2.6 宽带接入技术

为了提高用户的上网速率，近年来已经有多种宽带技术开始进入用户的家庭。

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL技术把0~4 kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。ADSL的ITU的标准是G.992.1（又叫做G.dmt，表示它使用DMT技术，见后面的介绍）。由于用户在上网时主要是从因特网下载各种文档，而向因特网发送的信息一般都不大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）的带宽都远远大于上行（从用户到ISP）的带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。

ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。例如，0.5mm线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5km；但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7km。如果把用户线的线径减小到0.4mm，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7km。此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。我国目前采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。可见ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。因此电信局需要定期检查用户线的质量，以保证能够提供向用户承诺的ADSL数据率。图2-17所示为这种DMT技术的频谱分布。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM（DSL Access Multiplexer），用户线和用户家中的一些设施（见图2-18）。数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU（Access Termination Unit）。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此将在电话端局（或远端站）和用户家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C（C代表端局（Central Office））和ATU-R（R代表远端（Remote））。用户电话通过电话分离器PS（POTS Splitter）和ATU-R连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分离器PS把电话连到本地电话交换机。电话分离器PS是无源的，它利用低通滤波器将电话信号与数字信号分开。将电话分离器做成无源的是为了在停电时不影响传统电话的使用。一个DSLAM可支持多达500~1000个用户。若按6Mb/s计算，则具有1000个端口的DSLAM（这就需要用1000个ATU-C）应有高达6Gb/s的转发能力。因ATU-C要使用数字信号处理技术，因此DSLAM的价格较高。

ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线。到2006年3月为止，全世界的ADSL用户已超过1.5亿户。现在ADSL调制解调器已经可以做得很轻巧（见图2-19）。需要注意的是，ADSL调制解调器有两个插口。较大的一个是RJ-45插口，用来和PC相连。较小的是RJ-11插口，用来和电话分离器相连。电话分离器则更小巧（见图2-20），用户只需要用三个带有RJ-11插头的连线就可以连接好，使用起来非常方便。

最后我们要指出，ADSL借助于在用户线两端安装的ADSL调制解调器（即ATU-R和ATU-C）对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输，用户线本身并没有发生变化。但给用户的感觉是：加上ADSL调制解调器的用户线好像能够直接把用户PC产生的数字信号传送到远方的ISP。正因为这样，原来的用户线加上两端的调制解调器就变成了可以传送数字信号的数字用户线DSL。

ADSL技术也在发展。现在ITU-T已颁布了更高速率的ADSL标准。例如，ADSL2（G.992.3和G.992.4）和ADSL2+（G.992.5），它们都属于第二代ADSL，目前已开始被许多ISP采用和投入运营。

2.6.2 光纤同轴混合网

光纤同轴混合网（HFC网）在1988年被提出。HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写。HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送C AT V外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

现有的C AT V网是树形拓扑结构的同轴电缆网络（见图2-21），它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造，其主要特点如下。

（1）HFC网的主干线路采用光纤

C AT V网所使用的同轴电缆系统具有以下的一些缺点。首先，原有同轴电缆的带宽对居民所需的宽带业务仍显不足。其次，同轴电缆每隔约600m就要加入一个放大器，用来补偿信号经过电缆传输产生的衰减。大量放大器的接入将使整个网络的可靠性下降，因为任何一个放大器出了故障，其下游的用户就无法接收电视节目。再次，信号的质量在远离头端（headend）处较差，因为经过了可能多达几十次的放大所带来的失真将是很明显的。最后，要将电视信号的功率很均匀地分布给所有的用户，在设计上和操作上都是很复杂的。

因此，HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术（见图2-21）。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点（fiber node），它又称为光分配结点ODN （Optical Distribution Node）。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。一个光纤结点可连接1~6根同轴电缆。采用这种网络结构后，从头端到用户家庭所需的放大器数目也就只有4~5个，这就大大提高了网络的可靠性和电视信号的质量。

HFC还要在头端增加一些智能，以便实现计费管理和安全管理，以及用选择性的寻址方法进行点对点的路由选择。此外，还要能适应两个方向的接入和分配协议。

（2）HFC网采用结点体系结构

HFC引入了结点体系结构（node architecture）的概念。这种体系结构的特点是：从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接，构成星形网。光纤结点以下是同轴电缆组成的树形网。连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。这样，一个光纤结点下的所有用户组成了一个用户群（cluster），或称为邻区（neighborhood area）。光纤结点与头端的典型距离为25km，而从光纤结点到其用户群中的用户则不超过2~3km。

采用结点体系结构的好处，首先是能够提高网络的可靠性。由于每一个用户群都独立于其他的用户群，因此某一个光纤结点或模拟光纤的故障不会影响其他的用户群。这也对整个网络可靠性的提高起了重要的作用。

结点体系结构的另一个优点是简化了上行信道的设计。HFC网的上行信道是用户共享的。划分成若干个独立的用户群就可以使用价格较低的上行信道设备（因为共享上行信道的用户数减少了），同时每一个用户群可以采用同样的频谱划分而不致相互影响。这点与蜂窝无线电通信的频率重复使用是相似的。

（3）HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能

原来的CATV网的最高传输频率是450 MHz，并且是用于电视信号的下行传输。HFC网要具有双向传输功能，就必须扩展其传输频带。目前HFC网的频带划分还没有国际标准。图2-22给出一种可供选择的例子。

从图2-22可看出，上行传输（从用户家庭到头端）使用了原来CATV并不使用的低端频段，带宽约为35 MHz，这比ADSL的上行信道要宽得多。上行信道还可进一步划分为几个子频段，分别用于电话通信、数据通信，以及对整个HFC网的监视。

下行传输（从头端到用户家庭）使用50~750MHz。其中原有模拟电视使用50~550MHz，但也可包含调频广播或数字广播，而各种数字信号的传输放在550~750 MHz。这里“各种数字信号”包括数字电视信号和各种交互式业务的下行信息（如从万维网下载的多媒体信息或视频点播VoD信号）。750MHz以上保留给今后使用，如个人通信。

（4）每个家庭要安装一个用户接口盒

用户接口盒UIB（User Interface Box）要提供三种连接，即

● 使用同轴电缆连接到机顶盒（set-top box），然后再连接到用户的电视机。

● 使用双绞线连接到用户的电话机。

● 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

电缆调制解调器（cable modem）是为HFC网而使用的调制解调器，其最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在3~10 Mb/s之间，最高可达30 Mb/s；而上行速率一般为0.2~2Mb/s，最高可达10Mb/s。然而电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用的，而是只安装在用户端。

电缆调制解调器要有很好的抗干扰性能。在HFC网的上行频段正是无线电干扰和各种家电所产生的干扰较为集中的频段。此外，上行信号沿树形电缆向光纤结点传送时，噪声将不断地累计增大。许多厂商愿意采用正交相移键控QPSK作为上行信道中的调制手段，是因为QPSK具有良好的抗干扰性能。

电缆调制解调器的MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）子层协议还必须解决上行信道中可能出现的冲突问题。产生冲突的原因是因为HFC网的上行信道是为一个用户群所共享的，而每个用户都可在任何时刻发送上行信息。这和以太网上争用信道（见3.3.2节）是相似的。当所有的用户都要使用上行信道时，每个用户所能分配到的带宽就要减小。这在设计HFC网时应加以注意。

美国的有线电视实验室CableLabs制定的电缆调制解调器规约DOCSIS（Data Over Cable Service Interface Specifications）的第一个版本DOCSIS1.0已在1998年3月被ITU-T批准为国际标准。现在DOCSIS又有两个新的版本问世，即DOCSIS1.1和2.0。

HFC网的最大优点是它具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。但要将现有的450MHz单向传输的有线电视网络改造为750MHz双向传输的HFC网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个HFC网的孤岛），也需要相当的资金和时间。在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题（主要是和电信网的关系）。现在使用HFC技术的宽带接入网工程已在许多地方启动，读者应注意这一动向。

2.6.3 FTTx技术

除了上述的xDSL和HFC技术外，FTTx（即光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同的意思。现在最为流行的就是光纤到户FTTH（Fiber To The Home），即将光纤一直铺设到用户家庭，这是可以从居民接入网获得最高上网速率的方法。

由于因特网上已经有了大量的视频信息资源，因此近年来宽带上网的普及率增长得很快。但是为了很流畅地看网上的各种视频节目，从技术上讲，光纤到户应当是最好的解决方法，这也是广大网民所向往的。很多电信运营商目前都在考虑怎样把ADSL这样的宽带入网方式，以用户能够接受的价格，逐步升级到光纤到户。用户可以根据自己的情况，从2Mb/s到100Mb/s之间，选择适合于自己的数据传输速率。

光纤到户有多种类型。例如，当一幢大楼有较多用户需要使用宽带业务时，可采用光纤到大楼FTTB（Fiber To The Building）方案。光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。这种方案可支持大中型企业、商业或大公司高速率的宽带业务需求。它比FTTH要经济些。

光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb）也是一种选择方式。从路边到各个用户可使用星形结构的双绞线作为传输媒体。这可以根据具体的条件分批分阶段地实现光纤到家庭的最后目标。FTTC的传输速率为155 Mb/s。FTTC与交换局之间的接口采用ITU-T制定的接口标准V5。

FTTx还有许多其他种类，如光纤到办公室（Office）FTTO、光纤到邻区（Neighbor）FTTN、光纤到门户（Door）FTTD、光纤到楼层（Floor）FTTF、光纤到小区（Zone）FTTZ。这里就不再一一讨论了。

本章的重要概念

● 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

● 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，或信宿）。

● 通信的目的是传送消息。如话音、文字、图像等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气的或电磁的表现。

● 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号（或连续信号）和数字信号（或离散信号）。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。

● 从通信双方信息交互的方式可以划分为单向通信（或单工通信）、双向交替通信（或半双工通信和双向同时通信（或全双工通信）。

● 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。

● 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率总不可能被任意地提高。

● 传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）和非导向传输媒体（无线或红外或大气激光）。

● 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）。

● 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET（美国标准）或同步数字系列SDH（国际标准）。

● 用户到因特网的宽带接入方法有非对称数字用户线xDSL（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）、光纤同轴混合网HFC（在有线电视网的基础上开发的）和FTTx （即光纤到……）。其中使用得最多的是ADSL。