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宽带接入技术的发展与应用(二)

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2003-9-14 18:10:47 周志敏

本篇将介绍混合光纤同轴、SDH、HOME PNA接入、DDN数字专线和帧中继接入技术。

3.混合光纤同轴(HFC)接入技术

为了解决终端用户通过普通电话线入网速率较低的问题,人们一方面通过xDSL技术提高电话线路的传输速率,另一方面尝试利用目前覆盖范围广、最具潜力、具有很大带宽的CATV网络。HFC(Hybrid Fiber Coaxial)网是指光纤同轴电缆混合网,它是一种新型的宽带网络,采用光纤到服务区,而在进入用户的“最后1公里”采用同轴电缆。最常见的也就是有线电视网络,它比较合理有效地利用了当前的先进成熟技术,融数字与模拟传输为一体,集光电功能于一身,同时提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目、较好性能价格比的电话服务、高速数据传输服务和多种信息增值服务,还可以逐步开展交互式数字视频应用。

HFC接入技术就是以现有的CATV网络为基础,采用模拟频分复用技术,综合应用模拟和数字传输技术、射频技术和计算机技术所产生的一种宽带接入网技术。与光纤到路边(FTTC)不同的是,其同轴电缆不是星型结构,而是采用树型结构,通过分支器连接到终端用户。光分配节点(ODU)到头端(HE)为星型拓扑结构,采用AN-SCM光波技术通过光缆传输信号,所有连接到光节点的用户共享一条光纤线路。HFC技术可以统一提供CATV、话音、数据及其他一些交互业务,它在5~50MHz频段通过QPSK和TDMA等技术提供上行非广播数据通信业务,在50~550MHz频段采用残留边带调制(VSB)技术提供普通广播电视业务,在550~750MHZ频段采用 QAM和 TDMA等技术提供下行数据通信业务,如数字电视和VOD等,750MHz以上频段暂时保留以后使用。终端用户要想通过HFC接入,需要安装一个用户接口盒(UIB),它可以提供三种连接:使用CATV同轴电线连接到机项盒(STB),然后连接到用户电视机;使用双绞线连接到用户电话机;通过Cable Modem连接到用户计算机。

由于CATV网络覆盖范围已经很广泛,而且同轴的带宽比铜线的带宽要宽得多,因此HFC是一种相对比较经济、高性能的宽带接入方案,是光纤逐步推向用户的一种经济的演变策略,尤其是在有线电视网络比较发达的地区,HFC是一种很好的宽带接入方案。不过HFC接入技术的应用也有一些需要解决的问题,首先,原有的CATV网络只提供广播业务,大都为单向网络,为实现双向通信,需要有双向分配放大器、双向滤波器和双向干线放大器等。其次,HFC接入系统为树型结构,同轴的带宽是由所有用户公用的,而且还有一部分带宽要用于传送电视节目,用于数据通信的带宽受到限制,目前一般一个同轴网络内至多连接500个用户,另外树型结构使其上行信号存在噪声积累。再者,HFC网络的安全保密性、系统健壮性以及价格等问题也有待进一步解决和完善。最后,IEEE的802.14工作组正在制定 HFC物理层和MAC层标准,但HFC目前还没有统一的国际标准。在我国开展HFC接入,还有一个经营体制的问题,需要打破行业界限。

HFC网是目前世界上公认较好的接入方式,是解决信息高速公路最后1公里宽带 接入网的最佳方案。HFC综合网可以提供电视广播(模拟及数字电视)、影视点播、数据通信、电信服务(电话、传真等)、电子商贸、远程教学与医疗、以及 增值服务(电子邮件、电子图书馆)等极为丰富的服务内容。

由于HFC网络大部分采用传统的高速局域网技术,但是最重要的组成部分也就是同轴电缆到用户电脑这一段使用了另外的一种独立技术,这就是 Cable Modem,即电缆调制解调器又名线缆调制解调器,是一种将数据终端设备(计算机)连接到有线电视网(Cable TV),以使用户能进行数据通信,访问Internet等信息资源的设备。它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的,主要用于有线电视网进行数据传输。用户可以通过CM连接有线电视宽带网(即HFC网络)接入有线电视数据网,有线电视数据网再和internet高速相连,用户即可在家中高速连入internet网。尽管它依靠现有的有线电视网络,但是它必须对现有的有线电缆进行双向改造后才能实现对Internet的上传。利用Cable modem接入Internet可以实现10Mb/s~40Mb/s的带宽,下载速度可以轻松超过100kb/s,有时甚至可以高达300kb/s,用它可以非常舒心地享受宽带多媒体业务,而且Cable modem可以绑定独立的IP。

Cable Modem其主要功能是将数字信号调制到射频(FR)以及将射频信号中的数字信息解调出来。除此之外,Cable Modem还提供标准的以太网接口,部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能,因此,要比传统的Modem复杂得多。

CableModem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable(电缆)的一个频率范围内传输,接收时进行解调,传输机理与普通Modem相同,不同之处在于它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的。而普通Modem的传输介质在用户与交换机之间是独立的,即用户独享通讯介质。CableModem属于共享介质系统,其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。Cable Modem提供双向信道:从计算机终端到网络方向称为上游(Upstream)信道,从网络到计算机终端方向称为下游(Downstream)信道。

上游信道带宽一般在200kbit/s到2Mbit/s之间,最高可达10Mbit/s。上游信道采用的载波频率范围在5MHz到40MHz之间,由于这一频段易受家用电器噪声的干扰,信道环境较差,一般采用较可行的QPSK调制方式。

下游信道的带宽一般在3Mbit/s至10Mbit/s之间,最高可达36Mbit/s。下游信道采用的载波频率范围在42MHz到750MHz之间,一般将数字信号调制到一个6MHz的电视载波上,典型的调制方式有QPSK和QAM64等,前者可提供10Mbit/s带宽,后者可提供36Mbit/s带宽。

Cable Modem 本身不单纯是调制解调器,它集MODEM、调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、SNMP代理和以太网集线器的功能于一身。它无须拨号上网,不占用电话线,可永久连接。服务商的设备同用户的Modem之间建立了一个VLAN(虚拟专网)连接,大多数的Modem提供一个标准的10BaseT以太网接口同用户的PC设备或局域网集线器相联。

CableModem彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞,其速率已达10Mbps以上,下行速率则更高。而传统的Modem虽然已经开发出了速率56Kbps的产品,但其理论传输极限为64Kbps,再想提高已不大可能。我们可以看出CableModem是未来网络发展的一个主流之一,但是,目前尚无CableModem的国际标准,各厂家的产品的传输速率均不相同。

HFC网的优点就是可以充分利用现有的有线电视网络,不需要再单独架设网络,并且速度比较快,但是它的缺点就是HFC网络结构是树型的,Cable Modem上行10M下行38M的信道带宽是整个社区用户共享的,一旦用户数增多,每个用户所分配的带宽就会急剧下降,而且共享型网络拓扑致命的缺陷就是它的安全性(整个社区属于一个网段),数据传送基于广播机制,同一个社区的所有用户都可以接收到他人的数据包。

从长远看,HFC网计划提供的是全业务网(FSN),将来用户数从500户降到25户,实现光纤到路边。最终用户数可望降到一户,实现光纤到家,提供一条通向宽带通信的新途径。但回传信道的干扰仍需解决。目前有多种解决方案,其中较彻底的是小型光节点方案,就是用独立的光纤来传双向业务。小型光节点采用低成本激光器,很靠近用户,同轴网部分为无源网。回传信道则安排在高频端,彻底避免回传信道的干扰问题。第二种比较好的是采用同步码分多址(S-CDMA)技术。此时信号处理增益可达21.5dB,干扰大大减少,系统可工作在负信噪比条件,较好解决回传信道的噪声和干扰问题。HFC的最新发展趋势是与DWDM相结合,充分利用DWDM的降价趋势简化第二枢纽站,将路由器和服务器等移到前端,消除光-射频-光变换过程,可以简化系统,进一步降低成本。

4.SDH应用于接入网

目前的市场,带宽需求和技术都已显示有必要把SDH技术上的巨大优势带进接入网领域,使SDH的功能和接口尽可能靠近用户。在接入网中应用SDH的主要优势在于:

对于要求高可靠高质量业务的大企事业用户,SDH可以提供理想的网络性能和业务可靠性。此时可以直接用SDH系统以点到点或环形拓扑形式与用户相连。可以增加传输带宽,改进网管能力,简化维护工作,降低运行维护成本。

SDH的固有灵活性,使网络运营者可以更快更有效地提供用户所需的长期和短期业务需求以及组网需要。对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统尤其适合,它可以迅速灵活地提供所需的2Mb/s透明通道。

当然,考虑到接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性,适用于接入网的SDH设备必须是高度紧凑、低功耗和低成本的新型系统。目前已有若干厂家研制出专用于接入网的SDH设备,其应用市场前景看好。

为了更充分利用SDH的优势,需要将SDH进一步扩展至低带宽用户,特别是无线用户,提供64kb/s等级的灵活性并能综合现有和新的业务传送平台。具体实施方法有多种,使用STM-0子速率连接(sub STM-0)对于小带宽用户是经济有效的方案,同时又能保持全部SDH管理能力和功能。目前ITU-T第15研究组已开发了新的建议G.708,规定了两种接口,即传送TUG-2的接口(sSTM-2n)和传送TU-12的接口(sSTM-1k)。采用sSTM-2n接口时,信号速率为7.488Mb/s、14.4Mb/s和28.224Mb/s。采用sSTM-1k接口时,k值限于1、2、4、8和16,主要适用于无线传送技术。其速率分别为2.88Mb/s、5.18Mb/s、9.792Mb/s、19.008Mb/s和37.4Mb/s。届时SDH将进一步向用户推进,在接入网领域占据更大的份额。

5.HOME PNA接入

HomePNA全名是Home PhoneLine Networking Alliance,它是1998年6月由全球多家知名的通讯及晶片大厂共同制订的利用电话线在小范围内搭建局域网的电话网络标准,执行的网络标准是IEEE802.3标准的局域网标准。目前HomaPNA已经获得了多家大IT企业的支持包括AMD、IBM、AT&T、HP、3Com、Compaq等。

HomePNA是利用高低差频多工(FDM)的技术,把话音与数据在同一条电话线上分开传送(话音:20~4kHz,数据:5.5~9.5MHz),并与以太网兼容,上网及通话互不干扰。 HomePNA是以现成的电话线来组建网络,可以快速、方便、低成本地完成网络架构,不需要重新布设5类线,就能达到让所有电脑及周边设备实现资源共享。

HomePNA技术的出现其中一个主要目的就是解决最后几百米的互联网高速接入,实质就是一种变种的ADSL,homePNA设备就是一套简单的ADSL局端和用户端设备,只是速度相对标准ADSL慢一些,传输距离更短一些。目前速率可以达1Mbps,距离可达400米。解决互联网接入的模型一般是这样:ISP通过光纤或者其他方式将高速互联网接口连到小区,通过HomePNA局端设备(小区网络中心)和客户端设备在小区内通过小区住户的电话线连接成一个局域网,然后通过HomePNA设备上的共享上网服务功能为用户提供高速上网连接。

6.DDN数字专线

对于上网计算机较多的企业用户,可以采用DDN和帧中继的INTERNET的接入方式。DDN(Digital Data Network)即数字数据网,是利用光纤、数字微波或卫星等数字信道,提高永久或半永久性电路,以传输数据信号为主的信号网络。它区别与传统模拟电话专线,其显著特点是数字专线,传输质量高,时延小,通信速度可以根据需要在2.4kbps到2Mbps之间选择。用DDN方式接入INTERNET,传输速率可以达到64kbps至2Mbps。

DDN是采用数字传输信道传输数据信号的通信网,可提供点对点、点对多点透明传输的数据专线,为用户传输数据、图象、声音等信息。 数字数据网是以光纤为中继干线网络,组成DDN的基本单位是节点,节点间通过光纤连接,构成网状的拓朴结构,用户的终端设备通过数据终端单元(DTU)与就近的节点机相连。

DDN专线就是市内或长途的数据电路,电信部门将它们出租给用户做资料传输使用后,它们就变成用户的专线,直接进入电信的DDN网络,因为这种电路是采用固定连接的方式,不需经过交换机房,所以称之为固定DDN专线。现在我们常见的固定DDN专线按传输速率可分为14.4K、28.8K、64K、128K、256K、512K、768K、1.544M(就是常说的T1线路)及44.763M(T3)九种目前DDN可达到的最高传输速率为155Mbit/s,平均时延≤450μs。 过去这种所谓专线的技术是单纯用来连接相隔两地的区域网络,现在利用它直接进入电信主干数据网的先天优势,他的应用范围获得了极大扩展。

因为DDN的主干传输为光纤传输,采用数字信道直接传送数据,所以传输质量高。 采用专线连接的方式而不必选择路由,直接进入主干网络,所以时延小速度快14.4K的 DDN绝对比14.4K的拨号上网快很多、采用点对点或点对多点的专用数据线路,特别适用于业务量大、实时性强的用户。

7.帧中继

帧中继(Frame Relay)是在OSI的第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种网络互联技术。它的传输率从19.2KBPS到2MKBPS。帧中继主要运用在企业局域网之间的互联,以及局域网联入INTERNET,它是一种经济、方便、灵活、投资少的一种企业级的网络解决方案。

帧中继是在分组交换网的基础上,结合数字专线技术而产生的数据业务网络。在某种程度上它可被认为是一种“快速分组交换网”。它是当前数据通信中一项重要的业务网络技术。用户的LAN一般通过网关路由器接入帧中继网;若路由器不具有标准的帧中继UNI接口规程,则在路由器和帧中继网间还需增加帧中继拆/装设备(FRAD)。其主要优势表现为:

7.1简化了相应协议,提高了传输速度。

它只完成OSI七层协议中物理层和数据链路层的功能,而将流量控制、纠错等功能留给智能终端完成。故其数据链路层协议(LAPD协议)在可靠的基础上相对简化,从而减小了传输时延,提高了传输速度(速率范围一般亦为9.6kbps~2.048Mbps)。另外,它所采用的LAPD链路层协议,能够顺利承载IP、IPX、SNA等常用协议。

7.2 PVC技术

帧中继网络可提供的基本业务有两种,即PVC(Permanent Virtual Circuit)和SVC(Switched Virtual Circuit),但目前的帧中继网络只提供PVC业务。所谓PVC是指在网管定义完成后,通信双方的电路在用户看来是永久连接的,但实际上只有在用户准备发送数据时网络才真正把传输带宽分配给用户。

但它自身没有足够的流量控制功能,当同一网络端口的各PVC同时数据流量很大时,可能造成拥塞。技术上缺乏对SVC的支持也使它丧失了部分应用上的优势,影响了业务的进一步推广。采用PVC和统计复用技术可以提高网络的利用率,但同时,一旦物理线路或物理端口出现故障,将会有多条PVC同时受到影响。

7.3统计复用技术。

它使得帧中继的每一条线路和网络端口都时由多个终端用户按信息流(即PVC)实现共享,即能在单一物理连接上提供多个逻辑连接。显然,它大大地提高了网络资源的利用率。

7.4用户费用相对经济。

由于网络的信息流基于数据包,采用了PVC技术和统计复用技术,其电路租用费用低廉。其费率一般仅为同速率DDN电路的40%。且在网络空闲时,它还允许用户突发地超过自己申请的PVC速率(CIR)占用动态带宽。对于经常传递大量突发性数据的用户,非常经济合算。

不难看出,帧中继适合于突发性较强、速率较高、时延较短且要求经济性较好的数据传输业务,如公司间进行网络互联、开放远程医疗等多媒体业务、进行电子商务以及VPN组网等。

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