寬帶接入網(wǎng)技術(shù)——楊建良、查開德

寬帶接入網(wǎng)技術(shù)——楊建良、查開德
1、引言
    隨著通信的發(fā)展及“信息高速公路”概念的提出，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將紛紛面向集視頻、話音、
數(shù)據(jù)于一體的寬帶綜合業(yè)務(wù)，電信運營不僅要提供基本的電話業(yè)務(wù)，還要從窄帶電話、傳
真、數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)逐漸向可視電話、視像點播（VOD），圖文檢索和高速數(shù)據(jù)等寬帶新業(yè)
務(wù)領(lǐng)域延伸。而向用戶提供服務(wù)的電信網(wǎng)的“最后一公里”——用戶接入網(wǎng)卻成為制約通信
發(fā)展的瓶頸，建立數(shù)字化和寬帶化的接入網(wǎng)已迫在眉睫。婁今世界各國相繼開發(fā)了基于現(xiàn)有
銅纜的接入網(wǎng)技術(shù)高比特率數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL）和不對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、基于光
纜接入技術(shù)的OAN、光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)（HFC）以及無線接入技術(shù)等寬帶用戶接入網(wǎng)技術(shù)，本
文將對以上幾種寬帶接入網(wǎng)，特別是對基于光纜接入技術(shù)的PON與HFC寬帶接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。
    2、接入網(wǎng)的各種技術(shù)方案
    2.1基于現(xiàn)有銅纜的技術(shù)方案
（1）數(shù)字倍增設(shè)備（PAIRGAIN）：數(shù)字倍增設(shè)備是采用64kbps PCM數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)及回波抑
制技術(shù)，在現(xiàn)有一對雙絞銅線上為用戶提供全雙工144kbps速率2B+D信號傳輸。同時，為了
適應(yīng)電話業(yè)務(wù)的發(fā)展，也采用32kbps的自適應(yīng)編碼（ADPCM）技術(shù)，在一對雙絞線上傳送4路
電話信號。
（2）高比特率數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL）：HDSL使用兩對雙絞線，每對線的傳輸速率為1168kbps
全雙工信號，提供2048kbps的E1業(yè)務(wù)。HDSL的無中繼傳輸距離比傳統(tǒng)的PCM技術(shù)要長一倍以上，
對線對的要求沒有傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)嚴(yán)格，所以安裝方便快捷，一般不用中繼器，維護(hù)方便，
已被廣泛地應(yīng)用在移動通信基站中繼、無線尋呼中繼、DDN（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)）節(jié)點中繼、ISDN
基站接入、幀中繼、RLU（遠(yuǎn)端用戶線單元）中繼以及計算機(jī)LAN（局域網(wǎng)）互聯(lián)等業(yè)務(wù)。因
而，在未來10-20年內(nèi)會保持發(fā)展勢頭，直到銅纜被光比利時所取代。
（3）不對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）：近年來，用戶對寬帶業(yè)務(wù)，特別是對娛樂的需求迅速增
長，ADSL技術(shù)可以在現(xiàn)有的雙絞銅線上提供這些業(yè)務(wù)，如視頻點播（VOD）等。這些業(yè)務(wù)上下
行數(shù)據(jù)傳輸速率不一樣，下行傳送的數(shù)字信號速率可高達(dá)6Mbps,甚至更高，而上行傳送的僅
是一些速率很低的控制信號，兩個方向傳送的數(shù)字信號速率相關(guān)很大，ADSL不僅具有HDSL的
優(yōu)點，而且在信號調(diào)制數(shù)字相位均衡、回波抑制等方面采用了更先進(jìn)的器件和動態(tài)控制技術(shù)。
其調(diào)制技術(shù)所括正在交調(diào)幅（QAM）、無載波幅度相位調(diào)制（CAP）和散多音頻（DMT）技術(shù)，
大多數(shù)是采用QAM和DMT技術(shù)。
    ADSL對不同的業(yè)務(wù)和上下行信號采用頻分復(fù)用方式。ADSL將一條雙絞線構(gòu)成的用戶線頻
譜分成三部分：低頻部分，上行信道和下行信道，其中低頻部分提供普通的電話業(yè)務(wù)，通過
無源濾器使其與數(shù)字信道分開；上行信道用于傳送控制信息，速率一般為144kbps或384kbps
;下行信道占據(jù)其余帶寬，提供6Mbps或更高速率（目前最高達(dá)155Mbps）的業(yè)務(wù)，離散多音
頻（DMT）是把全頻道劃分為許多子信道（最多512個子信道）來傳送信息，不同子信道傳送
的信息量可以不同，設(shè)備的高速自適應(yīng)數(shù)字信號濾波器對線路進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)線路特性出
現(xiàn)任何變化時，自動控制回波抑制器、數(shù)字均衡順，并根據(jù)每一子信道的信噪比來分配不同
的信息量（比特），最高可達(dá)15bit，以補償線路的變化，從而達(dá)到較高的傳輸質(zhì)量。ADSL
可以采用現(xiàn)有的雙絞銅線直接從端局連接到用戶端，也可以經(jīng)過光纜到路邊再采用ADSL設(shè)備
經(jīng)配電纜連接到用戶。
    HDSL技術(shù)，ADSL技術(shù)都可以挖掘現(xiàn)有銅線資源的潛力，投資小，見效快，在未來的寬帶
用戶環(huán)路中將占有一定的市場。
2.2基于無線的接入方式
    無線接入方式很多，有微波傳輸技術(shù)（包括一點多址微波）、衛(wèi)星通信技術(shù)、蜂窩移動
通信技術(shù)（包括FDMA、TDMA和CDMA）、CT2、DECT、PHS集群通信技術(shù)、無線局域網(wǎng)等，無線
接入網(wǎng)的優(yōu)勢是：
（1）組網(wǎng)靈活、安裝維護(hù)簡單：采用無線接入網(wǎng)可以在無需詳細(xì)規(guī)劃和事先設(shè)計的情況下
安裝好公用設(shè)備。用戶搬遷及業(yè)務(wù)改變將十分簡單迅速、易擴(kuò)容、無需話務(wù)預(yù)測。
（2）費用低：無線接入網(wǎng)初裝費用與有線接網(wǎng)相近，但其維護(hù)、實施后期擴(kuò)建、擴(kuò)容費用
將大大低于有線的費用。無線接入網(wǎng)對傳輸距離和用戶密度元氣不敏感。這樣，對于距離
較遠(yuǎn)和用戶密度不高的地區(qū)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
（3）無線接入方式還有一些獨有的特點，如允許在移動狀態(tài)下通信，在緊急狀況和臨時應(yīng)
用條件下迅速提供通信業(yè)務(wù)，并可跨越自然障礙進(jìn)行通信。
2.3光接入網(wǎng)（OAN）
    光接入網(wǎng)原理結(jié)構(gòu)見圖1，光接入網(wǎng)OAN采用光纖傳輸技術(shù)，要地交換機(jī)或遠(yuǎn)端模塊與
用戶之間采用光纖或部分采用光纖傳輸系統(tǒng)。它是采用基帶數(shù)字傳輸技術(shù)并以雙向交互式
業(yè)務(wù)為目的的接入傳輸系統(tǒng)，將來應(yīng)能以數(shù)字或模擬技術(shù)升級來傳輸寬帶廣播式和交互式
業(yè)務(wù)。ITU-T在新制定的標(biāo)準(zhǔn)G.982中定義光接入網(wǎng)為光傳輸系統(tǒng)支持共用同一網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口
的接入鏈路。圖1所示為OAN的一種通用參考配置，它適合于光纖到路邊（FTTC）、光纖到
大樓（FTTB），光纖到辦公室（FTTO）和光纖到家庭（FTTH）等各種情況。OLT（光線路
終端）為OAN提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口并連至一個或多個ODN（光網(wǎng)絡(luò)單元）提供光傳輸手段，主要
功能是完成光信號的分配。ONU為OAN提供用戶側(cè)接口并和ODN相連，其網(wǎng)絡(luò)側(cè)光接口，用
戶側(cè)為電接口。ONU需要光/電和電/光轉(zhuǎn)換功能，還要完成對語音信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換、復(fù)用
、信令處理和維護(hù)管理功能。AF為適配功能。如ODN中包含任何有源光接入網(wǎng)（AON）。當(dāng)
ODN全部由無源器件（光纖、光無源分路器、波分復(fù)用器等）組成，而不包含任何有源有
源節(jié)點，這種接入網(wǎng)稱為無源光接入網(wǎng)（PON）。
    無源光接入網(wǎng)是光接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢。PON中的關(guān)鍵技術(shù)是上行信道的多址技術(shù)，上下
行雙向傳輸?shù)膹?fù)用技術(shù)、突發(fā)模式的光接收技術(shù)與快速比特同步技術(shù)等。PON中OLT到ONU下
行信號傳輸較簡單，一般是在OLT中將需要送至各ONU的信息采用時分復(fù)用（TDM）方式組成
復(fù)幀送至饋線光纖， 經(jīng)光分路器進(jìn)行功率分路，以廣播方式送到每一個ONU，ONU收到下行
復(fù)幀信號后根據(jù)下行比特流中的同步時鐘信號，分別取出屬于自己的那一部分信息。而ONU
到OLT的上行信號的傳輸，則采用先進(jìn)的多址技術(shù)。G.982建議的多址接入技術(shù)為時分多址
（TDMA），但也不排除副載波多址（DSMA），波分多址（WDMA）及碼十（CDMA）等其它多
址傳輸技術(shù)。至于上下稈雙向傳輸?shù)膹?fù)用技術(shù)，則有空間分離復(fù)用（SDM），時間壓縮復(fù)
用（TCM），波分復(fù)用（WDM）和副載波復(fù)用（SCM）。
    上行信道的時分多址技術(shù)（TDMA）是，將上行傳輸時間分為若干時隙，在每個時隙內(nèi)
只安排一個ONU以分組的方式OLT發(fā)送分組信息，各ONU按OLT規(guī)定的順序向上游發(fā)送，為避
免各ONU向上游發(fā)送的碼流在ODN合路時可能發(fā)生碰撞，這就要求OLT測定它與各ONU的距離
后對各ONU進(jìn)行嚴(yán)格的發(fā)送定時。由于各ONU與OLT間距離不一樣，它們各自傳輸?shù)纳闲写a
流衰減也不一樣，到達(dá)OLT時的各分組信號幅度不同，因此，在OLT端不能采用判決門限恒
定的常規(guī)光接收機(jī)，根據(jù)每一分組信號開始的幾個比特信號幅度的大小建立合理的判決門
限。各ONU從OLT 發(fā)送的下行信號獲取定時信息，并在OLT規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)送上行分組信號
，故到達(dá)OLT的各上行分組信號在頻率上是同步的，但由于傳輸距離不同，故在OLT端必
須采用快速比特同步電路，在每一分組信號開始幾個比特信號的時間范圍內(nèi)迅速建立比特
同步。據(jù)稱，目前已采用專用集成電咱（ASIC）在622Mbps速率的PON上實現(xiàn)這種關(guān)鍵的同
的功能。采用TDMA方式的PON只需要交為簡單的光器件，因此經(jīng)濟(jì)。但由于OLT端需要采用
上新技術(shù)，電路部分較復(fù)雜。
2.4光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)（HFC）
    HFC是建立在現(xiàn)有的有線電視同軸網(wǎng)基礎(chǔ)上的，其網(wǎng)絡(luò)形式是在前端HE（Head End)到
光節(jié)點ONU之間采用AN-SCM光波技術(shù)通過光纜傳輸，光節(jié)點到用戶宅中利用原有的同軸電纜
分配網(wǎng)傳輸和分配用戶信息。它的基本特點是保留了傳統(tǒng)的模擬傳輸方式，實現(xiàn)了上/下
行雙向和數(shù)字與模擬的混合傳輸，能夠同時提供電話、模擬視頻、數(shù)字視頻和交互業(yè)務(wù)，
建設(shè)費用相對較少。HFC網(wǎng)絡(luò)的升級十分靈活。HFC技術(shù)最初在1993年由美國西部HFC技術(shù)
為200萬用戶提供業(yè)務(wù)，一些運營公司也制定了大規(guī)模建設(shè)HFC的計劃。美國時代華納（T
ime Wanrner）的全服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（頻率1GHz）， 可提供96套模擬與數(shù)字電視節(jié)目頻道和54
套付費電視節(jié)目頻道。
    HFC寬帶接入網(wǎng)是在如圖2所示的光纖-同軸混合分配網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它只能
傳輸單向的廣播電視信號。光纖的引入，僅僅改善了傳輸電視信號的質(zhì)量，使系統(tǒng)傳輸
帶寬有一定的改善。
    為了在HFC寬帶網(wǎng)中傳輸雙向交互式業(yè)務(wù)，并逐步發(fā)展為寬帶接入網(wǎng)，將圖2系統(tǒng)中的
單向放大器換成雙向放大器，在光網(wǎng)單元ONU中增加回傳激光發(fā)射機(jī)，前端HE中增加接收
單元，如圖3所示。下行業(yè)務(wù)從HE通過光纖光比利時由入的光信號攜帶，傳送到ONU，在
ONU經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡娦盘�，以同軸分配系統(tǒng)傳送到用戶家中。從用戶家中來的上行
數(shù)字信號在ONU中經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，通過光纖光纜傳送到HE，再傳送到網(wǎng)絡(luò)的其它部分。同
時，系統(tǒng)可以在ONU附近設(shè)置電視會議中心，避免上行模擬傳輸。上行模擬傳輸不采用與
數(shù)字化有關(guān)的許多設(shè)備，大大減少了系統(tǒng)的費用。
    由HFC網(wǎng)絡(luò)傳送的視頻節(jié)目通過數(shù)字壓縮以后，再采用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，如正交調(diào)幅
（QAM）、殘留邊帶調(diào)制（VSB），正交相移鍵控（APSK）等技術(shù)，就可以在較窄的頻段
傳送較多的數(shù)字視頻節(jié)目。比如在550MHz-750MHz頻段，如果采用64QAM，可傳MPEG-2O
數(shù)字圖像頻道200個，如果采用256QAM，則可傳MPEG-2數(shù)字圖像頻道800個。
    HFC中的關(guān)鍵技術(shù)是：
（a）保密性問題，因為涉及收費電視、個人數(shù)據(jù)傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)的安全性可考慮采用
加解擾及與Ethernet和Internet類似的IP地址，使接收設(shè)備都可讀取數(shù)據(jù)流前端的地址，
但只有授權(quán)的設(shè)備可讀取后面的數(shù)據(jù)。其他各種加密方法也值得研究。
    （b）上行通道傳輸與下行通道（趨向于使用QAM或CAP調(diào)制）不同，上行通道（4-
50MHz處于短波、超短波頻段）受到干擾更為嚴(yán)重，各種電子器件、家電設(shè)備產(chǎn)生的大
量干擾會進(jìn)入上行通道，由此產(chǎn)生的噪聲在強(qiáng)度及頻帶上都是時變的，同時接口不匹
配產(chǎn)生的回波以及將來越來越多的家用電器都產(chǎn)生對上行信號的干擾。另一個問題來源
于這種總線星形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多個用戶的上行信號通過放大器匯集在節(jié)點處，造成噪聲
的累積。針對上述環(huán)境，需要一種抗干擾很強(qiáng)的傳輸方法，最好是具有頻率上的靈活性，
可以避免使用那些受到強(qiáng)干擾的頻帶，考慮采用的調(diào)制方法有OPSK、QAM、DMT、DWMT與
CDMA等。
（c）通信網(wǎng)中的媒介接入控制（MAC）協(xié)議，當(dāng)傳輸?shù)哪骋粔K數(shù)據(jù)出錯（采用FEC仍不能
糾正）或丟失時，需采用特定協(xié)議進(jìn)行重傳；另外，如果光節(jié)點下的用戶不足時，如何
解決頻帶爭用，以及當(dāng)上行頻帶中的干擾隨時間而改變，需通知使用上行頻帶的各節(jié)點
避開干擾嚴(yán)懲的頻段以保證一定的誤碼率，這些都是MAC協(xié)議應(yīng)解決的問題，可以借鑒
現(xiàn)有以太網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行開發(fā)。
（d）ATM交換技術(shù)，由于HFC最終應(yīng)能實現(xiàn)三網(wǎng)合一的功能，將包括電話、數(shù)據(jù)、數(shù)字
視頻、模擬視頻等多種交互式業(yè)務(wù)。其中電話、視頻信息與數(shù)據(jù)不同，對恒定的傳輸數(shù)
據(jù)率要求較高。另外，如何使HFC網(wǎng)具有現(xiàn)代電話網(wǎng)靈活的交換功能且可適應(yīng)各種不同
需求的業(yè)務(wù)是急需解決的問題。ATM被認(rèn)為大有潛力，這方面的研究工作也是當(dāng)前的一
個熱點。
（e）電纜供電問題，如果每個光節(jié)點服務(wù)的用戶較多，各分支器、雙向放大器采用遠(yuǎn)
程饋電還是本地供電以及由此引起造價、地區(qū)性斷電等問題也需考慮。
3、幾種接入技術(shù)的比較
    銅線接入技術(shù)的優(yōu)點感動利用現(xiàn)有的銅纜設(shè)備，很快地為用戶提供服務(wù)。但銅線
受傳輸距離的限制，帶寬和傳輸質(zhì)量有限，所以不是長遠(yuǎn)的選擇。
    無線用戶環(huán)路靈活、具有可移動性、不需要線路設(shè)施、安裝維護(hù)簡單快捷、使用方
便，因些一般可應(yīng)用在用戶密度低、敷設(shè)電纜不方便、線路距離長的地域。在市區(qū)可用
于應(yīng)急場合，如用戶要求裝機(jī)時限短的一些應(yīng)急通信、臨時通信等。
    由于光纖的頻帶寬，傳輸距離遠(yuǎn)，質(zhì)量好，所以是接入網(wǎng)傳輸媒介的首選。PON
（特別對FTTH）是未來發(fā)展方向，但目前它在建造費用和運行費用方面不能與目前的銅
線網(wǎng)競爭，在目前新的寬帶業(yè)務(wù)市場還不太確定的時候，投資者承擔(dān)的風(fēng)險較大。
    HFC結(jié)構(gòu)是光纖逐步推向用戶的一種經(jīng)濟(jì)的演變策略，HFC可以充分利用現(xiàn)有的CATV
同軸網(wǎng)絡(luò)頻帶寬的特點，不需要重新敷設(shè)配線網(wǎng)，除了能提供傳統(tǒng)的有線電視節(jié)目外，
可在短時間內(nèi)為用戶提供電信業(yè)務(wù)和寬帶交互式多媒體業(yè)務(wù)。由于網(wǎng)絡(luò)是樹型結(jié)構(gòu)，
即使是重新敷設(shè)或增大服務(wù)范圍都很容易，因此，網(wǎng)絡(luò)的造價較低。目前HFC所需要解決
的問題是：
1）HFC沒有標(biāo)準(zhǔn)化。在頻譜安排上，歐洲是到862MHz，美國不統(tǒng)一。目前HFC以提供傳統(tǒng)
CATV和VOD為主，對傳輸中、高速數(shù)據(jù)沒有很好的方案，也沒有考慮一頻段與無線信號的
互相干擾問題；
2）HFC采用的是模擬頻分多路復(fù)用技術(shù)，而主干網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)都是采用數(shù)字技術(shù)，中間需
要數(shù)模轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，并增加同步、網(wǎng)管和信令和技術(shù)難度。而且采用模擬傳輸
技術(shù)，必須使用超線性激光器，價格較貴；
3）HFC的上行信號存在噪聲積累，即“漏斗效應(yīng)”。
4）同軸電纜的低頻段群延時較差，每赫茲帶寬所傳送的比特數(shù)有限，當(dāng)交互式業(yè)務(wù)種類
增加時，上行信道過于擁擠。5）由于HFC是樹關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，安全保密性能不夠好。某個
用戶點的故障可能會影響連在同一同軸電纜上的用戶，同時增加故障尋找的難度。