數(shù)字用戶線的應(yīng)用和發(fā)展

數(shù)字用戶線的應(yīng)用和發(fā)展
    ［摘要］本文首先解釋對絞銅線用作數(shù)字用戶線的可能性，接著介紹各種不同
應(yīng)用的數(shù)字用戶線，最后展望了正在發(fā)展中的甚高速率數(shù)字用戶線。
    ［關(guān)鍵詞〕數(shù)字用戶線；對絞銅線；數(shù)據(jù)傳輸
    ［中圖分類號］TN811［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］1006－1908（1999）05－
0003－041數(shù)字用戶線（DSL）的由來
    長期以來通信用戶的電話機經(jīng)過“對絞銅線”的用戶線連至市內(nèi)交換局，進入
公共交換的通信網(wǎng)（PSTN），接至對方用戶的電話機，使雙方得以互相會話。眾所
周知，電話在百余年來對人類通信起了極大的作用。事實上，載荷電話模擬信號的
對絞銅線在百余年來默默無聞地同樣對人類通信作出巨大貢獻，應(yīng)該受到同樣的贊
頌。對絞銅線為傳統(tǒng)的模擬電話提供300～3400Hz的頻帶，用戶對通話質(zhì)量感到滿意。
為了適應(yīng)電話用戶使用低速數(shù)據(jù)通信，曾加裝調(diào)制一解調(diào)器（modem），使速率33kb
／s和最高56kb／s的數(shù)據(jù)信號能夠通過模擬話音頻帶與對方實行數(shù)據(jù)通信。話音modem
只能提供56kb／s的數(shù)據(jù)速率。為什么對絞銅線只能傳輸以56kb／s為限度的數(shù)據(jù)呢？
應(yīng)該說，這不是對絞銅線傳輸能力的限度，而是通信網(wǎng)中的交換機有限制，它對電
話通信只是分配一個話音頻帶。雖然用戶的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過話音modem，交換機并不認(rèn)
出它是話音modem傳來的數(shù)據(jù)信號，而只是對它當(dāng)作話音信號看待。對絞銅線本身并
不限制定帶數(shù)據(jù)信號的傳輸，只要避開窄帶交換機，用戶就可以把寬帶數(shù)據(jù)信號送
進通信網(wǎng)。因此我們說，用戶線如避開了窄帶的話音交換機，就可成為“數(shù)字用戶
線”（DSL，Digital Subscriber Line）。當(dāng)然，對絞銅線用作DSL，其傳輸數(shù)據(jù)信
號速率的容量與其線路長度有關(guān)。以前的對絞銅線傳輸寬帶數(shù)據(jù)信號，只能限于很
短的長度。如參數(shù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進，新的對絞銅線能夠傳輸較長距離。這樣的DSL到了
交換局內(nèi)，不經(jīng)過原來的話音modem，而是由另一種modem提取數(shù)字信號，或者DSL連
至街上某一接線箱，再連往通信網(wǎng)的交換機。通信網(wǎng)可能是利用ATM，或是利用IP（
Internet Protocol）。用于DSL，傳輸寬帶數(shù)據(jù)信號的modem，是需要精心設(shè)計的，
必須利用最新的大規(guī)模集成芯片和信號處理技術(shù)，這就是為什么DSL到近年才開始應(yīng)
用和較快發(fā)展的原因。
2  各種不同應(yīng)用的數(shù)學(xué)用戶線（XDSL）
    根據(jù)國際上的共同統(tǒng)計，近年來通信用戶使用業(yè)務(wù)的情況與過去相比有明顯的
變化。尤其是Internet向全世界開放，眾多擁有計算機的用戶普遍要求上網(wǎng)以獲取
大量數(shù)據(jù)信息，給原來的電話通信網(wǎng)帶來巨大的沖擊。而數(shù)字電視技術(shù)日趨成熟，
使眾多的住家用戶產(chǎn)生濃厚的興趣。與通信網(wǎng)上各種通信業(yè)務(wù)量相比較，電話的業(yè)
務(wù)量僅是緩慢上升，而數(shù)據(jù)信息的業(yè)務(wù)量卻依指數(shù)規(guī)律上升，這意味著，數(shù)字用戶
線（DSL）非常需要加快發(fā)展。
    在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)和數(shù)字圖視業(yè)務(wù)使用有各種不同的情況。有些是
用戶發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息幾乎具有相等的數(shù)字速率，這就屬于對稱的雙向通信。
雙方用戶使用可視通信或多媒體通信，一般是雙向?qū)ΨQ的。而另一些應(yīng)用，用戶上
Internet網(wǎng)，用戶發(fā)往網(wǎng)的僅是簡短的數(shù)據(jù)信息，而網(wǎng)向用戶提供的卻往往是大量
的、長時間傳送的數(shù)據(jù)信息。又如住家用戶需要點播電視節(jié)目（VOD，Video on D-
emand）業(yè)務(wù)，用戶發(fā)向網(wǎng)的也僅是簡短的數(shù)據(jù)，而網(wǎng)向用戶提供的卻是長時間的數(shù)
字電視節(jié)目。這兩類典型應(yīng)用表明上行線路僅傳輸簡短數(shù)據(jù)，而下行線路卻傳輸大
量數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用屬于不對稱的雙向通信。針對這些不同的實際應(yīng)用情況，數(shù)字用
戶線有對稱的和不對稱的，分別稱為SD－SL（Symmetrical DSL）和ADSL（Asymmet－
rical DSL），后一種適用于Internet接入和VOD。
    上節(jié)講到話音modem，只能提供低速數(shù)據(jù)33kb／s至56kb／s，后者可說是限度，
改用ISDN（窄帶ISDN）的modem,盡管數(shù)據(jù)速率提高至56～128kb／s，但仍不能滿足
用戶使用Internet接入的需要�，F(xiàn)在，DSL傳輸數(shù)據(jù)速率提高了。為ADSL設(shè)計的modem
可使上行線路的數(shù)據(jù)速率達384kb／s，而下行線路的速率最高達到1.5Mb／s。另一
種更先進的ADSL－modem甚至使下行線路的數(shù)據(jù)速率提得更高，達2.5～8Mb／s。對
于對稱的SDSL，則對雙方向同樣提供較高的數(shù)據(jù)速率1.5Mb／s。顯然，DSL技術(shù)解決
了寬帶通信網(wǎng)的寬帶接入（broadband  access）問題。相當(dāng)于 ADSL的數(shù)據(jù)速率2.5
～8Mb／S，也稱高速率數(shù)字用戶線，即HDSL（High SpeedDSL）。最近更進一步，研
究和開發(fā)更高數(shù)據(jù)速率26Mb／s，甚至52Mb／s的數(shù)字用戶線，稱為甚高速率DSL，即
VDSL（Very HighSpeed DSL）。現(xiàn)在已經(jīng)有幾種DSL，即AD－SI、SDSL、HDSL、VDSL，
所以籠統(tǒng)地稱xD－SL，x可以是A、S、H或V。
3  正在發(fā)展中的甚高速率數(shù)字用戶線（VDSL）
    據(jù)最新報道，甚高速率數(shù)字用戶線（ VDSL）可以分為兩類：其一是住家用戶的，
其二是企業(yè)／事業(yè)用戶的。提供住家用戶使用的是不對稱VDSL，而提供企業(yè)／事業(yè)
用戶的則是對稱VDSL。在每一住家用戶的一對對絞銅線上，既傳送電話和ISDN信號，
又傳送VDSL信號，兩類信號同時存在。對絞銅線的長度不超過1.5km。對絞銅線的頻
譜分配是：OHz～12OkHz給電話和ISDN，300kHz～3OMHz繪VDSL。兩種頻段可以由分隔
器（split）分開。用戶地點和交換局各設(shè)置一個這樣的分隔器。在用戶地點，普通
電話機與ISDN－modem和計算機與電視機經(jīng)過xD－SL－modem分別連接分隔器，一同在
對絞銅線上傳輸。而在交換局的分隔器，一方面把電話與ISDN信號連往窄帶通信網(wǎng)，
連往對方用戶電話機，另一方面把對絞銅線傳來的用戶xDSL－modem的信號連往交換
局的xD－SL－modem，于是連往寬帶通信核心網(wǎng)經(jīng)過SDH連至Internet業(yè)務(wù)提供者（IS），
也可以連至數(shù)字電視臺。這樣，每一住家用戶可以按需要得到Internet接入，也可以
得到VOD業(yè)務(wù)，VDSL的下行線路足夠傳輸大量數(shù)據(jù)或電視節(jié)目、甚至高清晰電視（HDTV）。
為了適應(yīng)離交換局較遠的住家用戶，交換局可以利用光纖光纜連至幾百家電話用戶集
中的適當(dāng)適點，設(shè)置光端機分配點（ONU，OpticalNetwork Unit），然后由幾百對對
絞銅線分別連至距ONU 1km以內(nèi)的每一用戶。這樣的不對稱VDSL可以容許下行傳輸數(shù)據(jù)
速率13～26Mb／S，上行傳輸2～3Mb／S。如用戶的對絞銅線短于300m，則下行傳輸數(shù)
據(jù)速率可能高達52Mb／S，足夠同時播送幾個數(shù)字電視或HDTV頻道。
    對于企業(yè)／事業(yè)單位辦理業(yè)務(wù)，更多地需要使用對稱的VDSL。如對絞銅線長度，
短于1km，傳輸數(shù)據(jù)速率可以是13Mb／s，如長度短于300m，則數(shù)據(jù)速率可達26Mb／s。
這些單位如在各自地區(qū)內(nèi)建立專用的局域網(wǎng)（LAN），各座房屋如相距不超過O.5～1.5
km，則它們之間可以利用對絞銅線，如為ATM，數(shù)據(jù)速率可達25.6Mb／s，如為Ether－
net ／IP，則數(shù)據(jù)速率可以是10Mb／s，利用VDSL－modem實現(xiàn)高速率傳輸是經(jīng)濟合算
的。這些單位的主樓可以利用光纖光纜連至市內(nèi)公用通信網(wǎng)的交換局。如果企業(yè)／事
業(yè)單位規(guī)模不大，而且靠近市內(nèi)交換局，則對絞銅線使用1.5～2Mb／S或45Mb／S，稱
為CO為基的VDSL，這種對絞銅線往往是向交換局租用的專線。在一對對經(jīng)銅線上裝了
VDSL，由于提供較高的數(shù)據(jù)速率，有可能同時傳送幾種不同的通信業(yè)務(wù)，包括數(shù)字圖
視和分組數(shù)據(jù)IP的應(yīng)用，對于ATM網(wǎng)很合適。
    VDSL的線路傳輸是利用離散多音調(diào)（DMT， Discretemultitone）的調(diào)制，即很多
個不同的正交調(diào)幅（QAM）信號，例如256個信號，各自對不同的中心頻率調(diào)制，有相
同的帶寬，依次緊靠排列。VDSL的下行與上行數(shù)據(jù)傳輸，不論是不對稱的或是對稱的，
都采用時分雙 工（TDD，time division duplex），俗稱乒乓（ping－pong）傳輸，
下行為乒、上行為乓。DMT與 TDD兩種技術(shù)合并，成為同步的離散多有調(diào)（SDMT，Sy-
nchronized DMT）。VDSL將以 SDMT技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸性能上將得到很多有利的優(yōu)點。
    在SDMT系統(tǒng)，上行和下行傳輸是在一個頻帶，但在不同的時間。不對稱的和對稱
的傳輸有同樣的超幀（superframe）。例如一個SDMT超幀，包含20個DMT符號，每一符
號占時間25ps，一個超幀的時間就是500ps。每一方向傳輸完畢就有一個停歇符號。例
如在不對稱的情形，先是下行傳輸16個符號、停歇1個符號，接著就是上行傳輸2個符
號、停歇1個符號，總共20個DMT符號，占時間500ps。在對稱的情形，下行傳輸9個符
號。停歇1個符號，上行傳輸9個符號、停歇1個符號，總共20個DMT符號，占時間500ps。
這樣20個符號占時間500ps的幀·相當(dāng)于256個音調(diào)，每個音調(diào)的寬度約為40kHz。在上
述例子，不對稱傳輸下行與上行之比為8：1，對稱傳輸則必為1：1。這樣的TDD對于不
對稱傳輸下行與上行數(shù)據(jù)速率之比可以靈活安排的，而且數(shù)字信號處理和模擬器件都
不復(fù)雜。由于超幀結(jié)構(gòu)是用軟件排程序，SDMT－modem既可以用于不對稱，又適用于對
稱的情形。硬件可供發(fā)送機和接收機共用。這是因為DMT－modem對發(fā)送和接收所需逆
向快速傅利葉變換和正向變換（IFFT-FFT）是相當(dāng)?shù)�。用了TDD方式， modem可以在任
何時間用于發(fā)送或接收，因此，每一modem只需一套離散傅利葉變換（DFT），它覆蓋
整個系統(tǒng)的頻帶寬度。在整個超幀，除了停歇時間外都可適用。而且，由于發(fā)送和接
收使用相同頻帶，模擬器件可以簡化。總之，VDSL使對絞銅線上傳輸很高的數(shù)據(jù)速率，
但其所需的modem并不太復(fù)雜。所以說，VDSL值得繼續(xù)研究和開發(fā)，對充分發(fā)揮對絞銅
線的潛力是有利的。
    在國際上，目前已有多家從事VDSL的研究工作，也報道了他們采用的不同技術(shù)和
制式。例如有些研究對DMT系統(tǒng)采用頻分多路（FDM），調(diào)制方式采用無載波調(diào)幅與調(diào)
相（CAP，Carrierless amplitude&phasemodelation），下行與上行的雙工采用頻分
（FDD），還有接收機內(nèi)采用判決反饋均衡器（DFE，Decision feedback equalizer）
等等，各有一定的作用和優(yōu)點，值得深入研究和試驗。
    附記感謝顧玉華博士從瑞典大學(xué)陸續(xù)寄來IEEE Communications Magazine雜志。
從1999年4月號第72～79頁看到一篇由美國斯坦福大學(xué)Cioffi、貝爾研究院Oksman和
Werner、阿爾卡特爾研究中心Pollet和Spruyt、德克薩斯儀器公司Chow和Jacob－sen
等七位專家合寫的文章：“Verg－High Speed Digital Subscriber Lines”，覺得內(nèi)
容很好，有必要摘錄其要點介紹給國內(nèi)通信領(lǐng)域的廣大讀者參考。原文作者表明：貝
爾（AG.Bell）于1876年發(fā)明電話，固然是為人類作出巨大的貢獻，而1881年發(fā)明對絞
銅線，也應(yīng)該說是巨大貢獻，通信科技工作者應(yīng)該繼續(xù)努力研究，使對絞銅線能持久
地發(fā)揮作用。
    另外，IEEE CommunicationsMagazine 1999年1月號第130～141頁登載一篇由諾基
亞研究中心Dixit撰寫的文章：“Data Rides High on High－speed Remote Access”
也詳細(xì)地說明各種數(shù)字用戶線xDSL，值得向讀者推薦，可以多一種參考。