實用寬帶新技術

2019-11-03 09:05:08

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供稿：網友

卞春榮1，鄭曉意2，劉杰2，蔡俊生3

1.天津通信管理局；2.天津科技大學Internet學院

　　摘要：簡要介紹了三種寬帶新技術及其應用，包括替代五類線的VDSL，可解決HFC上行噪音漏斗效應的S-CDMA技術以及利用電源線傳輸高速數據的PLC技術。這些新技術由于具有較高的性能價格比和廣闊的應用前景，受到了廣泛的關注。

　　關鍵詞：數字用戶線；碼分多址；電力線通信

　　20世紀90年代，正當異步轉移模式（ATM）被逐步推廣應用的時候，基于ip技術的因特網絡（Internet），由于出現了所謂的“殺手應用（Kill ap-plication）對象”——Web，而爆炸性地發展了起來，Internet業務量的增長成為數據通信業務增長的主要因素。在1990年前后，Internet的主要業務是E-mail，帶寬公為1kbit/s左右，到了1995年，主要業務成為Web瀏覽，所用的帶寬增長到了50kbit/s左右。用戶數量也呈指數級增長。至2000年后，盡管由于反映技術因素的摩爾（Moore）定律和反映社會需求因素的麥特卡夫（Metcalfe）定律二者失調，即技術發展的推力過大，真正的社會需求還沒能到來，出現了所謂的“網絡泡沫”的現象，譬如視頻點播（VOD）就是其中的一例。但是寬帶互聯網技術的方向畢竟是正確的，數據業務的高速增長也有目共睹，因此各國投入巨資研制和開發寬帶網絡的勢頭不減，使這方面的技術日趨成熟，性能也不斷地完善和提高。為了引起電信企業的關注，合理地推廣應用這方面的新技術，本文僅就甚高速數字用戶線（VDSL:Very Digital Subscriber Line）、同步－碼分多址（S-CDMA:Synchronous-Code Division Mul-tiple access）和電力線通信（PLC或PLT：Plwer Line Communication Technology）三種技術作簡要的介紹。

1 VDSL

　　數字用戶線（xDSL）是以現有電話線為傳媒，并利用先進的數字調試技術實現寬帶接入的系統，主要應用了正交以以邊帶調制（QAM）、無載波調幅調相（CA-P）、離散多音調調制（DMT）、前向糾錯（FEC）以及交織編碼等新的技術，形成了不對稱數字用戶線（AD-SL）、高比特數字用戶線（HDSL）、單線對高比特速率數字用戶線（SDSL）、以及速率自適應數字用戶線（RDSL）、通用非對稱數字用戶線（UDSL）、消費數字用戶線（CDSL）等一系列產品。但這些產品均有一個弱點，即對線路的要求比較苛刻，通常在國外，市話電纜中僅有30%可以開通ADSL，而在國內則更少，僅為10%。主要的原因是DMT抗近端串擾（NEXT）和遠端串擾（FEXT）能力較差，因此有的公司轉向采用更新的VDSL采用了離散子播多音調制（DWMT）方式，市話電纜的開通率可達60%以上。有的產品還具備基于包過濾（RFC2267）的防火墻，提高了系統的安全性能。

1.1 VDSL 和EDSL

　　VDSL綜合應用了各種在xDSL發展過程中形成的技術，因此可以在較短的距離內達到極高的傳送速率。有關xDSL技術的比較如表1所示。

　　VDSL與xDSL的其他產品不同，可以用電話局原有的用戶線近距離地傳送數據，其實質量是可在局域網（LAN）中取代傳統的五類線。VDSL的應用主要是以太網數字用戶線（EDSL：Ethernet-over VDSL）。作為最終用戶接入手段，EDSL符合光節點逐步向用戶延伸的趨勢，因此引起了相關部門的極在重視。

　　EDSL技術是以太網和VDSL技術相結合的產物，是一種以包傳輸為基礎的以太環系統，可以在現有電話網的基礎設施上實現高速率的數據傳送，例如速率為10Mbit/s時，傳輸距離可望達到1km。同時，以太網的半雙工模式和突發包交換技術還可減弱DSL的缺點，并提供低成本的接口。由于以太環技術結合了以太網和DSL兩者的優點，具備了高度的線路自適應能力，同時可以通過變化速率、調制方式和發送功率三種方式來自動適應雙絞線的品質和各種噪音環境。特別是EDSL在運行中，有包才傳輸，這就大大減少了傳輸的功耗，對用戶線的要求也放松了很多。因此，EDSL不單對原有電話線路增加了利用度，也對LAN及五類布線技術提出了挑戰。

1.2 EDSL的應用

　　EDSL完全基于以太網，有別于曾經出現過的ATM-VDSL技術，因此可以技術更多增強的QoS和安全性能，可以開辦以太網上所有的服務。由于VDSL是xDSL技術中速率最快的一種，且能在一對銅線上傳輸堅固耐用此近距離的傳輸,VDSL要比AD-SL速率高出很多，性能也穩定得多，例如在1.5km的范圍內VDSL能夠到雙向對稱10Mbit/s速率的傳輸。VDSL還具有較高的性價比，可以成為光纖入戶的替代方式等等。由于VDSL有較多的優點，在EDSL中，與以太網得到了完美的結合，便形成了既能提供全方位服務，又能只用一條線路為客戶提供多種服務（包括語音、視頻和數據）的寬帶接入方式。

　　具體地說，EDSL有以下優點：

（1）EDSL與普通以太網的接入方式不同

　　普通的以太網是FTTB+LAN光纖到大樓的方式，而EDSL則是光纖到小FTTZ+EDSL。FTTB+LAN需要在每棟樓中架設一臺以太網交換機，而FTTZ+EDSL則只需在每個小區架設一臺VDSL交換機，與每棟樓的VSDL調制解調器（Modem）之間通過電話線進行連接就可以了。其距離可達1.5km，形成了真正意義上的“最后1km”。

　?。?）EDSL的布局有優勢

　　在小區內以太網基于銅線，如圖1所示。通信速率可達10Mbit/s～26Mbit/s。

　　這種布局，克服了因小區接入用戶數量少而帶來的資源浪費。比如某棟樓中有200個住戶，上網的用戶僅有10家，如用FTTB+LAN方式，需要在每棟樓中架設交換機，以太在每幢樓內鋪設LAN，這樣成本就很高，資金難以收回。如用FTTZ+EDSL方式則非常便捷，只要在小區內架設一個VDSL交換機，再用銅線將小區內的上網用戶與VDSL交換機連接起來，就解決了問題。每臺VDSL交換機可接16～24個用戶，如小區上網的用戶量增大，只需增加VDSL交換機的數目（中心點數目），不用重新布線，就可以達到擴容的目的，因此EDSL有較高的經濟性。

　　（3）便于管理

　　EDSL是真正的“最后1km”，國內的小區一般都在1km以內，因此，如果使用EDSL技術，在普通居民小區一、二個中心點內就可對所有接入設備進行集中管理。也可以覆蓋足夠的初始用戶，方便地對用戶進行管理和擴展。

　　由于VDSL的網絡管理的系統功能比較強大，VDSL支持圖形用戶接口（GUI）環境及基于Web的網管，因此可實時顯示VDSL交換機的狀態，實現用戶信息及配置的管理，實時進行Trap報告及E-mail通告，實現數據流量的統計管理及對客戶的計費等等，因此與以太網結合的EDSL，也具備了這些優點。

　　（4）EDSL有較強的業務功能

　　由于VDSL交換機內置有POTS/ISDN分離器，用戶可以通過一條電話線同時上網和打電話，VDSL也支持遠程控制，通過遠程控制和軟件Download的方式進行升級等EDSL產品也有杰出的性能和較強的業務功能。如利用動態圖像編碼組4（MPEG4）格式，提供高性能視頻/語音（比MPEG2壓縮率更高）功能；提供單播/多播功能；通過Internet傳遞多媒體信息及實現網上訂戶管理（訂閱、收帳、安全）和支持身份認證、虛擬局域網（VLAN）等等。

　　EDSL的上述優勢，促進了它的廣泛應用，在天津，也已有實示的EDSL系統在運行。

2 S-CDMA

　　寬帶接入有一種是利用有線電視（CATV）光纖銅軸混合網（HFC）的方式，即利用了CATV網絡覆蓋范圍廣、頻帶資源豐富的特點，在HFC中除傳送CATV電視外，還傳輸數字、音視頻及數據業務，并實現與Internet的互聯互通，完成交互式的業務等等。

　　HFC網絡的帶寬一般為750MHz，其中5MHz～65MHz用于傳輸上行電話和數據；65MHz～550MHz用來傳輸下行電話、數據及壓縮數字音視頻信號。

　　但是，由于HFC網絡的上行信道所處的頻段極易受電磁干擾，且電纜網本身是樹型結構，網中的信道也易受噪聲干擾和窄帶干擾，同時電器設備產生的噪聲也會對信道產生侵入干擾（Ingress），再加上電纜自身產生的熱噪聲和用戶端的累積的噪聲相疊加，由“樹枝”處向“樹干”處匯集，形成了所謂的漏斗效應（Funnel Effect），進而使信道的載噪比很差，嚴懲時能使網絡喪失雙向通信的能力，因此可以說HFC上行信道的穩定性和可靠性都不太理想。為了彌補HFC的不足，人們提出了一種改進型的S-CDMA技術。

2.1 S-CDMA技術

　　CDMA（Code Division Multiple Access）技術由于具有抗干擾能力強，保密性能好，用戶容量大的優點，在無線通信領域得到了廣泛的應用。而S-CDMA同樣具備了CDMA的優點，在HFC網絡中也具有較好的應用前景。

　　S-CDMA技術在每6MHz帶寬中使用14.7Mbit/s的速率，通過頻譜拓展技術，可以使上行傳輸免遭脈沖窄帶干擾的影響。由于S-CDMA僅占6MHz的帶寬，不對相鄰頻道產生影響，故該技術可以在HFC網絡中與使用其它調制方式的傳輸，如正交移相鍵控（QPSK）、QAM等音、視頻傳輸和諧共存。該技術形成CATV寬帶網真正意義上的互聯雙向多媒體的服務，并賦予了該網絡動態寬帶設置、保密性強、多層次和大容量等無可比擬的優越性。

　　S-CDMA技術，應用于HFC網絡中，需要采取特殊的措施，這些措施主要有：

　　（1）測距和均衡校正措施

　　通過測距和均衡校正措施使所有HFC用戶端的Modem與網絡前端同步，并在每個用戶單元與其他用戶共享線路的基礎上，擴頻信號之間保持了良好的正交性，因而最大限度地克服了自生干擾，提高了信道的利用率。其中：

　　a.測距（Ranging），用來確定每個Modem到前端路徑的長度，以使距離前端較近處的發送信號的時間比距離前端較遠處的發送信號的時間稍晚一些，保證所有的信號能在同一時刻到達前端接收機。

　　測距采用的算法是動態、連續和透明的，應考慮溫度變化對物理線路的影響及線路的老化程度等。

　　b.均衡（Equalization），即在每個發送端前置預編碼器，在測定出用戶到前端的信道響應H（w）后，對預編碼器進行調整，使其幅頻響應P(w)與信道響應呈倒數的關系，即P(w)=1/H(w)。預編碼器的設置能消除信道響應帶來的信號失真。

　?。?）進行功率控制

　　在HFC網絡中應用S-CDMA，也應進行功率控制，以減少用戶之間的相互干擾。但與無線通信不同的是，在無線通信中由于移動臺位置不確定，無線信道質量稍差，使得功率控制較為復雜，而在有線通信中，由于一般用戶的位置都比較確定，因此功率控制的方法比較簡單。

2.2 S-CDMA在HFC網絡中應用

　　S-CDMA在HFC網絡中應用有以下優點：

　?。?）可解決噪聲干擾

　　標準IS-95碼是一種在寬帶傳輸中用于頻譜拓寬的編碼。普通的CDMA技術，盡管在用戶之間沒有互相的關聯，但互相間卻有影響和干擾，這種影響和干擾稱之為自生噪聲。自生噪聲提高了網絡中噪聲的背景，也降低了網絡的容量。而S-CDMA通過用6MHz的帶寬取代CDMA所用的30MHz的帶寬，可使富余頻帶對相鄰的頻道形成保護帶，解決了鄰頻干擾的問題。

　　這樣在S-CDMA的系統中，每一個6JMHz的帶寬均用來傳輸6Mbit/s的多路數據流，每一路數據流的速率為64kbit/s，碼型為Trellis碼，以一特定層位的特定擴展碼的形式進行傳輸。采用Trellis碼，是為了使信道增加4.8dB的增益，并在長距離傳輸、噪聲高達100μs時，系統不至于增加誤碼。

在S-CDMA系統中，還使用了前向糾錯技術、分層經聯步位傳輸技術及拓譜技術。前向糾錯和分層經聯步位傳輸技術可使數據傳輸有效地免受脈沖和寬帶噪聲的干擾，而拓譜技術則可為信道提供另外22dB的增益。這樣S-CDMA系統就增加了近27dB的抗干擾能力，有在負CNIR(Carrier to Noise Plus Interference Ratio)的姿態下運行。

　?。?）可提高網絡容量

在S-CDMA系統中，為使拓譜碼維持下交狀態而應用了先進一和分配兩項技術。其分配法是通過不斷在用戶和前端之間測距實現對電纜傳輸狀態變化，以及對系統運行進行控制，保證了時間的線性，使所有的編碼（code）均可同時到達前端。其等量法是通過測量用戶與前端的頻響，和對一個發射機預置碼進行調整，以及通過倒置頻道和正交維持，達到有效減小用戶和前端間干擾、極大地提高網絡傳輸容量的目的。

（3）網絡可有多種功能

例如：

a.S-CDMA通過不同數據定位技術來支持常碼率CBR（Constant bit rate）、變碼率VBR(Varable bit rate)和待用碼率ABB （Available bit rate），因此可以實現一網多功能。特別是在高速互聯、多個數據流用于可視電話會議時，可用單個64kbit/s數據流來傳輸普通電話等等，而這些傳輸都可通過同一同軸電纜來實現。

b.S-CDMA可由前端設備控制寬帶使用分配，其分配的比例可按用戶需求設定。這項技術在把一定帶寬分配給特定用戶后，對其余的帶寬還可以進行動態靈活地分配，因此可以使CATV臺為不同的用戶提供不同種類、不同價位的服務。

c.S-CDMA是非基于傳輸內容的系統，可以為HFC網絡提供14.7Mbit/s碼率上行智能數據傳輸的方式，以及可以用于ABR、CBR和VBR等多種方式的傳輸。

S-CDMA具備了如此多的優點和功能，為了引進國際上最先進的S-CDMA技術，加快天津IT產業發展，天津大學與天津經濟信息港發展有限公司合作，建設了天津大學CATV寬帶多媒體綜合數據網。該項合作由天津信息港發展有限公司投資設備費120萬元，并負責監督項目實施，天津大學提供CATV網絡平臺，并負責設計、施工、調試、運行管理和發展用戶，目前此項目已起到了一定的示范作用。

3 PLC技術

PLC或PLT技術是利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式。利用四通八達、遍布城鄉用戶的220V低壓電力線傳輸高速數據，具有覆蓋范圍廣、不必重新布線、連接方便等特點，被業內人士紛紛看好，成為提供“最后1km”或“最后10m”最具潛力的方案。因為無論是用xDSL、HFC，還是布線，而PLC則無需此舉。目前高速PLC可以傳輸高達1Mbit/s以上的數據，預計不久的將來將會達到10Mbit/s，而且能同時傳輸數據、語音、視頻和電力，有可能帶來“四網合一”的新趨勢。

3.1 PLC技術的高速應用

PLC技術可進行以下高速應用：

（1）高速訪問因特網

因為每個家庭都是由配電變壓器的某一相供電的，因此很容易利用電力線組成本地環網。

　　（2）家庭聯網（“最后10m”）

無需任何布線，就可實現打印機、掃描儀、傳真機、調制解調器、數字電視等設備的共享，組成家庭網絡，享用聯網多人游戲等家庭娛樂及即插即用的高速因特網訪問。不僅節省了每臺PC配置輔助設備的費用，也減少了各種設備間電纜連接的不便。

（3）家居自動化

可通過PLC連接住宅小區的監控設備，智能經家電和家電報警裝置等。

（4）公用事業應用

PLC可使電力公司通過建立諸如需求管理、負荷控制、遠程自動抄表、實時計費等功能對電量進行管理，以節省大筆的費用。同時，電力公司還可利用PLC提供Internet接入、電話、保安等新的服務，獲得增值效益。

3.2 PLC技術的發展

由于PLC技術可將家用電源插座轉變為通信接口，為用戶提供高速Internet接入和話音服務，使電力公司能夠利用現有資源介入ISP和ICP市場，開發新的利潤增長點，而成為電信市場中強有力的競爭者。因此，目前國內外一些科研院所正在加緊這方面的研究，有的實驗已達到或超過普通家庭VCD的效果，走向了實用化。

例如，在“LeapComm 2002年北京產品發布會”上已經可以看到了實用化的產品，包括電力線以太網橋（Ethernet to PLC network bridge），電力線寬帶IP共享路由器（PLC IP sharing router）以及電力線網卡（PLC network adapter）等等，在北京已用于示范工程。這些產品均采用了先進的芯片技術和各種相關的算法，以及利用正交頻分復用（OFDM）、前向糾錯（FEC）、自動重發請求（ARQ）等技術，確保了傳輸通道的穩定可靠。另外在介質訪問控制方面，采用了載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協議等等，并增了支持優先級，大數位安全密鑰認證及公共競爭和延遲控制等功能，突破了電力線通信的許多技術屏障。

隨著技術的進一步發展，利用中壓（10kV配電網）傳送高速（大于10Mbit/s）數據信號的系統也將被推出，以取代光纖、同軸電纜或雙絞線組成的寬帶骨干網，實現真正的“四網合一”，不僅為電力公司，也會為全社會帶來巨大的經濟和社會效益。

以上簡要介紹三種寬帶接入網新技術，由于IT行業的發展基于摩爾定理，技術發展得極快，此介紹也很可能有跟不上發展的地方，敬請讀者提出批評指正。

摘自　北極星電技術網

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