2.6 寬帶接入技術

為了提高用戶的上網速率，近年來已經有多種寬帶技術開始進入用戶的家庭。

2.6.1 ADSL技術

非對稱數字用戶線ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400Hz的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率卻超過1MHz。ADSL技術把0~4 kHz低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。ADSL的ITU的標準是G.992.1（又叫做G.dmt，表示它使用DMT技術，見后面的介紹）。由于用戶在上網時主要是從因特網下載各種文檔，而向因特網發送的信息一般都不大，因此ADSL的下行（從ISP到用戶）的帶寬都遠遠大于上行（從用戶到ISP）的帶寬。“非對稱”這個名詞就是這樣得出的。

ADSL的傳輸距離取決于數據率和用戶線的線徑（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大）。例如，0.5mm線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5km；但當傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離就縮短為3.7km。如果把用戶線的線徑減小到0.4mm，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7km。此外，ADSL所能得到的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。

ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器。這種調制解調器的實現方案有許多種。我國目前采用的方案是離散多音調DMT（Discrete Multi-Tone）調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT調制技術采用頻分復用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送數據。由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此ADSL采用自適應調制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數據率。當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調制解調器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質量。這樣就使ADSL能夠選擇合適的調制方案以獲得盡可能高的數據率。可見ADSL不能保證固定的數據率。對于質量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。因此電信局需要定期檢查用戶線的質量，以保證能夠提供向用戶承諾的ADSL數據率。圖2-17所示為這種DMT技術的頻譜分布。

基于ADSL的接入網由以下三大部分組成：數字用戶線接入復用器DSLAM（DSL Access Multiplexer），用戶線和用戶家中的一些設施（見圖2-18）。數字用戶線接入復用器包括許多ADSL調制解調器。ADSL調制解調器又稱為接入端接單元ATU（Access Termination Unit）。由于ADSL調制解調器必須成對使用，因此將在電話端局（或遠端站）和用戶家中所用的ADSL調制解調器分別記為ATU-C（C代表端局（Central Office））和ATU-R（R代表遠端（Remote））。用戶電話通過電話分離器PS（POTS Splitter）和ATU-R連在一起，經用戶線到端局，并再次經過一個電話分離器PS把電話連到本地電話交換機。電話分離器PS是無源的，它利用低通濾波器將電話信號與數字信號分開。將電話分離器做成無源的是為了在停電時不影響傳統電話的使用。一個DSLAM可支持多達500~1000個用戶。若按6Mb/s計算，則具有1000個端口的DSLAM（這就需要用1000個ATU-C）應有高達6Gb/s的轉發能力。因ATU-C要使用數字信號處理技術，因此DSLAM的價格較高。

ADSL最大的好處就是可以利用現有電話網中的用戶線，不需要重新布線。到2006年3月為止，全世界的ADSL用戶已超過1.5億戶。現在ADSL調制解調器已經可以做得很輕巧（見圖2-19）。需要注意的是，ADSL調制解調器有兩個插口。較大的一個是RJ-45插口，用來和PC相連。較小的是RJ-11插口，用來和電話分離器相連。電話分離器則更小巧（見圖2-20），用戶只需要用三個帶有RJ-11插頭的連線就可以連接好，使用起來非常方便。

最后我們要指出，ADSL借助于在用戶線兩端安裝的ADSL調制解調器（即ATU-R和ATU-C）對數字信號進行了調制，使得調制后的數字信號的頻譜適合在原來的用戶線上傳輸，用戶線本身并沒有發生變化。但給用戶的感覺是：加上ADSL調制解調器的用戶線好像能夠直接把用戶PC產生的數字信號傳送到遠方的ISP。正因為這樣，原來的用戶線加上兩端的調制解調器就變成了可以傳送數字信號的數字用戶線DSL。

ADSL技術也在發展。現在ITU-T已頒布了更高速率的ADSL標準。例如，ADSL2（G.992.3和G.992.4）和ADSL2+（G.992.5），它們都屬于第二代ADSL，目前已開始被許多ISP采用和投入運營。

2.6.2 光纖同軸混合網

光纖同軸混合網（HFC網）在1988年被提出。HFC是Hybrid Fiber Coax的縮寫。HFC網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發的一種居民寬帶接入網，除可傳送C AT V外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。

現有的C AT V網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡（見圖2-21），它采用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸。而HFC網則需要對CATV網進行改造，其主要特點如下。

（1）HFC網的主干線路采用光纖

C AT V網所使用的同軸電纜系統具有以下的一些缺點。首先，原有同軸電纜的帶寬對居民所需的寬帶業務仍顯不足。其次，同軸電纜每隔約600m就要加入一個放大器，用來補償信號經過電纜傳輸產生的衰減。大量放大器的接入將使整個網絡的可靠性下降，因為任何一個放大器出了故障，其下游的用戶就無法接收電視節目。再次，信號的質量在遠離頭端（headend）處較差，因為經過了可能多達幾十次的放大所帶來的失真將是很明顯的。最后，要將電視信號的功率很均勻地分布給所有的用戶，在設計上和操作上都是很復雜的。

因此，HFC網將原CATV網中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術（見圖2-21）。在模擬光纖中采用光的振幅調制AM，這比使用數字光纖更為經濟。模擬光纖從頭端連接到光纖結點（fiber node），它又稱為光分配結點ODN （Optical Distribution Node）。在光纖結點光信號被轉換為電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜。一個光纖結點可連接1~6根同軸電纜。采用這種網絡結構后，從頭端到用戶家庭所需的放大器數目也就只有4~5個，這就大大提高了網絡的可靠性和電視信號的質量。

HFC還要在頭端增加一些智能，以便實現計費管理和安全管理，以及用選擇性的尋址方法進行點對點的路由選擇。此外，還要能適應兩個方向的接入和分配協議。

（2）HFC網采用結點體系結構

HFC引入了結點體系結構（node architecture）的概念。這種體系結構的特點是：從頭端到各個光纖結點用模擬光纖連接，構成星形網。光纖結點以下是同軸電纜組成的樹形網。連接到一個光纖結點的典型用戶數是500左右，但不超過2000。這樣，一個光纖結點下的所有用戶組成了一個用戶群（cluster），或稱為鄰區（neighborhood area）。光纖結點與頭端的典型距離為25km，而從光纖結點到其用戶群中的用戶則不超過2~3km。

采用結點體系結構的好處，首先是能夠提高網絡的可靠性。由于每一個用戶群都獨立于其他的用戶群，因此某一個光纖結點或模擬光纖的故障不會影響其他的用戶群。這也對整個網絡可靠性的提高起了重要的作用。

結點體系結構的另一個優點是簡化了上行信道的設計。HFC網的上行信道是用戶共享的。劃分成若干個獨立的用戶群就可以使用價格較低的上行信道設備（因為共享上行信道的用戶數減少了），同時每一個用戶群可以采用同樣的頻譜劃分而不致相互影響。這點與蜂窩無線電通信的頻率重復使用是相似的。

（3）HFC網具有比CATV網更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能

原來的CATV網的最高傳輸頻率是450 MHz，并且是用于電視信號的下行傳輸。HFC網要具有雙向傳輸功能，就必須擴展其傳輸頻帶。目前HFC網的頻帶劃分還沒有國際標準。圖2-22給出一種可供選擇的例子。

從圖2-22可看出，上行傳輸（從用戶家庭到頭端）使用了原來CATV并不使用的低端頻段，帶寬約為35 MHz，這比ADSL的上行信道要寬得多。上行信道還可進一步劃分為幾個子頻段，分別用于電話通信、數據通信，以及對整個HFC網的監視。

下行傳輸（從頭端到用戶家庭）使用50~750MHz。其中原有模擬電視使用50~550MHz，但也可包含調頻廣播或數字廣播，而各種數字信號的傳輸放在550~750 MHz。這里“各種數字信號”包括數字電視信號和各種交互式業務的下行信息（如從萬維網下載的多媒體信息或視頻點播VoD信號）。750MHz以上保留給今后使用，如個人通信。

（4）每個家庭要安裝一個用戶接口盒

用戶接口盒UIB（User Interface Box）要提供三種連接，即

● 使用同軸電纜連接到機頂盒（set-top box），然后再連接到用戶的電視機。

● 使用雙絞線連接到用戶的電話機。

● 使用電纜調制解調器連接到用戶的計算機。

電纜調制解調器（cable modem）是為HFC網而使用的調制解調器，其最大的特點就是傳輸速率高。其下行速率一般在3~10 Mb/s之間，最高可達30 Mb/s；而上行速率一般為0.2~2Mb/s，最高可達10Mb/s。然而電纜調制解調器比在普通電話線上使用的調制解調器要復雜得多，并且不是成對使用的，而是只安裝在用戶端。

電纜調制解調器要有很好的抗干擾性能。在HFC網的上行頻段正是無線電干擾和各種家電所產生的干擾較為集中的頻段。此外，上行信號沿樹形電纜向光纖結點傳送時，噪聲將不斷地累計增大。許多廠商愿意采用正交相移鍵控QPSK作為上行信道中的調制手段，是因為QPSK具有良好的抗干擾性能。

電纜調制解調器的MAC（Medium Access Control，媒體接入控制）子層協議還必須解決上行信道中可能出現的沖突問題。產生沖突的原因是因為HFC網的上行信道是為一個用戶群所共享的，而每個用戶都可在任何時刻發送上行信息。這和以太網上爭用信道（見3.3.2節）是相似的。當所有的用戶都要使用上行信道時，每個用戶所能分配到的帶寬就要減小。這在設計HFC網時應加以注意。

美國的有線電視實驗室CableLabs制定的電纜調制解調器規約DOCSIS（Data Over Cable Service Interface Specifications）的第一個版本DOCSIS1.0已在1998年3月被ITU-T批準為國際標準。現在DOCSIS又有兩個新的版本問世，即DOCSIS1.1和2.0。

HFC網的最大優點是它具有很寬的頻帶，并且能夠利用已經有相當大的覆蓋面的有線電視網。但要將現有的450MHz單向傳輸的有線電視網絡改造為750MHz雙向傳輸的HFC網（還要將所有的用戶服務區互連起來而不是一個個HFC網的孤島），也需要相當的資金和時間。在電信政策方面也有一些需要協調解決的問題（主要是和電信網的關系）。現在使用HFC技術的寬帶接入網工程已在許多地方啟動，讀者應注意這一動向。

2.6.3 FTTx技術

除了上述的xDSL和HFC技術外，FTTx（即光纖到……）也是一種實現寬帶居民接入網的方案。這里字母x可代表不同的意思。現在最為流行的就是光纖到戶FTTH（Fiber To The Home），即將光纖一直鋪設到用戶家庭，這是可以從居民接入網獲得最高上網速率的方法。

由于因特網上已經有了大量的視頻信息資源，因此近年來寬帶上網的普及率增長得很快。但是為了很流暢地看網上的各種視頻節目，從技術上講，光纖到戶應當是最好的解決方法，這也是廣大網民所向往的。很多電信運營商目前都在考慮怎樣把ADSL這樣的寬帶入網方式，以用戶能夠接受的價格，逐步升級到光纖到戶。用戶可以根據自己的情況，從2Mb/s到100Mb/s之間，選擇適合于自己的數據傳輸速率。

光纖到戶有多種類型。例如，當一幢大樓有較多用戶需要使用寬帶業務時，可采用光纖到大樓FTTB（Fiber To The Building）方案。光纖進入大樓后就轉換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶。這種方案可支持大中型企業、商業或大公司高速率的寬帶業務需求。它比FTTH要經濟些。

光纖到路邊FTTC（Fiber To The Curb）也是一種選擇方式。從路邊到各個用戶可使用星形結構的雙絞線作為傳輸媒體。這可以根據具體的條件分批分階段地實現光纖到家庭的最后目標。FTTC的傳輸速率為155 Mb/s。FTTC與交換局之間的接口采用ITU-T制定的接口標準V5。

FTTx還有許多其他種類，如光纖到辦公室（Office）FTTO、光纖到鄰區（Neighbor）FTTN、光纖到門戶（Door）FTTD、光纖到樓層（Floor）FTTF、光纖到小區（Zone）FTTZ。這里就不再一一討論了。

本章的重要概念

● 物理層的主要任務就是確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性，如機械特性、電氣特性、功能特性和過程特性。

● 一個數據通信系統可劃分為三大部分，即源系統、傳輸系統和目的系統。源系統包括源點（或源站、信源）和發送器，目的系統包括接收器和終點（或目的站，或信宿）。

● 通信的目的是傳送消息。如話音、文字、圖像等都是消息。數據是運送消息的實體。信號則是數據的電氣的或電磁的表現。

● 根據信號中代表消息的參數的取值方式不同，信號可分為模擬信號（或連續信號）和數字信號（或離散信號）。代表數字信號不同離散數值的基本波形稱為碼元。

● 從通信雙方信息交互的方式可以劃分為單向通信（或單工通信）、雙向交替通信（或半雙工通信和雙向同時通信（或全雙工通信）。

● 來自信源的信號叫做基帶信號。信號要在信道上傳輸就要經過調制。調制有基帶調制和帶通調制之分。最基本的帶通調制方法有調幅、調頻和調相。還有更復雜的調制方法，如正交振幅調制。

● 要提高數據在信道上的傳輸速率，可以使用更好的傳輸媒體，或使用先進的調制技術。但數據傳輸速率總不可能被任意地提高。

● 傳輸媒體可分為兩大類，即導向傳輸媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）和非導向傳輸媒體（無線或紅外或大氣激光）。

● 常用的信道復用技術有頻分復用、時分復用、統計時分復用、碼分復用和波分復用（光的頻分復用）。

● 最初在數字傳輸系統中使用的傳輸標準是脈沖編碼調制PCM。現在高速的數字傳輸系統使用同步光纖網SONET（美國標準）或同步數字系列SDH（國際標準）。

● 用戶到因特網的寬帶接入方法有非對稱數字用戶線xDSL（用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造）、光纖同軸混合網HFC（在有線電視網的基礎上開發的）和FTTx （即光纖到……）。其中使用得最多的是ADSL。