摘? 要: 介紹了ADSL接入技術的特點和系統基本組成?對目前ADSL的單載波線路編碼調制和多載波線路編碼調制的兩類線路編碼與調制技術進行了深入比較,對ADSL傳輸技術的新趨勢ADSL G.Lite進行了探討,詳細闡述了ADSL接入網絡中Packet和ATM兩種數據傳輸模式的特點。

　　關鍵詞: 非對稱數字用戶線? 離散多音頻 無載波調幅/調相? G.Lite標準? ADSL? DMT? CAP DSLAM

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　　隨著信息技術的發展,特別是Internet的商業應用和多媒體服務諸方面的迅速發展,用戶對信息傳輸速率提出了越來越高的要求。要改善目前上網速度慢的情況,除了增加骨干網的帶寬?路由器速度和服務器的處理能力外,更主要的在于如何提高用戶接入網的傳輸速率。為了實現用戶接入網的數字化?寬帶化,提高用戶上網速度,光纖到戶(FTTH)是今后發展的必然方向。但由于光纖用戶網的成本過高,要實現光纖到戶還需要很長的時間。而且目前全世界已經有超過7億條固定銅線在使用,所以目前應該首先考慮如何利用已經鋪設好的銅線來傳送高速數據。在今后十幾年甚至幾十年內大多數用戶網仍將繼續使用現有的銅線環路。近年來人們提出了多項過渡性的寬帶接入網技術,其中ADSL(非對稱數字用戶環路)是最具前景與競爭力的一種，在未來十幾年甚至幾十年內將占主導地位。

　　目前，ADSL的熱潮席卷世界各地,Intel?Compaq?Siemens?CISCO?3COM?Alcatel等公司均致力于發展ADSL技術,相繼推出了ADSL產品,全球許多電信廠商和ISP也紛紛推廣各自的ADSL服務,北美?新加坡等率先將ADSL正式投入營業,日本?韓國及中國臺灣地區等已進入試驗階段,中國電信在北京?上海?廣東?福建等地已進行相關的網絡測試并開始試驗性推廣,深圳已進入了實用階段。

1 ADSL的主要特點

　　DSL(Digital Subscriber Line)是以銅質電話線為傳輸介質的傳輸技術組合,它包括HDSL?SDSL?VDSL?ADSL和RADSL等,一般稱之為xDSL。其主要差別表現在信號傳輸速度?距離?上行速率?下行速率?對稱性幾個方面。

　　HDSL與SDSL支持對稱的T1/E1(1.544Mbps/2.048Mbps)傳輸。其中HDSL的有效傳輸距離為3～4公里,且需要兩至四對銅質雙絞電話線;SDSL最大有效傳輸距離為3公里,只需一對銅線。比較而言,對稱DSL更適用于企業點對點連接應用,如文件傳輸?視頻會議等收發數據量大致相應的工作。同非對稱DSL相比,對稱DSL的市場要小得多。

　　VDSL?ADSL和RADSL屬于非對稱式傳輸。其中VDSL技術是xDSL技術中最快的一種,在一對銅質雙絞電話線上,上行數據的速率可達13～52Mbps,下行數據的速率為1.5～2.3 Mbps,但是VDSL的傳輸距離只在幾百米以內,VDSL可以成為光纖到戶的具有高性價比的替代方案。ADSL技術是1989年由Bellcore提出的一種新興的標準化調制解調傳輸技術，該技術可以在普通電話線上將現有電話線路的頻寬經由調制解調技術處理后擴大,ADSL將高速數字信號安排在普通電話頻段的高頻側,再用濾波器濾除如環路不連續點和震鈴引起的瞬態干擾后即可與傳統電話信號在同一對雙絞線共存而不互相影響;ANSIT1.143標準規定ADSL在傳輸距離為9000～12000英尺時,下行速率為8Mbps,上行速率為1.5Mbps;在傳輸距離為15000～18000英尺時,數據速率降為下行1.5Mbps和上行64kbps。從ADSL的傳輸速率和傳輸距離上看,ADSL都能夠較好地滿足目前用戶接入Internet的要求;而且ADSL這種不對稱的傳輸技術符合Internet業務下行數據量大,上行數據量小的特點。RADSL能夠提供的速度范圍與ADSL基本相同,但它可以根據雙絞銅線質量的優劣和傳輸距離的遠近動態地調整用戶的訪問速度。正是RADSL的這些特點使RADSL成為用于網上高速沖浪?視頻點播?遠程局域網絡訪問的理想技術,因為在這些應用中用戶下載的信息往往比上載的信息要多得多。

2 ADSL與其它接入技術的比較

　　ADSL接入服務具有獨特的技術優勢和較高的性能價格比,它無需另鋪電纜,節省投資;滲入能力強,接入快,適合于集中與分散的用戶;能為用戶提供上?下行不對稱的傳輸帶寬;采用點—點的拓撲結構,用戶可獨享高帶寬;可廣泛用于視頻業務及高速INTERNET等數據的接入。

2.1 ADSL與Cable Modem的比較

　　ADSL技術不同于電纜調制解調器,它不被眾多用戶所共享,因此其速度和容量不會像電纜調制解調器那樣受用戶數量多少的影響。Cable Modem的HFC接入方案采用分層樹型結構,其優勢是帶寬比較高(10M),但這種技術本身是一個較粗糙的總線型網絡,這就意味者用戶要和鄰近用戶分享有限的帶寬,當一條線路上用戶激增時,其速度將減慢。有關資料表明,大部分情況下,HFC方案必需兼顧現有的有線電視節目,因而占用了部分帶寬,有部分帶寬可供傳送其它數據信號,所以只能達到Cable Modem的理論傳輸速率的一小半。大量實驗表明,其速率減為 1M～2Mbps,更常見的是 400K～500Kbps。綜合來看,即使在理想狀態下,HFC只相當于一個10Mbps的共享式總線型以太網,而ADSL接入方案在網絡拓撲結構上較為先進,因為每個用戶都有單獨的一條線路與ADSL局端相連,它的結構可以看作是星型結構,它的數據傳輸帶寬是由每一用戶獨享的。

2.2 ADSL與普通撥號 Modem及N-ISDN的比較

　　普通撥號 Modem的最高速率是56K,N-ISDN的速率為128K,顯然ADSL的速率優勢是不言而喻的。ADSL可將現有的銅電話線(亦稱“銅雙絞線”)轉化成多媒體寬帶分布系統。它在同一銅線上分別傳送數據和語音信號,數據信號不通過電話交換機設備,減輕了電話交換機的負載,它無需像普通的模擬調制解調器那樣撥號,永遠處于“在線”狀態,很難出現掉線的情況,用戶在享受高傳輸速率的同時,還可使用電話服務。另外,利用ADSL,多人通過局域網上網且不易擁擠。一個公司甚至一個住宅小區的局域網通過ADSL上網,沖浪的速度仍能保持較高狀態。

3 ADSL的應用前景

　　ADSL作為一種高速接入技術具有很強的生命力， 目前世界上許多電信公司對ADSL傳輸系統進行了成功開發,歐洲和北美已開始規模應用。一般認為,ADSL可以在以下諸多方面將得到廣泛應用。

　　高速數據接入。用戶可以通過ADSL寬帶接入方式快速地瀏覽各種互連網上的信息,進行網上交談?游戲?動畫和收發電子郵件,獲得所需要的信息。深圳已提供ADSL高速寬帶接入Internet服務,ADSL用戶訪問相應的站點即可享受多種寬帶多媒體服務。

　　視頻點播。基于非對稱性傳輸技術的ADSL特別適合用戶對音樂?影視和交互式游戲的點播,用戶可以根據自己的需要,任意地對上述業務進行隨意控制,而不必象有線電視節目一樣受控于電視臺。如深圳視聆通寬帶網站與廣州視聆通寬帶網站上的視頻點播VOD?音樂廳?網上劇場等;并可提供網上游戲?交互電視和網上購物等寬帶多媒體服務。

　　網絡互連業務。ADSL寬帶接入方式可以將不同地點的企業網或局域網連接起來,避免了企業分散所帶來的麻煩,同時又不影響各用戶對互連網的瀏覽。

　　家庭辦公。通信技術的飛躍發展已經越來越影響著人們的生活與工作方式,一些企業的工作人員因為某種原因需要在家里履行自己的工作職責,通過高速的接入方式從自己企業信息庫中提取所需要的信息,甚至面對面地和同事進行交談,完成自己的工作任務。

　　遠程教學?遠程醫療等。隨著ADSL技術的進一步推廣應用,ADSL接入服務還將可以提供點對點的遠程醫療,遠程教學等服務。通過寬帶的接入方式,教育和醫療資源的全社會共享將成為大勢所趨。

4 ADSL接入技術原理

　　ADSL的接入模型主要有中央交換局端模塊和遠端模塊組成，其接入系統如圖1所示。ADSL接入系統采用市話雙絞線路作為傳輸媒質,能同時支持數據和話音業務,因此接入系統的基本結構由局端數據復用設備DSLAM(DSL Acess? Multiplexer)?局端話音數據分離器(Splitter)?本地市話線路?用戶端話音數據分離器和用戶端數據設備RTU(Remote Terminal Unit)組成。

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　　一般將多個ADSL局端收發模塊ATU-C(ADSL Transmission Unit-Central)集成在DSLAM設備中的一張線路卡內,來自不同線路卡的用戶數據流量經DSLAM復用后形成上行數據鏈路,并由DSLAM來提供所需的網絡數據接口。每個ATU-C對應的局端Splitter通常也可集成在DSLAM設備中,再由局端集成的Splitter組提供一個通向話音交換機的市話電纜接口。一般用戶端話音數據分離器為一單獨分立設備,由它提供面向用戶室內話機和RTU設備的線路接口。用戶端Splitter一般安裝在市話線路中入戶線的進門處以避免用戶室內并機分支線路對ADSL高頻數據傳輸通路造成的影響。ADSL用戶端收發模塊ATU-R(ADSL Transmission Unit-Remote)包含在用戶端數據設備RTU內,并由RTU最終向用戶提供通用的用戶數據接口。

　　ADSL接入系統中,原有的模擬話音雙工通路通過局端和用戶端Splitter來維持。話音數據分離器由高頻濾波器和低頻濾波器組成,它將ADSL線路模擬頻帶劃分為高頻段和低頻段,其中高頻段用于數字載波調制的數據傳輸通路,低頻段用于話音通路。ADSL接入系統中上行和下行數據通路的建立則通過ATU-C和ATU-R的初始化同步過程來完成。

　　ADSL設備既可以直接接入系統中的局端設備DSLAM,又可以是用戶端設備RTU。目前ADSL設備在線路接口上采用的調制技術主要有QAM?CAP和DMT方式;而在數據接口上采用的傳送模式則主要有以太包和ATM信元等方式。但是不管這些設備的在線路接口或數據接口的具體實現方式如何,它們在面向線路接口的物理媒質相關模塊中均應具備線路編碼?傳輸同步過程初始化?話音和數據通道的分離?線路傳輸信號的加解擾碼以及數字傳輸通道的嵌入操作控制等功能;而在面向數據接口的傳輸匯聚模塊中則應具備數字信道的復用及解復用?數字傳輸信號的前向糾錯?線路傳輸幀格式的實現?面向高層(如ATM鏈路層或IP網絡層)的協議處理和網元設備管理等功能。

5 ADSL線路編碼與調制技術

　　ADSL傳輸系統中使用的線路編碼和調制技術主要有兩種相互競爭?互不兼容的ADSL調制編碼技術,每種線路編碼和調制技術都有其各自的代表產品。一種是被美國國家標準ANSI T1.413?歐洲電信標準ESIETR 328以及ITU G.992采用的離散多音頻(DMT)線路編碼技術。另一種是市場上廣泛使用的無載波調幅/調相(CAP)技術。CAP類似于QAM,QAM與CAP線路編碼均屬于單載波線路調制技術。CAP由QAM編碼技術發展而來,其調制效率或頻帶利用率也與QAM相同。QAM是兩個正交的載波經調制后相加。而CAP的正交化是將數字信號通過兩個相同幅頻特性但有k/2相差的橫向帶通數字濾波器來完成。濾波器的輸出相加后經過D/A轉換進行傳輸。接收端采用″軟判決″技術對信號進行解調,再用判決前債均衡器對電纜芯徑變化和橋接抽頭進行適配。CAP采用二維線性碼,并結合柵格碼以減少近端串音。

　　DMT線路編碼屬于正交頻分復用方式的多載波線路調制技術。DMT首先對數字信號進行IFFT變換,相當于把信號調制到多個正交載波上,接受端對其進行FFT變換即可接受原信號。ANSI T1.413為 ADSL傳輸系統定義了256個載波,每個載波占用4.3125kHz的線路模擬頻帶,并且每個載波均使用QAM線路編碼。因此在理想情況下,QAM?CAP和DMT三種線路編碼的調制效率是相同的。DMT線路編碼的每個載波通常被稱為一個Tone,ADSL上行傳輸通道可征用幾十個Tone,而下行傳輸通道則可征用兩百多個Tone。從理論上看,每個Tone的傳輸設計能力應該相當甚至大于一個V.34話音Modem的數據傳輸能力。此外為了更好地抑制脈沖噪聲,DMT采用了Reed Solomon前向糾錯碼和柵格碼技術。

　　由于CAP信號傳輸占用全部信道帶寬,所以頻域和時域噪聲都會對它造成影響。DMT的每個很窄的子信道頻帶內的電纜特性可以近似認為是線性的,因此脈沖混疊可以減到最低程度。在每個子信道內傳送的比特率可以按該信道內信號和噪聲的大小自適應地變化,故DMT技術可自動避免工作在干擾較大的頻段。

　　DMT和CAP技術都可以實現速率的自適應調整,這就是RADSL。不同的是DMT可以從64kbps開始以32kbps的間隔平滑遞增。而CAP只能從640kbps開始作較粗糙的調整。

　　與CAP方式相比,DMT具有許多優點。在ADSL標準化過程中,DMT調制方式比CAP方式獲得了更廣泛的支持。DMT對線路信號衰減的適應能力較強,由于DMT線路編碼中每個載波的數據傳輸能力可以根據該載波所在頻段的信噪比進行自動調節,因此比較容易適應寬頻帶模擬傳輸信號在市話雙絞線路上出現的非均衡衰減。帶寬利用率更高,DMT技術可以自適應地調整各個子信道的比特率,可以達到比單頻調制高得多的信道速率。可實現動態帶寬分配,DMT技術將總的傳輸帶寬分成大量的子信道,這就有可能根據特定業務的帶寬需求,靈活地選取子信道的數目,從而達到按需分配帶寬的目的。由于線路編碼調制效率的調整可以在各個載波內進行,DMT的線路自適應調整的步長可以較小。DMT具有很強抗脈沖噪聲和窄帶噪聲干擾能力,根據傅立葉分析理論,頻域中越窄的信號其時域延續時間越長,DMT方式下各子信道的頻帶都非常窄,因而各子信道信號在時域中都是延續時間較長的符號,故可以抵御短時脈沖的干擾;如果線路中出現窄帶噪聲干擾,可以直接關閉被窄帶噪聲覆蓋的幾個信道,系統傳送性能不會受到太大影響。

　　從性能上看,DMT是比較理想的編碼調制方式,信噪比高?傳輸距離遠,或同樣距離下傳速率較高。但DMT也存在一些問題,比如DMT對某個子信道的比特率進行調整時,會在該子信道的頻帶上引起噪聲,對相鄰子信道產生干擾,而且比CAP實現復雜。為得到更廣泛的應用,DMT應該很好地解決其存在的問題,使優勢充分發揮出來。

6 ADSL技術的發展趨勢

　　從理論上說ADSL系統中數據信號和話音信號占用不同頻帶傳輸,但由于電話設備的非線性響應,高頻段的ADSL信號會干擾電話業務;同樣,電話信號也會干擾數據信號。所以,ADSL系統必須在用戶端安裝防止數據信號和電話信號互相干擾的分離器,而且安裝工作必須由專業技術人員完成,這一定程度上影響了ADSL技術的普及。

　　為更好地適應市話線路的特點并使ADSL技術得到廣泛的應用, ADSL Modem的使用應該象傳統的話帶Modem那樣簡單,將電話線插入即可使用。這促使了一種ADSL標準的產生:ITU-T于1998年10月制定了輕便型無話音數據分離器的G.992.2(又稱G.Lite)標準。G.Lite Modem的價格比ADSL Modem便宜,支持T1.413標準的ADSL設備可通過軟件升級支持G.Lite。目前由世界上主要的電信公司和康柏?英特爾和微軟等計算機公司組成了UAWG(Universal ADSL Working Group),其目的是開發出符合G.Lite標準支持即插即用的Modem。得到廣泛支持的G.Lite標準將會很快普及。

　　ADSL G.Lite的設計思路主要有兩點。首先,通過降低下行數據通道的傳輸速率及調制頻帶內模擬傳輸信號所占用的頻帶寬度來獲得系統較長的傳輸距離,從而使ADSL接入系統具有普遍的市話電纜收容率;其次,通過在ADSL接入系統用戶端實現無話音分離器的數據傳輸,簡化用戶端的設備安裝,甚至即插即用,并大大節省ADSL設備的安裝費用。ITU-T G.992.2標準草案定義的ADSL G.Lite傳輸設備的下行數據通道最大設計容量為1.536Mbps,上行數據通道的最大設計容量為512kbps。

G.Lite標準支持傳輸速率的自適應。它的數據率不僅和傳輸距離有關,而且和室內的布線情況以及所連接的電話設備有關。在良好的環境中,當下行速率1.5Mbps?上行速率384kbps時可以傳輸18000英尺,并且限制傳輸速率低于該值。

　　為避免G.Lite? Modem影響電話設備,當G.Lite Modem檢測到電話摘機時即將發送功率減小,同時傳輸速率也要相應減小。用戶掛機后,發送功率和傳輸速率又會恢復。因此,除非能確信傳送時不使用電話,否則最好不要使用ADSL Modem傳送需要保證比特率的業務。G.Lite的產生并不是對高速ADSL技術的否定,實際上G.Lite的產生是為了更好地引導用戶進入高速銅線傳輸世界。當用戶感到需要比G.Lite更高的傳輸速度時,即使用其它高速ADSL技術。

7 ADSL用戶接入網絡技術

　　由于ADSL接入系統要求為用戶提供高速的數據接入業務,因此接入系統本身必須適應骨干數據網絡和用戶數據網絡的技術要求。目前的ADSL接入設備已遠遠超出了傳統意義上傳輸設備的范疇而成為網絡設備的組成部分。當今基于IP技術的數據業務已成為網絡應用發展的主流,中國公眾多媒體通信網(169網)采用了ATM的傳輸模式。如何利用ADSL接入技術將用戶數據網絡系統接入ATM寬帶數據骨干網絡,并且最終向用戶提供基于IP技術的各種數據業務是目前電信部門建設ADSL接入網絡的關鍵。基于ADSL的寬帶網絡系統如圖2所示。目前ADSL用戶接入系統設備的網絡傳送模式主要有兩種:一種是Packet傳送模式;一種是ATM傳送模式。

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7.1 Packet傳輸模式

　　采用Packet傳送模式的ADSL接入系統中,局端DSLAM設備的上行鏈路數據接口和用戶端RTU設備的用戶數據接口均為目前流行Ethernet以太網接口。ADSL傳輸系統承載的傳送數據格式通常可根據局端和用戶端設備的功能變化而分別采用可變長度的第二層以太網幀或第三層IP包。采用Packet傳送模式的ADSL數據接入網絡結構有時也被稱為Data Centric結構。DSLAM的上行Ethernet接口經ATM邊緣路由器接入ATM寬帶數據網,同時接入系統中數據通道的IP路由也由該路由器來解決。因此ATM邊緣路由器應考慮在ADSL接入網絡的建設成本之中。ADSL接入設備的網元管理系統要求支持采用IP協議的遠程配置和監視訪問,而考慮到網元管理系統的安全性,用戶數據傳送的網段和網元管理系統所在網段應在IP路由上分開。隨著ADSL接入系統規模的增長和ADSL數據用戶需求的增多,ATM邊緣路由器在提供相應增長的Ethernet端口數量的同時,還應具備Ethernet交換的功能,而在用戶側的RTU設備也應具備連接大型企業用戶局域網和IP路由的能力。

7.2 ATM 傳輸模式

　　采用ATM傳送模式的ADSL接入系統中,局端DSLAM設備上行鏈路的數據接口通常為標準的ATM接口,并可直接或通過本地傳輸網絡與ATM交換機相連。ADSL傳輸系統承載的傳送數據格式為ATM信元。而接入系統的用戶端RTU設備上通常可提供ATMF25.6M或Ethernet 10M的應用接口。采用ATM模式的ADSL數據接入的網絡結構有時也被稱為Telecom-Centric結構。由于局端DSLAM設備通常在數據傳送通道上僅支持單純的ATM交叉和復用功能,ADSL接入系統中數據通道的IP路由仍需由連接在ATM交換網上的邊緣接入路由器來解決,因此ATM接入路由設備也應考慮在ADSL接入網絡的建設成本之中。ADSL接入設備的網元管理系統EMS要求支持采用IP協議的遠程配置和監視訪問,并可直接通過ATM接口或通過Ethernet接口經ATM路由設備與ATM寬帶網絡相連。由于目前這種EMS系統通常使用專用的PVC(Permanent Virtual Circuit)與被管理網元連接,因此系統具有較好的安全性。隨著ADSL接入系統規模的增長和ADSL數據用戶需求的增多,接入系統用戶側RTU設備還應具備連接大型企業用戶局域網的IP路由功能或支持用戶側路由器的能力。

8 發展ADSL存在的問題

　　ADSL技術具有許多優越性,但我們同樣要一分為二。目前ADSL的技術仍控制在少數國外大公司手中,這種情況可能造成技術壟斷。一些Web服務器的性能還遠遠不能與ADSL所提供的帶寬相適應。兩大主流標準CAP和DMT都有支持自己的生產廠家,標準暫時不能統一。

　　由于ADSL方案以現有的電話雙絞銅線為接入線路,而電話線畢竟是為打電話而設計的,其傳輸質量和可靠性無法與現代通信電纜相比。例如,它需補償和克服比語音傳輸更大的衰減和串音(近端串音和遠端串音),并且電話線從用戶處直接通到電信局的結構使它更易受到外界干擾。因此要獲得比較滿意的ADSL傳輸性能,除ADSL設備性能之外,運營商需要提供高質量的線路。因為ADSL設備可以自適應選擇傳輸速率,當線路不能滿足要求時,傳輸速率就得不到保證。因此,在開始ADSL業分之前,要對線路進行測試和優化,如測試環路長度?環路電阻?環路損耗是否可接受,定位并去掉影響高速傳輸的加感線圈和橋分點,對線路誤碼率進行測試等。

　　總之,各種數據業務對傳輸速率提出越來越高的要求以及世界上各大公司對G.Lite標準的一致認可,將極大地推動ADSL技術的發展和應用,而發展我國自己ADSL設備和業務也將成為未來研究的一個熱點。

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參考文獻

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