ATU-R

宽带接入技术-DSL浅析

—- 在介绍DSL技术之前,我们有必要先了解一下电话系统的基本架构。电话系统是一个高度冗余、多层次的分层结构,每一部电话通过两根铜线直接连到电话公司的中心局CO(Central Office,它是最近的电话交换站,可提供交换服务、拨号音服务、专用线路和用户交换功能。电话用户先连接到CO,进而再连接到电信系统的其它部分。),用户到中心局的距离通常为1公里–10公里,客户电话和中心局之间的双线连接被称为本地回路(Local Loop)。每个中心局有大量的外线引至附近的一个或多个交换中心,即长途局和汇接局,长途局之间通过高带宽的长途干线交换信息。电信系统中使用各种类型的传输介质,目前本地回路通常由双绞线构成,而在交换局之间,同轴电缆、微波,特别是光纤已得到广泛应用。 —- 概括起来,电话系统主要由三个部分组成:本地回路(双绞线介质,模拟信号)、干线(光纤或微波,多为数字信号)、交换局。电话系统最初是用来传递话音的,因此其上的信息以模拟信号为主,随着INTERNET的迅猛发展,电话系统也开始应用于数字信号的传输,最典型的应用实例就是本地回路上使用调制解调器来传输数字信息。
—- 网络速度受到了多种条件的限制,而本地回路上的传输问题却是整个传输系统中的速度瓶颈。调制解调器的极限速度为56K,即使稍后出现的ISDN最高也不过128K,为解决这一瓶颈,人们已经开发出各种各样的宽带接入技术以提高本地回路速度。在众多的宽带接入技术中,DSL以其独特的优势脱颖而出。

DSL技术概述
—- DSL是英文Digital Subscriber Line的缩写。从字面上看,DSL是一个很笼统的概念。我们常常可以看到xDSL这个术语,它实际上是许多基于DSL技术服务的统称,比如ADSL、SDSL、RADSL等。我们不必深究DSL技术到底是如何实现的,先看看DSL的真正吸引人之处。
—- DSL利用了全世界最普遍的介质–电话线来得到宽带的速度(7Mbps),这意味着我们无须更换现有的基本介质就能获得曾经梦寐以求的高速度。全世界大约有7亿条电话线,如果把它们拉直并首尾相连的话,其长度是地球到月球来回距离的1000倍。设想一下,如果改换介质,那将消耗掉巨大数量的时间与金钱,因而也没人愿意那样做。除此之外,DSL还可以让网络服务提供者和用户使用现有的技术实现不同的服务,如帧中继、ATM等,而且是在同一个平台上支持这些服务,这一点已吸引了越来越多的投资者。
DSL技术的基础
—- 普通老式电话业务POTS(Plain Old Telephone Service)是利用PSTN(Public Switched Telephone Network)来进行的。POTS设计用于传输语音,为了获得良好的语音质量,被设定为只处理0~3400赫兹范围内的信息。这种窄频带的服务如果用于通过调制解调器传输数据,则速率范围一般是9.6kbps~33.6kbps,采用某些调制技术也可以使速率达到56kbps,但56K对于像这样的窄频带来说,几乎已经到了极限。DSL技术所要解决的问题就是如何能在同样的电话线上将数据传输速率提高。
—- 答案很简单,就是要突破3400赫兹的限制。象T1/E1一样,DSL也使用了一个较大的频带。其实质就是将信息调制到较宽的频带上再从电话线的一端传输到另一端。既然增加频带可以使数据传输速率提高,那为什么我们不赶快把普通老式电话业务(POTS)废除掉而使用更高的频率来传输数据呢?事实上并不是那么简单,下面我们将从两个主要方面来讨论这个问题。
—- 在本地回路这段线路上,我们通常会遇到两类问题。一个是衰减(Attenuation)问题,这是由于传输电介质导体长度(信号必须穿过的距离)造成了电能损耗,因而将导致电信号强度的减弱。另一个则是串音(Crosstalk),即当两个线路在实体上相互邻近时,将会对信号产生干扰。

—- 衰减及由此产生的距离限制
—- 电信号的衰减就好象开汽车一样,车开得越快就越费燃料,也就越需要补充燃料。同样,在线路上传送电信号,使用的频率越高,衰减就越快,所能传送的距离也就越短。
—- 一种减少衰减的方法就是减少线路的阻抗,粗金属线的阻抗要比细的小,衰减也会较小,也就能传输更长的距离。然而,粗线意味着需要较多的电介质,那么每单位长度的线路成本也就会较高。因此,电信公司总是希望使用较细的铜线来完成所要的服务。由于电话线是由铜线双绞而成,因此我们常用铜线的直径来表示电线的规格。在美国,如果线路直径为1/24英寸,那么就表示为24AWG(American Wire Gauge);在大多数美国以外的地方(包括我国在内),线材规格都以毫米来表示,例如,0.4mm也就是26AWG,0.5mm为24AWG。

—- 减小衰减的先进编码调制技术
—- 我们以T1(我国使用的是E1,原理与T1相似)为例来说明什么是编码调制技术。T1是一种数字业务(Digital Service),它使用数字信号(0或1)处理技术。数字业务依靠脉冲编码调制技术用数字形式编制模拟信号,把模拟信息采样成数字形式并以固定的比特数编码传输。T1使用的是AMI编码调制技术,数字信号中的每一位都用一个模拟波形来表示,换句话说,AMI调制编码技术只支持每波特(Baud)传输一个比特(Bit)。人们有时常把波特与比特混淆,其实它们并不一样。波特是用来表示信号频率(每秒钟信号电压值改变的次数)的,一个M波特的线路传输信号其速率不一定是每秒M比特,因为每个信号可以运载好几个比特。如果数字化的电压0~7都被使用,那么每个信号值可以代表3个比特,因而比特率是波特率的3倍。在我们的例子当中,T1的速度是1.544Mbps,即每秒钟传输1,544,000比特,而T1所采用的AMI编码技术在一次信号值(如电压)的改变中只传送一个比特,因此就需要频率1,554,000Hz(每秒钟电压改变的次数)来实现这样的速度。对于象这样高频率的信号,它的距离将被限制在小于1.8公里(不加任何中继器,线路规格是美规22AWG)。

—- 我们都知道ISDN BRI(Integrated Services Digital Network Basic Rate Interface),它可以提供2个B信道(每个B信道为64K)和一个D信道(16K),有效载荷信息再加上其他的附加信息可达到160kbps的速率。ISDN的关键卖点在于它利用了现有的电话线,但ISDN BRI使用的是AMI编码调制技术,频率低于160kHz,这使得本地回路距离只能达到5.4公里(0.4mm线径)。随着线路编码调制技术的快速发展,出现了在一个波特中发送两个比特的技术,这种编码调制技术被称之为2B1Q。ISDN BRI使用的就是2B1Q技术,同样在本地回路距离5.4公里的情况下,频率只需要到80kHz就够了。

—- HDSL的出现
—- 90年代初期,一些厂商将2B1Q调制技术应用于T1/E1服务中,线路中不使用中继器,数据在4线(4根铜线)的线路中传输,其中铜线两两成对。每一对铜线的线路速率是784,000bps,整个线路速度为1,544,000bps。这样一来,在使用频率较小的情况下,也能获得所要求的本地回路距离,这项技术被称为HDSL(High Bit Rate Digital Subscriber Line)。基于该技术,可以使本地回路在不需要中继器的情况下,回路距离达到3.6公里(0.5mm线径)。

—- 在众多的编码调制技术中,还有一个叫做CAP(Carrierless Amplitude and Phase)编码技术。它与2B1Q相似,也是在一个波特中传输多个比特,不同的是,CAP能在每一波特中传输2~9个不等的比特。这使得在相同本地回路距离的条件下,CAP比2B1Q所需的频率要小得多,从另一角度看,在同样的频带下,CAP比2B1Q能传输更远。目前,CAP调制技术已经应用于HDSL中。

—- 串音对传输的影响
—- 当电信号被调制传输在铜导线中时,它会向与它相邻的其他铜导线辐射能量,这种现象就叫做串音(Crosstalk)。在电信网络中,许多铜导线都用绝缘材料隔开并集中放在电缆内,电缆中的铜导线各自传送接收信息,当相邻近的铜导线传输信号频率相近时,就会产生严重的串音,使波形变形。串音可分成两类,一种叫做近端串音,这是不同线路发送的信号在线路发送端的干扰;另一种叫做远端串音,它是不同线路发送的信号在线路接收端的干扰。近端串音要比远端串音明显一些,这是因为信号在刚产生时能量很高,干扰就会强烈一些,而经过线路传输后,会由于衰减而变得较弱。另外,在同一回路中传送和接受信息时,相同频率的信号间也会产生干扰,但这种干扰不同于串音,它检测原信号的延迟复制,然后在接受信息的信道上加上一反向信号的传输,这可以使已变形的波形得到有效的复原。这种方法被称作回波消除(echo cancellation)。

—- 在一些DSL系统中,传送和接受信号使用的是不同的频率范围,我们把它称作FDM(Frequency Division Multiplexing)。这种基于FDM系统的好处在于它能消除近端串音,因为在这个系统中,一条线路中不会接收到与邻近线路发送频率相同的信号。因此可以说,基于FDM系统的工作性能比前面所提到的回波消除系统更好。FDM系统在应用上把上传(Upstream)与下传(Downstream)分为两个不同的频带,这就会比回波消除系统使用的频率更多一些。在某些情况下,衰减可能是影响性能最关键的因素,而在另一些情况下,最关键的因素又是串音。因此,什么是最佳的选择要依实际情况而定。有时衰减现象比串音现象严重的多,因此频率不能很高,则选择回波消除系统;而在另一些情况下,串音的影响会很重要,FDM将是最好的选择。

—- SDSL的出现
—- 现在的接收发送系统已经可以在相同的本地回路距离情况下,仅用两线就达到甚至超过T1/E1 HDSL所能达到的速度,这种只使用两线就可以实现T1/E1 HDSL的技术称之为SDSL(Symmetric Digital Subscriber Line)。由于还没有在业界正式命名,术语SDSL也用来泛指那些只用一对线的不同速率的对称服务(指上传速率等于下传速率)。原则上,我们以能达到的距离来衡量4线的HDSL和2线的SDSL。由于HDSL用4线传输,因此HDSL系统比SDSL系统所需要的频带小,因此HDSL能获得较长的回路距离。然而,实际应用中,在线径标准为0.5mm的情况下,T1 SDSL的本地回路距离能达到3.4公里,而T1 HDSL为3.6公里,可以看出,两者差距并不大。在这种情况下,SDSL优势不言而喻。

—- ADSL的出现
—- 我们发现,在数据传输方向上,从中心局到家庭和办公室的传输量要远远大于从家庭、办公室到中心局的传输量(比如说,下载就远比上载要多)。而从物理结构上来看,电信公司把线路都集中在一起,再发往家庭和办公室。这就会引起电信公司的串音要远多于家庭、办公室的串音。要解决以上两方面的问题,我们可以利用FDM来消除电信公司的近端串音,同时,上传(从家庭到中心局)的频率要低于下传(从中心局到家庭)的频率,这样当信号到达电信公司时,由于衰减较小而足够强。我们把类似这种上传与下传速率不相等的基于DSL技术的服务叫做ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line).

—- 用于ADSL的编码调制技术主要有QAM、CAP和DMT。不像2B1Q是一种基带(Baseband)技术(基带就是传输频带从0赫兹开始),以上这三种技术都是通带(Passband)技术,它们可以利用任意一段频带。ADSL的设计目是要和现存的普通老式电话业务(POTS)共存,利用FDM把频率分为POTS、上传、下传三部分(如图所示),这种通带的特点就可以解决这一问题,

—- 其它的DSL技术
—- RADSL(Rate Adaptive DSL)。它允许传送接收方自动增加线路速率直至本地回路所能达到的最大速率,这个特性可以简化安装过程,同时,在线路发生某些状况的时候,系统也会自动处理而不用服务提供者操心。当RADSL运行于自动速率模式时,它同时支持手动配置。服务提供者有多种固定的速率以供用户使用,价格也有差异。软件配置的灵活性意味着仅用一个产品就可以支持多种服务,这样可以大大节省维护设备的费用。此外,基于RADSL的产品也支持对称(Symmetrical)和非对称(Asymmetrical)的应用。
—- 在某些情况下,DSL也被应用于已有的技术中,如IDSL(ISDN DSL)技术。它最早产生于80年代,实际上可看作是ISDN的一个子集,它不支持任何的电话服务以及交换连接。IDSL的主要好处是针对于服务提供者而言的,利用IDSL,他们可以不依靠交换网络就连接到INTERNET,而且可以保持一直连线。
—- 针对于对称(Symmetrical)应用的发展,MSDSL(Multirate SDSL)已成为一项很有价值的技术。在2线的SDSL技术的基础上,MSDSL可以改变接收发送方的线路速率,这样本地回路距离也会随之改变。MSDSL运用CAP编码调制技术可支持8种不同的速率,从64K到128K不等,在回路距离上,对应可达为8.9公里~4.5公里(线径标准为0.5mm)。

DSL的基本结构
—- DSL技术是应用在本地回路中的,它支持高速接入服务而且无须在中途增加任何中继器。当基于DSL技术的服务被加以应用时,数据在中心局中绕过交换机,并集中统一发送到中心局的内部网络。下图表示的就是中心局中的DSLAM和DSL的ATU-R(Remote Transceiver Unit)。
—- DSLAM(Digital Subscriber Line Access Multiplexer):DSLAM放置在中心局中,它是DSL解决方案的基础。从功能上来讲,DSLAM把本地的多条回路集中起来,一并通过主干网传输。另外,DSLAM还可以对封包、信元以及基于电路的应用进行处理,并把它们用不同的接口发送出去,如10BASE-T、100BASE-T、T1/E1、T3/E3或ATM等。DSLAM支持多种服务,这样可省去为不同的DSL服务建立不同独立结构的麻烦,只需在DSLAM内部更换服务所对应的电路卡即可。
—- 传输系统(Transport System):这个部分为DSLAM系统提供主干网传输接口。它能提供多种接口类型,如T1/E1、T3/E3、OC-1、OC-3、STS-1、STS-3等等。
—- MDF(Main Distribution Frame):从家庭和办公室等本地回路来的双绞线通过MDF连接到交换机(Telephone Switch),它相当于一个中心点,所有的本地回路都集中在那里。
—- ATU-R(Remote Transceiver Unit):ATU-R是在DSL本地回路中处于用户一端的设备。它之所以被称为远端,是相对中心局而言的。ATU-R接口通常为10BASE-T、V.35、ATM-25、T1/E1等。除了具备DSL调制解调的基本功能外,许多的ATU-R还支持许多其它功能,比如网桥功能、路由选择功能以及时分多路复用(TDM)和频分多路复用(FDM)。近些年来,Cisco、朗讯、Zyxel等公司已针对各种DSL服务生产出相对应的ATU-R产品。
—- POTS分离器(POTS Splitter):POTS分离器是中心局端和服务用户端的可选设备。它允许本地回路既能传送高速数据又可以进行语音通话。POTS分离器分为有源和无源两种。
—- 在图中可以看到,高速数据(High Speed Data)和低速数据(Analog Modem Data)是沿不同路线传输的,也就是说,当用户打电话时,是按照原来的路线传输的;而当用户使用高速传输时,数据则会直接传到DSLAM,再通过传输系统发往主干网络。

结束语
—- 本文的目的在于让大家了解DSL是一个什么样的技术,虽然说DSL还不是真正的下一代数字接入网络传输技术,但它却是现今最有发展前景的技术之一。DSL可以让用户得到前所未有的速度,利用它所提供的高速特点以及其它良好的性能,用户可以进行网上会议、视频点播等多种活动。在我国,DSL还处于起步阶段,随着我国网络事业的发展,DSL将会带给我们新的前景。

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