实用宽带新技术

2019-11-03 09:05:08

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供稿：网友

卞春荣1，郑晓意2，刘杰2，蔡俊生3

1.天津通信管理局；2.天津科技大学Internet学院

　　摘要：简要介绍了三种宽带新技术及其应用，包括替代五类线的VDSL，可解决HFC上行噪音漏斗效应的S-CDMA技术以及利用电源线传输高速数据的PLC技术。这些新技术由于具有较高的性能价格比和广阔的应用前景，受到了广泛的关注。

　　关键词：数字用户线；码分多址；电力线通信

　　20世纪90年代，正当异步转移模式（ATM）被逐步推广应用的时候，基于ip技术的因特网络（Internet），由于出现了所谓的“杀手应用（Kill ap-plication）对象”——Web，而爆炸性地发展了起来，Internet业务量的增长成为数据通信业务增长的主要因素。在1990年前后，Internet的主要业务是E-mail，带宽公为1kbit/s左右，到了1995年，主要业务成为Web浏览，所用的带宽增长到了50kbit/s左右。用户数量也呈指数级增长。至2000年后，尽管由于反映技术因素的摩尔（Moore）定律和反映社会需求因素的麦特卡夫（Metcalfe）定律二者失调，即技术发展的推力过大，真正的社会需求还没能到来，出现了所谓的“网络泡沫”的现象，譬如视频点播（VOD）就是其中的一例。但是宽带互联网技术的方向毕竟是正确的，数据业务的高速增长也有目共睹，因此各国投入巨资研制和开发宽带网络的势头不减，使这方面的技术日趋成熟，性能也不断地完善和提高。为了引起电信企业的关注，合理地推广应用这方面的新技术，本文仅就甚高速数字用户线（VDSL:Very Digital Subscriber Line）、同步－码分多址（S-CDMA:Synchronous-Code Division Mul-tiple access）和电力线通信（PLC或PLT：Plwer Line Communication Technology）三种技术作简要的介绍。

1 VDSL

　　数字用户线（xDSL）是以现有电话线为传媒，并利用先进的数字调试技术实现宽带接入的系统，主要应用了正交以以边带调制（QAM）、无载波调幅调相（CA-P）、离散多音调调制（DMT）、前向纠错（FEC）以及交织编码等新的技术，形成了不对称数字用户线（AD-SL）、高比特数字用户线（HDSL）、单线对高比特速率数字用户线（SDSL）、以及速率自适应数字用户线（RDSL）、通用非对称数字用户线（UDSL）、消费数字用户线（CDSL）等一系列产品。但这些产品均有一个弱点，即对线路的要求比较苛刻，通常在国外，市话电缆中仅有30%可以开通ADSL，而在国内则更少，仅为10%。主要的原因是DMT抗近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）能力较差，因此有的公司转向采用更新的VDSL采用了离散子播多音调制（DWMT）方式，市话电缆的开通率可达60%以上。有的产品还具备基于包过滤（RFC2267）的防火墙，提高了系统的安全性能。

1.1 VDSL 和EDSL

　　VDSL综合应用了各种在xDSL发展过程中形成的技术，因此可以在较短的距离内达到极高的传送速率。有关xDSL技术的比较如表1所示。

　　VDSL与xDSL的其他产品不同，可以用电话局原有的用户线近距离地传送数据，其实质量是可在局域网（LAN）中取代传统的五类线。VDSL的应用主要是以太网数字用户线（EDSL：Ethernet-over VDSL）。作为最终用户接入手段，EDSL符合光节点逐步向用户延伸的趋势，因此引起了相关部门的极在重视。

　　EDSL技术是以太网和VDSL技术相结合的产物，是一种以包传输为基础的以太环系统，可以在现有电话网的基础设施上实现高速率的数据传送，例如速率为10Mbit/s时，传输距离可望达到1km。同时，以太网的半双工模式和突发包交换技术还可减弱DSL的缺点，并提供低成本的接口。由于以太环技术结合了以太网和DSL两者的优点，具备了高度的线路自适应能力，同时可以通过变化速率、调制方式和发送功率三种方式来自动适应双绞线的品质和各种噪音环境。特别是EDSL在运行中，有包才传输，这就大大减少了传输的功耗，对用户线的要求也放松了很多。因此，EDSL不单对原有电话线路增加了利用度，也对LAN及五类布线技术提出了挑战。

1.2 EDSL的应用

　　EDSL完全基于以太网，有别于曾经出现过的ATM-VDSL技术，因此可以技术更多增强的QoS和安全性能，可以开办以太网上所有的服务。由于VDSL是xDSL技术中速率最快的一种，且能在一对铜线上传输坚固耐用此近距离的传输,VDSL要比AD-SL速率高出很多，性能也稳定得多，例如在1.5km的范围内VDSL能够到双向对称10Mbit/s速率的传输。VDSL还具有较高的性价比，可以成为光纤入户的替代方式等等。由于VDSL有较多的优点，在EDSL中，与以太网得到了完美的结合，便形成了既能提供全方位服务，又能只用一条线路为客户提供多种服务（包括语音、视频和数据）的宽带接入方式。

　　具体地说，EDSL有以下优点：

（1）EDSL与普通以太网的接入方式不同

　　普通的以太网是FTTB+LAN光纤到大楼的方式，而EDSL则是光纤到小FTTZ+EDSL。FTTB+LAN需要在每栋楼中架设一台以太网交换机，而FTTZ+EDSL则只需在每个小区架设一台VDSL交换机，与每栋楼的VSDL调制解调器（Modem）之间通过电话线进行连接就可以了。其距离可达1.5km，形成了真正意义上的“最后1km”。

　　（2）EDSL的布局有优势

　　在小区内以太网基于铜线，如图1所示。通信速率可达10Mbit/s～26Mbit/s。

　　这种布局，克服了因小区接入用户数量少而带来的资源浪费。比如某栋楼中有200个住户，上网的用户仅有10家，如用FTTB+LAN方式，需要在每栋楼中架设交换机，以太在每幢楼内铺设LAN，这样成本就很高，资金难以收回。如用FTTZ+EDSL方式则非常便捷，只要在小区内架设一个VDSL交换机，再用铜线将小区内的上网用户与VDSL交换机连接起来，就解决了问题。每台VDSL交换机可接16～24个用户，如小区上网的用户量增大，只需增加VDSL交换机的数目（中心点数目），不用重新布线，就可以达到扩容的目的，因此EDSL有较高的经济性。

　　（3）便于管理

　　EDSL是真正的“最后1km”，国内的小区一般都在1km以内，因此，如果使用EDSL技术，在普通居民小区一、二个中心点内就可对所有接入设备进行集中管理。也可以覆盖足够的初始用户，方便地对用户进行管理和扩展。

　　由于VDSL的网络管理的系统功能比较强大，VDSL支持图形用户接口（GUI）环境及基于Web的网管，因此可实时显示VDSL交换机的状态，实现用户信息及配置的管理，实时进行Trap报告及E-mail通告，实现数据流量的统计管理及对客户的计费等等，因此与以太网结合的EDSL，也具备了这些优点。

　　（4）EDSL有较强的业务功能

　　由于VDSL交换机内置有POTS/ISDN分离器，用户可以通过一条电话线同时上网和打电话，VDSL也支持远程控制，通过远程控制和软件Download的方式进行升级等EDSL产品也有杰出的性能和较强的业务功能。如利用动态图像编码组4（MPEG4）格式，提供高性能视频/语音（比MPEG2压缩率更高）功能；提供单播/多播功能；通过Internet传递多媒体信息及实现网上订户管理（订阅、收帐、安全）和支持身份认证、虚拟局域网（VLAN）等等。

　　EDSL的上述优势，促进了它的广泛应用，在天津，也已有实示的EDSL系统在运行。

2 S-CDMA

　　宽带接入有一种是利用有线电视（CATV）光纤铜轴混合网（HFC）的方式，即利用了CATV网络覆盖范围广、频带资源丰富的特点，在HFC中除传送CATV电视外，还传输数字、音视频及数据业务，并实现与Internet的互联互通，完成交互式的业务等等。

　　HFC网络的带宽一般为750MHz，其中5MHz～65MHz用于传输上行电话和数据；65MHz～550MHz用来传输下行电话、数据及压缩数字音视频信号。

　　但是，由于HFC网络的上行信道所处的频段极易受电磁干扰，且电缆网本身是树型结构，网中的信道也易受噪声干扰和窄带干扰，同时电器设备产生的噪声也会对信道产生侵入干扰（Ingress），再加上电缆自身产生的热噪声和用户端的累积的噪声相叠加，由“树枝”处向“树干”处汇集，形成了所谓的漏斗效应（Funnel Effect），进而使信道的载噪比很差，严惩时能使网络丧失双向通信的能力，因此可以说HFC上行信道的稳定性和可靠性都不太理想。为了弥补HFC的不足，人们提出了一种改进型的S-CDMA技术。

2.1 S-CDMA技术

　　CDMA（Code Division Multiple Access）技术由于具有抗干扰能力强，保密性能好，用户容量大的优点，在无线通信领域得到了广泛的应用。而S-CDMA同样具备了CDMA的优点，在HFC网络中也具有较好的应用前景。

　　S-CDMA技术在每6MHz带宽中使用14.7Mbit/s的速率，通过频谱拓展技术，可以使上行传输免遭脉冲窄带干扰的影响。由于S-CDMA仅占6MHz的带宽，不对相邻频道产生影响，故该技术可以在HFC网络中与使用其它调制方式的传输，如正交移相键控（QPSK）、QAM等音、视频传输和谐共存。该技术形成CATV宽带网真正意义上的互联双向多媒体的服务，并赋予了该网络动态宽带设置、保密性强、多层次和大容量等无可比拟的优越性。

　　S-CDMA技术，应用于HFC网络中，需要采取特殊的措施，这些措施主要有：

　　（1）测距和均衡校正措施

　　通过测距和均衡校正措施使所有HFC用户端的Modem与网络前端同步，并在每个用户单元与其他用户共享线路的基础上，扩频信号之间保持了良好的正交性，因而最大限度地克服了自生干扰，提高了信道的利用率。其中：

　　a.测距（Ranging），用来确定每个Modem到前端路径的长度，以使距离前端较近处的发送信号的时间比距离前端较远处的发送信号的时间稍晚一些，保证所有的信号能在同一时刻到达前端接收机。

　　测距采用的算法是动态、连续和透明的，应考虑温度变化对物理线路的影响及线路的老化程度等。

　　b.均衡（Equalization），即在每个发送端前置预编码器，在测定出用户到前端的信道响应H（w）后，对预编码器进行调整，使其幅频响应P(w)与信道响应呈倒数的关系，即P(w)=1/H(w)。预编码器的设置能消除信道响应带来的信号失真。

　　（2）进行功率控制

　　在HFC网络中应用S-CDMA，也应进行功率控制，以减少用户之间的相互干扰。但与无线通信不同的是，在无线通信中由于移动台位置不确定，无线信道质量稍差，使得功率控制较为复杂，而在有线通信中，由于一般用户的位置都比较确定，因此功率控制的方法比较简单。

2.2 S-CDMA在HFC网络中应用

　　S-CDMA在HFC网络中应用有以下优点：

　　（1）可解决噪声干扰

　　标准IS-95码是一种在宽带传输中用于频谱拓宽的编码。普通的CDMA技术，尽管在用户之间没有互相的关联，但互相间却有影响和干扰，这种影响和干扰称之为自生噪声。自生噪声提高了网络中噪声的背景，也降低了网络的容量。而S-CDMA通过用6MHz的带宽取代CDMA所用的30MHz的带宽，可使富余频带对相邻的频道形成保护带，解决了邻频干扰的问题。

　　这样在S-CDMA的系统中，每一个6JMHz的带宽均用来传输6Mbit/s的多路数据流，每一路数据流的速率为64kbit/s，码型为Trellis码，以一特定层位的特定扩展码的形式进行传输。采用Trellis码，是为了使信道增加4.8dB的增益，并在长距离传输、噪声高达100μs时，系统不至于增加误码。

在S-CDMA系统中，还使用了前向纠错技术、分层经联步位传输技术及拓谱技术。前向纠错和分层经联步位传输技术可使数据传输有效地免受脉冲和宽带噪声的干扰，而拓谱技术则可为信道提供另外22dB的增益。这样S-CDMA系统就增加了近27dB的抗干扰能力，有在负CNIR(Carrier to Noise Plus Interference Ratio)的姿态下运行。

　　（2）可提高网络容量

在S-CDMA系统中，为使拓谱码维持下交状态而应用了先进一和分配两项技术。其分配法是通过不断在用户和前端之间测距实现对电缆传输状态变化，以及对系统运行进行控制，保证了时间的线性，使所有的编码（code）均可同时到达前端。其等量法是通过测量用户与前端的频响，和对一个发射机预置码进行调整，以及通过倒置频道和正交维持，达到有效减小用户和前端间干扰、极大地提高网络传输容量的目的。

（3）网络可有多种功能

例如：

a.S-CDMA通过不同数据定位技术来支持常码率CBR（Constant bit rate）、变码率VBR(Varable bit rate)和待用码率ABB （Available bit rate），因此可以实现一网多功能。特别是在高速互联、多个数据流用于可视电话会议时，可用单个64kbit/s数据流来传输普通电话等等，而这些传输都可通过同一同轴电缆来实现。

b.S-CDMA可由前端设备控制宽带使用分配，其分配的比例可按用户需求设定。这项技术在把一定带宽分配给特定用户后，对其余的带宽还可以进行动态灵活地分配，因此可以使CATV台为不同的用户提供不同种类、不同价位的服务。

c.S-CDMA是非基于传输内容的系统，可以为HFC网络提供14.7Mbit/s码率上行智能数据传输的方式，以及可以用于ABR、CBR和VBR等多种方式的传输。

S-CDMA具备了如此多的优点和功能，为了引进国际上最先进的S-CDMA技术，加快天津IT产业发展，天津大学与天津经济信息港发展有限公司合作，建设了天津大学CATV宽带多媒体综合数据网。该项合作由天津信息港发展有限公司投资设备费120万元，并负责监督项目实施，天津大学提供CATV网络平台，并负责设计、施工、调试、运行管理和发展用户，目前此项目已起到了一定的示范作用。

3 PLC技术

PLC或PLT技术是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。利用四通八达、遍布城乡用户的220V低压电力线传输高速数据，具有覆盖范围广、不必重新布线、连接方便等特点，被业内人士纷纷看好，成为提供“最后1km”或“最后10m”最具潜力的方案。因为无论是用xDSL、HFC，还是布线，而PLC则无需此举。目前高速PLC可以传输高达1Mbit/s以上的数据，预计不久的将来将会达到10Mbit/s，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。

3.1 PLC技术的高速应用

PLC技术可进行以下高速应用：

（1）高速访问因特网

因为每个家庭都是由配电变压器的某一相供电的，因此很容易利用电力线组成本地环网。

　　（2）家庭联网（“最后10m”）

无需任何布线，就可实现打印机、扫描仪、传真机、调制解调器、数字电视等设备的共享，组成家庭网络，享用联网多人游戏等家庭娱乐及即插即用的高速因特网访问。不仅节省了每台PC配置辅助设备的费用，也减少了各种设备间电缆连接的不便。

（3）家居自动化

可通过PLC连接住宅小区的监控设备，智能经家电和家电报警装置等。

（4）公用事业应用

PLC可使电力公司通过建立诸如需求管理、负荷控制、远程自动抄表、实时计费等功能对电量进行管理，以节省大笔的费用。同时，电力公司还可利用PLC提供Internet接入、电话、保安等新的服务，获得增值效益。

3.2 PLC技术的发展

由于PLC技术可将家用电源插座转变为通信接口，为用户提供高速Internet接入和话音服务，使电力公司能够利用现有资源介入ISP和ICP市场，开发新的利润增长点，而成为电信市场中强有力的竞争者。因此，目前国内外一些科研院所正在加紧这方面的研究，有的实验已达到或超过普通家庭VCD的效果，走向了实用化。

例如，在“LeapComm 2002年北京产品发布会”上已经可以看到了实用化的产品，包括电力线以太网桥（Ethernet to PLC network bridge），电力线宽带IP共享路由器（PLC IP sharing router）以及电力线网卡（PLC network adapter）等等，在北京已用于示范工程。这些产品均采用了先进的芯片技术和各种相关的算法，以及利用正交频分复用（OFDM）、前向纠错（FEC）、自动重发请求（ARQ）等技术，确保了传输通道的稳定可靠。另外在介质访问控制方面，采用了载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）协议等等，并增了支持优先级，大数位安全密钥认证及公共竞争和延迟控制等功能，突破了电力线通信的许多技术屏障。

随着技术的进一步发展，利用中压（10kV配电网）传送高速（大于10Mbit/s）数据信号的系统也将被推出，以取代光纤、同轴电缆或双绞线组成的宽带骨干网，实现真正的“四网合一”，不仅为电力公司，也会为全社会带来巨大的经济和社会效益。

以上简要介绍三种宽带接入网新技术，由于IT行业的发展基于摩尔定理，技术发展得极快，此介绍也很可能有跟不上发展的地方，敬请读者提出批评指正。

摘自　北极星电技术网

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