、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，停电期间一般 可照样工作，它由高通和低通滤波器组成，其作用是将ADS
26、L频带信号与话音频带信号合路与分路。如此，ADSL的高速数据业务与话音业务就能够互不干扰。3应用领域及不足 现在ADSL的应用领域要紧是个人住宅用户的Internet接入，也可用于远端LAN、小型办公室/企业Internet接入等。其要紧的缺点是：带宽传输速率仍嫌不够快。图9.7 ADSL系统接入参考模型示意图9-2-2 新一代ADSL2+/VDSL2接入技术1ADSL2+ 接入技术随着ADSL技术在全球范畴的大规模推广以及针关于DSL技术的应用和服务的不断推出，第二代ADSL技术标准由ITUT于2003年1月通过的ADSL2G.992.5推出，它在第一代ADSLG.992.1的标准基础上进行
27、了全面的、较大的改进，要紧是将频谱范畴从.扩展至，相应地，最大子载波数目也由增加至，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25bs，上行速率可达。打破了接入方式带宽限制的瓶颈，使其应用范畴更加宽敞。的传送模式在标准规定的异步传送模式和同步传送模式的基础上，增加了分组传送模式，能够更高效率地传送日益增长的以太网业务。标准中还增加了话音、全数字模式等方面的规范，即在没有业务时用该话带传送数据，如此可增加的上行带宽；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。与相比，在技术和应用上都取得了突破。第一，传统的系统能提供的最大下行速率为；而通过频谱的扩展
28、，实现从到的频率分布，实现个子载频，最大下行速率至少能够达到/，能够在较宽松的距离内轻松提供如视频 、视频会议等宽带业务。 通道图9.8 ADSL2+ 制式频谱安排方案示意图第二，传统的系统最大覆盖范畴约为，假如线路有损害、噪音干扰，那么覆盖的范畴就更小，严峻限制了用户的接入能力。而采纳增强的调制方式和无缝速率适配，能够更好地降低线路噪声对信号的阻碍，可将覆盖距离延伸至左右，能接入的用户数量大大提高。第三，传统的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，对线路是否能开通业务或发生故障时判定故障点无能为力；而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专门
29、大改善，使业务变得更加容易治理和爱护。相当一段时刻内，都将是宽带接入的主流方式，而凭借其技术上的领先性，必将连续的既有地位成为市场应用主流。以下的案例也说明具有广泛的应用前景。年浙江杭州电信公司升级了ADSL2+设备后，关于许多远距离无法接入的用户进行了覆盖。使公里以内的用户实现稳固上网，在.公里的情形下，同步速率达到/；在公里的情形下，同步速率超过/。同时将设备适用频带从.扩展到.，有效的减小了线间串扰，提高了综合出线率。目前新一代ADSL设备均采纳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进展，ITUT于2005年5月推出了VDSL2G.993.2标
30、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范畴内提供高达100Mb/s的上下对称数据速率，也能够在1.21.5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，能够关心通信公司逐步、灵活和节约成本地升级现有的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VINAXVDSL2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4,0
31、96个；新的VDSL2解决方案既能够满足VDSL2、也能够满足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，并承诺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13km范畴使用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。同时用户仍能够连续使用ADSL MODEM，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)就能够了。这实现了更低的设施和爱护成本以及到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纳光纤传输技术的接入网，一样指本地交换机与用户之间采纳光纤或部分采纳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
