ADSL寬帶接入技術(shù)的若干特性

劉劍峰

　　隨著因特網(wǎng)爆炸式發(fā)展，因特網(wǎng)上的商業(yè)應(yīng)用和多媒體業(yè)務(wù)得以迅猛推廣。用戶要想獲得因特網(wǎng)上的各種服務(wù)，必須以某種接入網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)用戶接入寬帶化，提高用戶上網(wǎng)速度，光纖到戶(FTTH)是用戶接入網(wǎng)發(fā)展的必然方向。但從目前來(lái)看，由于光纖接入網(wǎng)成本高，在今后的一段時(shí)間里，大多數(shù)接入網(wǎng)仍將繼續(xù)使用現(xiàn)有的銅線環(huán)路。近年來(lái)，人們提出多項(xiàng)過(guò)渡性寬帶接入技術(shù)，包括N-ISDN、CM（cable modem）和非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）等，其中當(dāng)數(shù)ADSL最具前景和競(jìng)爭(zhēng)力，它將在未來(lái)十幾年，甚至幾十年內(nèi)占主導(dǎo)地位。



1 ADSL的頻譜分配



　　ADSL技術(shù)通過(guò)現(xiàn)有電話線在用戶與中心局（CO）之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。ADSL物理層能與普通電話（PTOS）的頻譜共存。共存的原因在于，ADSL頻譜只使用高于PTOS頻帶的頻率，POTS的頻譜范圍從0-4kHz左右，ADSL的頻譜起點(diǎn)高于POTS頻帶，最高頻率可達(dá)1.1MHz左右。在POTS頻譜與ADSL頻譜之間設(shè)置保護(hù)頻帶，有助于避免產(chǎn)生干擾。ADSL頻譜的低段部分用于上行傳輸（從用戶到CO），高段部分用戶下行傳輸。實(shí)際中可采用兩種不同技術(shù)劃分上/下行頻帶（見圖1）：（1）在頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)中，上行和下行頻譜采用各自的頻帶，頻帶可隨實(shí)現(xiàn)方法的不同而不同，一般而言，上行頻帶為25-200kHz，下行頻帶為200kHz-1.1MHz。該技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生自串?dāng)_，但與回波消除系統(tǒng)相比，其缺點(diǎn)是下行寬帶降低；（2）回波消除技術(shù)允許下行頻帶與上行頻帶重疊，上行頻帶依然為25-200kHz，但下行頻帶可擴(kuò)展至上行頻帶部分。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于可極大擴(kuò)展下行寬帶，但必須具備回波消除電路才能進(jìn)行全雙工傳輸，此外自交調(diào)的存在會(huì)產(chǎn)生額外干擾。



2 ADSL的調(diào)制技術(shù)



　　ADSL物理層采用離散多音（DMT，discrete multitone）調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)采用一種非常類似于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的方法，在多個(gè)子信道（subcarrier）上傳輸數(shù)據(jù)，這是一種許多無(wú)線通信系統(tǒng)采用的技術(shù)。DMT調(diào)制器并行采集N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)在N個(gè)子信道上傳輸這些符號(hào)（symbol）,每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)速率僅為原有數(shù)據(jù)速率的1/N。數(shù)據(jù)率的降低使DMT符號(hào)周期延長(zhǎng)為N倍，使符號(hào)存在時(shí)間長(zhǎng)于信道時(shí)間間隔，更易消除符號(hào)之間的干擾。



　　在發(fā)射端，利用反向快速傅里葉變換（IFFT）生成正交子信道，即形成DMT符號(hào)。發(fā)射端的數(shù)據(jù)符號(hào)可認(rèn)為是頻域信號(hào)，它代表IFFT基本函數(shù)（不同頻率下的正交正弦曲線）的復(fù)合權(quán)重（complex weights）。然后IFFT把數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域下的正弦和信號(hào)。IFFT輸出的信號(hào)本塊即為DMT符號(hào)，通過(guò)信道傳輸，接收端采用FET，把時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào)。2N點(diǎn)IFFT用于生成DMT符號(hào)，其中N個(gè)負(fù)頻率IFFT點(diǎn)是N個(gè)正頻率點(diǎn)的共軛復(fù)數(shù)。這種對(duì)稱頻譜產(chǎn)生一個(gè)真正的時(shí)域信號(hào)。因?yàn)樽有诺涝贒C零頻以外（未用）附近，所以此DMT符號(hào)以DC為中心，這樣就可在DMT頻譜中生成一條通路，以留出POTS頻譜位置。可見DMT是一種真正的基帶系統(tǒng)。



　　DMT支持循環(huán)前綴插入。循環(huán)前綴是一種帶有長(zhǎng)度LP的樣本塊，這種長(zhǎng)度LP是DMT符號(hào)中最后LP樣本的拷貝，選用長(zhǎng)度LP是因?yàn)樗�比信道響�?yīng)長(zhǎng)度長(zhǎng)。首先傳送前綴，然后再傳送DMT接收端能利用它降低信道干擾。


　　動(dòng)態(tài)位分配技術(shù)使DMT能有效利用可用的信道容量。該技術(shù)使系統(tǒng)能根據(jù)子信道的信噪比（SNR），動(dòng)態(tài)地改變每個(gè)子信道每個(gè)字符的比特效。因?yàn)槎�進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和四相移鍵控碼都是具有魯捧性的調(diào)制形式，所以它們可在低信噪比的子信道上傳送。若子信道噪比極低，則此子信道將根本不會(huì)用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。高信噪比子信道可傳輸高階正交調(diào)幅（QAM）碼，以增加數(shù)據(jù)吞吐量。


　　3　ADSL系統(tǒng)中的損傷原因


　　ADSL接入系統(tǒng)中存在幾種重要損傷類型：加性白高斯噪聲（AWGN）、交調(diào)、脈沖噪聲和無(wú)線電噪聲等。


　�。�1）AWGN是所有通信系統(tǒng)中都存在的一種熱噪聲。在ADSL系統(tǒng)中，當(dāng)噪音使接收樣本超過(guò)判決門限時(shí)，AWGN就會(huì)導(dǎo)致接收端產(chǎn)生誤碼。與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，ADSL通過(guò)差錯(cuò)控制編碼降低AWGN干擾，該方法是在被傳輸?shù)男盘?hào)上添加冗余碼，接收端利用冗余碼檢測(cè)和校正錯(cuò)誤。
　　ADSL采用三層編碼方式，物理層中的最內(nèi)層碼是卷積碼。接收端采用Viterbi算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解碼，解碼算法的特性是：如果在解碼過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，解碼器可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性錯(cuò)誤。卷積碼非常適用于校正隨機(jī)錯(cuò)誤。在卷積碼的上部采用Reed-Solomon塊碼（lock code），Reed-Solomon碼適用于檢測(cè)和校正那些由Viterbi解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤，功能強(qiáng)大。ADSL規(guī)范規(guī)定每個(gè)Reed-solomon碼字長(zhǎng)度可達(dá)255字節(jié)，其中包含16個(gè)奇偶字節(jié)。最外層碼是循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼。CRC碼用于檢測(cè)頂層錯(cuò)誤，以檢測(cè)出Viterbi和Reed-solomon解碼未能檢測(cè)出的錯(cuò)誤，它可對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)，但不能進(jìn)行校正。


　　（2）束狀電話電纜中包含許多不同用戶的電話線，交調(diào)是一種常見的損傷。這些電話線具有電磁輻射，減小電纜中其它電話線的電流，從而產(chǎn)生交調(diào)干擾。電話線中存在兩種交調(diào)，兩者都以加性噪聲形式出現(xiàn)在接收端。當(dāng)發(fā)射端干擾位于電纜同一端的接收端時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生近端交調(diào)（NEXT）；當(dāng)發(fā)射端干擾位于電纜遠(yuǎn)端的接收端時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)端交調(diào)（FEXT）。相對(duì)而言，近端交調(diào)的影響要比遠(yuǎn)端交調(diào)的影響大得多，這是因?yàn)檫h(yuǎn)端交調(diào)干擾貫穿整條電纜，當(dāng)它到達(dá)接收端時(shí)，其影響已經(jīng)減弱。


　　交調(diào)可進(jìn)一步分為自交調(diào)和外交調(diào)。自交調(diào)是來(lái)自采用同一頻譜的另一ADSL系統(tǒng)的干擾；外交調(diào)是來(lái)自采用不同頻譜的另一ADSL系統(tǒng)或另一完全不同系統(tǒng)（如ISDN）的干擾。減少交調(diào)干擾的方法是選用合適的頻普分配技術(shù)。在基于回波消除技術(shù)的ADSL系統(tǒng)中，上行與下行信道重疊，發(fā)送和接收使用相同頻帶，因此會(huì)產(chǎn)生自交調(diào)和外交調(diào)干擾。在基于FDM技術(shù)的ADSL系統(tǒng)中，上行和下行信道采用不同頻帶，因此不存在自交調(diào)，但外交調(diào)依然存在。


　�。�3）存在時(shí)間短但影響大的干擾是脈沖噪聲。閃電或馬達(dá)啟動(dòng)引起的脈沖噪聲會(huì)引起功率波動(dòng)，并造成解碼器的突發(fā)性錯(cuò)誤。ADSL采用交織和編碼相結(jié)合的方式來(lái)糾正脈沖噪聲造成的差錯(cuò)，通過(guò)交織過(guò)程重排數(shù)據(jù)，使那些在時(shí)間上連續(xù)的樣本能間隔開，以便及時(shí)分散錯(cuò)誤，提高解碼性能。


　　4　ADSL與電話線特性


　　長(zhǎng)途交換局（TO）之間的主干線通過(guò)光纖連接，這些交換局為本地交換機(jī)與傳送長(zhǎng)途業(yè)務(wù)的長(zhǎng)距光纖之間提供接口，并連接到控制本地交換業(yè)務(wù)的中心局。中心局裝有用于用戶接入的主交換設(shè)備，是前端ADSL設(shè)備的所在地。標(biāo)準(zhǔn)銅雙絞線是在中心局與遠(yuǎn)程終端之間以及遠(yuǎn)程終端到用戶之間的主要傳輸介質(zhì)。在中心局與遠(yuǎn)程終端之間最終會(huì)采用光纖傳輸，這種升級(jí)將改善ADSL業(yè)務(wù)性能。


　　長(zhǎng)途電話業(yè)務(wù)的傳輸距離受到中心局電話交換設(shè)備能力的影響。網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的負(fù)荷阻抗大部分來(lái)自中心局到用戶的銅導(dǎo)線。此阻抗能承載的距離即為修正阻抗設(shè)計(jì)（RRD）距離，電話話音質(zhì)量通常在到達(dá)修正設(shè)計(jì)距離之前就受到影響，電信運(yùn)營(yíng)中通常會(huì)使用更粗的電話線和負(fù)載線圈的方法來(lái)提高話音質(zhì)量。ADSL的性能同樣與從中心局到用戶的距離有關(guān)。


　　5　ADSL與CM、N-ISDN的比較


　　與CM相比，ADSL技術(shù)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。CM接入方案采用分層樹型結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)是帶寬比較高（10M），但該技術(shù)是一種較粗糙的總線型網(wǎng)絡(luò)，用戶要與鄰近用戶分享有限帶寬，當(dāng)一條線路上用戶激增時(shí)，速度將減慢。據(jù)有關(guān)資料表明，大部分情況下，CM方案必須兼顧有線電視節(jié)目，占用部分帶寬，剩余部分傳送其它數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)際數(shù)據(jù)速率為400-500kb/s。因此，即使在理想狀態(tài)下，CM接入方案也只相當(dāng)于一個(gè)10Mb/s的共享式總線型以太網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，ADSL接入方案較先進(jìn)，每個(gè)用戶都有一條單獨(dú)線路與ADSL局端相連，其結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸帶寬由每個(gè)用戶獨(dú)享。


　　與使用普通撥號(hào)上網(wǎng)的56K速率和使用N-ISDN上網(wǎng)的128K速率相比，ADSL的速率優(yōu)勢(shì)不言而喻，ADSL接入方案最吸引人的地方是：在同一銅線上分別傳送數(shù)據(jù)和話音信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)不通過(guò)電話交換設(shè)備，可減輕電話交換機(jī)負(fù)載，而且無(wú)需撥號(hào)，屬專線上網(wǎng)方式，這意味著使用ADSL上網(wǎng)不需要繳付額外的電話費(fèi)。



摘自《電信快報(bào)》2002.6