现代通信网技术接入网课件

第11章 宽带接入网第11章 宽带接入网11.1 接入网的基本概念接入网的基本概念11.2 V5接口接口11.3 宽带有线接入网技术宽带有线接入网技术11.4 宽带无线接入网技术宽带无线接入网技术思考题思考题第11章 宽带接入网11.1 接入网的基本概念1第11章 宽带接入网11.1 接入网的基本概念接入网的基本概念11.1.1 接入网的发展背景接入网的发展背景接入网的位置，在传统电信网上被称为用户环路，接入方式以铜双绞线为主，这种方式只能解决电话或低速数据的接入，其特点是业务单一，用户到本地交换机点到点连接。从20世纪90年代以后，电信网由单一业务的电话网逐步演变为多业务综合网，因此电信网的接入部分必须相应地具备数字化、宽带化、综合化的特征。设计一种独立于具体业务网的基础接入平台，它对上层所有业务流都透明传送，我们称这个基础接入平台为接入网。11.1 接入网的基本概念11.1.1 接入网的发展背景2第11章 宽带接入网图11.1 接入网在电信网中的位置图11.1 接入网在电信网中的位置3第11章 宽带接入网骨干网上，由于ATM技术、宽带IP技术、SDH技术和波分复用技术的成功引入，骨干网已具备了宽带化、综合化的能力。另一方面，用户侧CPN/CPE的速率也在突飞猛进。然而，面对核心网和用户侧带宽的快速增长，中间的接入网却仍停留在窄带和模拟的水平上，接入网的宽带化和IP化将成为本世纪初接入网发展的大趋势。骨干网上，由于ATM技术、宽带IP技术、SDH技术和波分复用4第11章 宽带接入网 最后从技术的角度来看，宽带铜线接入、光纤接入、无线接入等新技术这两年已逐渐成熟，设备成本大大下降，宽带接入网的建设成本和用户的接入成本已降到了一个合理的范围。最后从技术的角度来看，宽带铜线接入、光纤接入5第11章 宽带接入网 在标准化方面，ITU-T第13工作组于1995年7月通过了关于接入网框架结构等方面的建议G.902，以及其他一系列相关标准。接入技术的多元化是接入网的一个基本特征。接入技术可以分为有线接入技术和无线接入技术两大类，目前向用户提供宽带业务的主要有基于铜线的ADSL技术、光纤技术、基于HFC的Cable Modem及宽带无线等接入方式，而ADSL和光纤两种接入方式占了90%以上。在标准化方面，ITU-T第13工作组于1996第11章 宽带接入网11.1.2 接入网的定义和定界接入网的定义和定界 1接入网的定义接入网的定义 根据ITU-T建议G.902的定义：接入网(AN)是由业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列传送实体所组成的为传送电信业务、提供所需传送承载能力的实施系统，并可通过Q3接口进行配置和管理。它包含用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户网络接口设备。其功能包括交叉连接、复用、传输，但一般不包括交换功能，并且独立于交换机。接入网对用户信令是透明的，相应的信令处理由SN完成。11.1.2 接入网的定义和定界7第11章 宽带接入网 ITU-T接入网的主要设计目标如下：(1)支持综合业务接入。将接入网从具体的业务网中剥离出来，成为一种独立于具体业务网的基础接入平台，以支持综合业务接入，这有利于降低接入网的建设成本。(2)开放、标准化SNI接口。将接入网与本地交换设备之间的接口，即SNI接口由专用接口定义为标准化的开放接口，这样AN设备和交换设备就可以由不同的厂商提供，为大量企业参与接入设备市场的竞争提供了技术保证，有利于设备价格的下降。ITU-T接入网的主要设计目标如下：8第11章 宽带接入网 (3)独立于SN的网络管理系统：该网管系统通过标准化的接口连接TMN，由TMN实施对接入网的操作、维护和管理。通常宽带与窄带的划分标准是用户网络接口上的速率，即将以分组交换方式为基础，把用户网络接口上的最大接入速率超过2 Mb/s的用户接入系统称为宽带接入，对最小接入速率则没有限制；窄带接入系统是基于传统的64 kb/s的电路交换方式发展而来的，对基于IP的高速数据业务支持能力差。(3)独立于SN的网络管理系统：该网管系统9第11章 宽带接入网 2接入网的定界接入网的定界 接入网覆盖的范围由三个接口界定，如图11.2所示。网络侧经SNI与业务节点(SN)相连,用户侧经UNI接口与用户驻地设备(CPE)相连，CPE可以是简单的一个终端，也可以是一个复杂的局域网或其他任意的用户专用网。TMN侧可通过标准管理接口Q3对接入网设备进行配置和管理。其中SN是提供业务的实体，比如SN可以是本地交换机、IP路由器、租用线业务节点或特定配置的视频点播(VOD)等。接入网允许与多个SN相连，既可以接入多个支持不同业务的SN，也可以接入支持相同业务的多个SN。2接入网的定界10第11章 宽带接入网图11.2 接入网的定界图11.2 接入网的定界11第11章 宽带接入网 3一般物理结构一般物理结构 接入网从物理上可分为馈线段、配线段和引入线段，图11.3为接入网的一般物理结构。图11.3 接入网的一般物理结构 3一般物理结构图11.3 接入网的一般物12第11章 宽带接入网 连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段，接入网的局端设备可以放在机房内，即和业务节点放在一起，也可以放在机房外。如果局端设备与业务节点放在一起，则局端设备一般通过电接口与业务节点直连；如果局端设备没有与业务节点放在一起，则馈线段一般采用有源光接入技术，如SDH、PDH等。网络拓扑结构可以是环型或星型。连接局端设备和远端设备之间的部分称为配线段，局端设备和远端设备之间可采用无源光纤、无线或铜线方式传输。网络拓扑结构可以是星型或树型。引入线部分的传输媒介一般为铜线或无线。连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段，接13第11章 宽带接入网11.1.3 主要功能和协议参考模型主要功能和协议参考模型 1接入网的功能模型接入网的功能模型 接入网的功能结构分为五个基本功能组：用户口功能(UPF)、业务口功能(SPF)、核心功能(CF)、传送功能(TF)和接入网系统管理功能(AN-SMF)，其结构如图11.4所示。图11.4 接入网的功能结构11.1.3 主要功能和协议参考模型图11.4 接入网的14第11章 宽带接入网 1)用户口功能 用户口功能的主要作用是将特定UNI的要求与核心功能和管理功能相适配。主要功能有：终结UNI功能、A/D转换和信令转换、UNI的激活与去激活、UNI承载通路/承载能力的处理、UNI的测试。2)业务口功能 业务口功能的主要作用是将特定SNI规定的要求与公用承载通路相适配以便核心功能处理，也负责选择有关的信息以便在AN-SMF中进行处理。主要功能有：终结SNI功能、将承载通路的需要和即时的管理及操作需要映射进核心的功能、对特定的SNI所需的协议进行协议映射，以及SNI的测试。1)用户口功能15第11章 宽带接入网 3)核心功能 核心功能的主要作用是负责将个别用户承载通路或业务口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。核心功能包括：接入承载通路的处理、承载通路集中、信令和分组信息的复用、ATM传送承载通路的仿真及管理和控制。4)传送功能 传送功能的主要作用是为接入网中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道，也为所用传输媒介提供媒介适配功能。主要功能有：复用功能、交叉连接功能、管理功能、物理媒介功能等。3)核心功能16第11章 宽带接入网 5)接入网系统管理功能 接入网系统管理功能的主要作用是协调接入网内UPF、SPF、CF 和TF的指配、操作和维护，也负责协调用户终端(经UNI)和业务节点(经SNI)的操作功能,。主要功能有：配置和控制功能、指配协调功能、故障监测和指示功能、用户信息和性能数据收集功能、安全控制功能、资源管理功能、对UPF和SN协调的即时管理和操作功能。5)接入网系统管理功能17第11章 宽带接入网 2接入网的参考模型接入网的参考模型 接入网的功能结构实际是以ITU-T G.803建议的分层模型为基础的，而分层模型则定义了构成接入网的各实体之间的相互配合关系，接入网的通用协议参考模型如图11.5所示。电路层面向电路层接入点之间信息的承载模式，例如电路模式、分组模式、帧中继模式、ATM模式等。通道层定义了通道层接入点之间信息的传递方式，并为电路层提供透明的通道，如PDH、SDH、ATM及其他类型的通道。2接入网的参考模型18第11章 宽带接入网图11.5 接入网通用协议参考模型图11.5 接入网通用协议参考模型19第11章 宽带接入网 传输媒介层则与具体的传输媒介相关，相当于OSI的物理层，它可以是铜线系统(xDSL)、光纤接入系统、无线接入系统、混合接入系统等，而具体的传输媒介可以是双绞线、光纤、无线或同轴光纤混合方式等。接入承载处理功能位于电路层之上，主要用于用户承载体、用户信令及控制与管理。传输媒介层则与具体的传输媒介相关，相当于OSI的物理层，它20第11章 宽带接入网11.1.4 接入网的主要接口接入网的主要接口 接入网有三种主要接口，即业务节点接口、用户网络接口和维护管理接口等。1业务节点接口业务节点接口(SNI)SNI是接入网和SN之间的接口，可分为支持单一接入的SNI和综合接入的SNI。目前支持单一接入的SNI主要有模拟Z接口和数字V接口两大类，其中Z接口对应于UNI的模拟2线音频接口，可提供模拟电话业务或模拟租用线业务；数字V接口主要包括ITU-T定义的V1-V4。支持综合接入的标准化接口目前有V5接口和以ATM为基础支持宽带综合接入的VB5接口，但VB5目前尚在制定中，还很不完善。11.1.4 接入网的主要接口21第11章 宽带接入网 2用户网络接口用户网络接口(UNI)UNI在用户侧，接入网经由用户网络接口与用户宅用设备(CPE)或用户驻地网(CPN)相连。用户网络接口主要有传统的模拟电话Z 接口、ISDN基本速率接口、ISDN 基群速率接口、ATM 接口、E1接口、以太网接口，以及其他接口。3维护管理接口维护管理接口(Q3)维护管理接口是电信管理网与电信网各部分的标准接口。接入网也是经Q3接口与电信管理网(TMN)相连，以方便TMN管理功能的实施。2用户网络接口(UNI)22第11章 宽带接入网11.1.5 接入网的分类接入网的分类 根据宽带接入网采用的传输媒介和传输技术的不同，接入网可分为宽带有线接入网和宽带无线接入网两大类。宽带有线接入网技术主要包括：基于双绞线的xDSL技术、基于HFC网(光纤和同轴电缆混合网)的Cable Modem技术、光纤接入网技术等。宽带无线接入网技术主要包括：3.5 GHz固定无线接入、LMDS等。11.1.5 接入网的分类23第11章 宽带接入网11.2 V5 接接 口口11.2.1 V5接口概述接口概述 V5的概念最初由美国Bellcore提出，它是专为接入网的发展而提出的本地交换机(LE)和接入网之间的新型数字接口，属于SNI范畴。V5接口正是为了适应接入网范围内多种传输媒介、多种接入配置、多种业务并存的情况而提出的。根据速率的不同，V5接口分为V5.1和V5.2接口。11.2 V5 接 口11.2.1 V5接口概述24第11章 宽带接入网ITU-T第13组于1994年分别通过了V5.1接口的G.964建议和V5.2 接口的G.965建议。与V5接口相关的标准还涉及V5.1和V5.2接口的测试规范、具有V5接口的AN/LE设备的配置管理、故障管理和性能管理等方面。我国则在ITU-T的V5接口技术规范基础上，于1996年完成了相应的V5.1和V5.2接口技术规范的制定，并根据我国电信网络的现状，明确了部分可选参数，指明了适用于我国的PSTN协议消息和协议数据单元，并提供适合我国国情的V5接口国内PSTN协议映射规范技术要求。ITU-T第13组于1994年分别通过了V5.1接口的G.925第11章 宽带接入网如果AN-SNI侧和SN-SNI侧不在同一地方，则可以使用V5接口来实现透明的远端连接。V5接口协议规定了接入网和LE之间互联的信号物理标准、呼叫控制信息传递协议，使得PSTN/ISDN用户端口终止于接入网而不是LE。通过V5接口接入网只需要完成对用户端业务的提供，呼叫控制功能仍然留给LE完成。如果AN-SNI侧和SN-SNI侧不在同一地方，则可以使用V26第11章 宽带接入网V5接口主要的优点如下:(1)支持接入网通过复用/分路手段实现对大量用户信 令和业务流更有效的传输；(2)支持通过Q3接口对接入网进行网络管理；(3)支持对接入网的资源管理和维护；(4)支持用户选择LE；(5)充分有效地利用网络带宽资源。V5接口主要的优点如下:27第11章 宽带接入网11.2.2 V5接口支持的业务接口支持的业务 V5接口的现行标准有V5.1和V5.2两个，二者的区别如下：V5.1接口由一条2.048 Mb/s的链路构成，一般在连接小规模的接入网时使用，时隙与业务端口一一对应，不支持集线功能，不支持用户端口的ISDN基群速率接入，也没有通信链路保护功能。11.2.2 V5接口支持的业务 28第11章 宽带接入网 V5.2接口按需可以由116个2.048 Mb/s链路构成，用于中大规模的接入网连接。它支持集线功能、时隙动态分配、用户端口的ISDN基群速率接入，可以使用大于E1速率的链路(最高16个E1速率)；V5.2接口能使用承载通路连接(BCC)协议以允许LE向接入网发出请求，并完成接入网用户端口和V5接口指定时隙间的连接建立和释放，提供专门的保护协议进行通信链路保护。V5.1接口可以看成V5.2接口的子集，V5.1接口可以升级为V5.2接口。V5.2接口按需可以由116个2.048 Mb/29第11章 宽带接入网图11.6 V5接口连接示意(a)V5.1接口；(b)V5.2接口图11.6 V5接口连接示意30第11章 宽带接入网 1PSTN业务业务 V5接口既支持单个模拟用户的接入，又支持PABX的接入，其中用户信令可以是双音多频信号也可以是线路状态信号，二者均对用户附加业务没有影响。在使用PABX的情况下，支持用户直接拨入功能。2ISDN业务业务 V5.1接口支持ISDN-BRI接入，而V5.2接口既支持ISDN-BRI接入，又支持ISDN-PRI接入。B通道和D通道的承载业务、分组业务和补充业务均不受限制。但V5接口不直接支持低于64 kb/s的通道速率。1PSTN业务31第11章 宽带接入网 3专线业务专线业务 专线包括永久租用线、半永久租用线和永久线路(PL)，可以是模拟用户，也可以是数字用户。半永久租用线路通过V5接口，可以使用ISDN中的一个或两个B通道，而永久租用线和永久线路则旁路V5接口。3专线业务32第11章 宽带接入网11.2.3 V5接口的功能描述接口的功能描述 1V5接口的协议结构接口的协议结构图11.7 V5接口的分层协议结构11.2.3 V5接口的功能描述图11.7 V5接口的分33第11章 宽带接入网 1)V5接口的物理层接口的物理层 V5接口规定每个2.048 Mb/s链路的电气和物理特性均符合G.703建议的规定，即采用HDB3码。抖动性能则应符合.823相关要求。允许在LE和接入网之间插入附加的透明数字链路来增加接口的应用范围。5接口可以提供双向比特传输、字节识别和帧同步必要的定时信息。V5接口还具有循环冗余检验(CRC)功能。其帧结构符合ITU-T建议G.704 和.706中的规定。1)V5接口的物理层34第11章 宽带接入网 2)V5接口第二层 V5接口的第二层是仅对通道而言(见图11.7)的，使用的规程称为LAPV5，其目的是为了允许灵活地将不同的信息流复用到通道上去。LAPV5基于N-ISDN的LAPD规程，分为两个子层，即封装功能子层(LAPV5-EF)和数据链路子层(LAPV5-DL)。此外，AN的第二层功能中还应包括帧中继子层(AN-FR)，它用于支持ISDN D通道信息，各层之间的通信由映射功能完成。LAPV5-EF子层用于封装AN和LE间的信息，实现透明传输；LAPV5-DL子层定义了AN和LE间对等实体的信息交换方式。2)V5接口第二层35第11章 宽带接入网 3)V5接口的第三层协议 V5接口的第三层功能是协议处理功能，在V5接口内，支持的面向消息的第三层协议有：PSTN协议、控制协议(公共控制和用户端口控制)、链路控制协议、BCC协议和保护协议，后三个协议仅用于V5.2接口。3)V5接口的第三层协议36第11章 宽带接入网2V5接口的功能描述接口的功能描述图11.8 V5接口的功能描述2V5接口的功能描述图11.8 V5接口的功能描述37第11章 宽带接入网 (1)承载通道：为来自ISDN-BRI用户端口分配的B通路或为来自PSTN用户端口的PCM 64 kb/s通道提供双向的传输能力。(2)ISDN D通道信息：为来自ISDN-BRI和ISDN-PRI用户端口(V5.2接口)的D通路信息(包括信令，分组型和帧中继型数据)提供双向的传输能力。(3)PSTN信令信息：为PSTN用户端口的信令信息提供双向的传输能力。(4)用户端口控制：提供每个PSTN和ISDN用户端口状态和控制信息的双向传输能力。(5)2048 kb/s链路的控制：2048 kb/s链路的帧定位、复帧定位、告警指示和对CRC信息的管理控制。(1)承载通道：为来自ISDN-BRI用户38第11章 宽带接入网 (6)第二层链路的控制：为控制协议、PSTN协议、链路控制协议和承载通路连接(BCC)等第三层协议信息提供双向传输能力。(7)用于支持公共功能的控制：提供V5.2接口系统启动规程，指配数据和重新启动能力的同步应用。(8)定时：提供比特传输、字节识别和帧定位必要的定时信息，这种定时信息也可用于LE和AN之间的同步操作。(6)第二层链路的控制：为控制协议、PST39第11章 宽带接入网 (9)承载通路连接(BCC)协议：仅用于V5.2接口。BCC协议用来把一特定2.048 Mb/s链路上的承载通路基于呼叫分配给用户端口。BCC协议也提供审核功能，用来检查AN内V5.2承载通路的分配和连接。另外，BCC协议还可提供AN内部故障报告功能，用来通知LE有关AN内部影响承载通路连接的故障。(10)业务所需要的多速率连接：应在V5.2接口内的一个2048 kb/s链路上提供。(9)承载通路连接(BCC)协议：仅用于V40第11章 宽带接入网 (11)链路控制协议：主要用于接口链路的阻塞和解除阻塞；通过链路身份标识来核实特定链路的一致性。(12)保护协议：只应用在V5.2接口存在多个2.048 Mb/s链路的情况下。它的主要作用是在一个2.048 Mb/s链路发生故障时或应系统操作的请求，实现C通道的切换。(11)链路控制协议：主要用于接口链路的阻41第11章 宽带接入网11.3 宽带有线接入网技术宽带有线接入网技术11.3.1 ADSL接入网接入网 1背景背景全球电信运营商的用户有90%以上仍然是通过双绞线接入电信网的，开发基于双绞线的宽带接入技术，既可以延长双绞线的寿命，又可以降低接入成本，对电信运营商和用户都极有吸引力，习惯上将各种基于双绞线的宽带接入技术统称为xDSL,其中ADSL技术是目前最有活力的一种宽带接入技术，是大多数传统电信运营商从铜线接入到宽带光纤接入的首选过渡技术。11.3 宽带有线接入网技术11.3.1 ADSL接入网42第11章 宽带接入网非对称数字用户线(ADSL：Asymmetric Digital Subscriber Line)的提出最初是为了支持基于ATM的VOD 视频点播业务。这种服务于VOD的宽带接入技术，应具备上下行不对称的传输能力，即下行速率传输视频流远大于上行速率传输点播命令。ADSL 作为一种宽带接入技术，借助于Internet的发展，成为目前一种主流的宽带接入技术。非对称数字用户线(ADSL：Asymmetric Digit43第11章 宽带接入网 2工作原理及接入参考模型工作原理及接入参考模型 ADSL技术是一种以普通电话双绞线作为传输媒介，实现高速数据接入的一种技术。其最远传输距离可达45 km，下行传输速率最高可达68 Mb/s，上行最高768 kb/s。为实现普通双绞线上互不干扰的同时执行电话业务与高速数据传输，ADSL采用FDM(频分复用)和离散多音调制(DMT：Discrete Multitone)技术。2工作原理及接入参考模型44第11章 宽带接入网ADSL采用FDM技术，将双绞线上的可用频带划分为三部分：上行信道频带为25138 kHz，主要用于发送数据和控制信息；下行信道频带为1381104 kHz；传统话音业务仍然占用20 kHz以下的低频段。如图11.9所示。ADSL采用FDM技术，将双绞线上的可用频带划分为三部分：45第11章 宽带接入网图11.9 ADSL频谱安排参考方案图11.9 ADSL频谱安排参考方案46第11章 宽带接入网为提高频带利用率，ADSL将这些可用频带又分为一个个子信道，根据信道的性能，输入数据可以自适应地分配到每个子信道上。每个子信道上调制数据信号的效率由该子信道在双绞线中的传输效果决定，这就是DMT调制技术。如果某个子信道上背景干扰或串音信号太强，ADSL系统则可以关掉这个子信道，因此ADSL 有较强的适应性，可根据传输环境的好坏而改变传输速率。为提高频带利用率，ADSL将这些可用频带又分为一个个子信道，47第11章 宽带接入网图11.10 ADSL系统接入参考模型图11.10 ADSL系统接入参考模型48第11章 宽带接入网基于ADSL技术的宽带接入网主要由局端设备和用户端设备组成：局端设备(DSLAM：DSL Access Multiplexer)、用户端设备、话音分离器、网管系统。局端设备与用户端设备完成ADSL频带的传输、调制解调，局端设备还完成多路ADSL 信号的复用，并与骨干网相连。话音分离器是无源器件，由高通和低通滤波器组成，其作用是将ADSL频带信号与话音频带信号合路与分路。基于ADSL技术的宽带接入网主要由局端设备和用户端设备组成：49第11章 宽带接入网 3应用领域及缺点应用领域及缺点 现在ADSL的应用领域主要是个人住宅用户的Internet接入，也可用于远端LAN、小型办公室/企业Internet接入等。其主要的缺点是：(1)较低的传输速率限制了高等级流媒体应用和HDTV等业务的开展。(2)非对称特性不适于要求数据流收发对称的企事业和商业办公环境。(3)由于ADSL设备是面向ATM体制的，因而ADSL/ATM设备成本仍较高。3应用领域及缺点50第11章 宽带接入网 4其他其他xDSL技术技术 为了进一步加快ADSL技术的应用，使得ADSL Modem的使用像传统的话音频带Modem一样简单，将电话线插入即可使用，ITU-T于1998年10月制定了无需分离器的 G.992.2标准，又称G.lite，它的系统参考模型与普通ADSL的差不多，与普通ADSL 相比除接入速率较低外，最大区别是用户端不再有独立的话音分离器(局端还需要)，因而用户端安装相对简单。另外G.lite 使用的传输频带是25552 kHz，不再需要在用户电缆中传输衰耗大的5521104 kHz 频带，因而传输距离得到延长，G.lite Modem价格也低于ADSL Modem。4其他xDSL技术51第11章 宽带接入网 G.lite 也采用DMT 线路编码方式，抗扰性较好，下行速率范围为64 kb/s1.5 Mb/s，上行速率范围为32512 kb/s。G.lite设备也可同时支持电话、高速数据业务的接入。同样，由于其上下行速率的不对称性，因此适合用于住宅用户和小型商业用户的Internet 接入。G.lite 设备相对普通ADSL设备而言，标准化程度高，将来能做到不同厂家的局端和用户端设备相互兼容。G.lite 也采用DMT 线路编码方式，抗52第11章 宽带接入网表表11.1 xDSL与与ADSL的比较的比较表11.1 xDSL与ADSL的比较53第11章 宽带接入网11.3.2 光纤接入网光纤接入网 1背景背景光纤接入网指采用光纤传输技术的接入网，一般指本地交换机与用户之间采用光纤或部分采用光纤通信的接入系统。按照用户端的光网络单元(ONU)放置的位置不同又划分为FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到楼)、FTTH(光纤到户)等等。因此光纤接入网又称为FTTx接入网。目前基于FTTx的接入网已成为宽带接入网络的研究、开发和标准化的重点，并将成为未来接入网的核心技术。11.3.2 光纤接入网54第11章 宽带接入网 1)光纤接入网的参考配置 光纤接入网一般由局端的光线路终端(OLT)、用户端的光网络单元(ONU)以及光配线网(ODN)和光纤组成，其结构如图11.11所示。OLT：具有光电转换、传输复用、数字交叉连接及管理维护等功能，实现接入网到SN的连接。ONU：具有光电转换、传输复用等功能，实现与用户端设备的连接。ODN：具有光功率分配、复用/分路、滤波等功能，它为OLT和ONU提供传输手段。1)光纤接入网的参考配置55第11章 宽带接入网图11.11 光纤接入网的参考配置图11.11 光纤接入网的参考配置56第11章 宽带接入网 2)光接入网的类型 一般按照ODN采用的技术光网络可分为两类：有源光网络(AON：Active Optical Network)和无源光网络(PON：Passive Optical Network)。有源光网络(AON)：指光配线网ODN含有有源器件(电子器件、电子电源)的光网络，该技术主要用于长途骨干传送网。无源光网络(PON)：指ODN不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成。由于PON具有可避免电磁和雷电影响，设备投资和维护成本低的优点，在接入网中很受欢迎。图11.12所示是PON的一般结构。2)光接入网的类型57第11章 宽带接入网图11.12 PON的接入结构图11.12 PON的接入结构58第11章 宽带接入网 3)光纤接入网的特点 光纤接入网具有容量大，损耗低，防电磁能力强等优点，随着技术的进步，其成本最终可以肯定也会低于铜线接入技术。在光纤接入网实现中，ODN设备主要采用无源光器件，网络结构主要采用点到多点方式。具体的实现技术主要有两种：基于ATM技术的APON 和基于Ethernet技术的EPON。3)光纤接入网的特点59第11章 宽带接入网 2APON 1)背景 ATM与PON技术相结合的APON最初由FSAN集团(Full Service Access Network Group)于1995年提出，它被认为是一个理想的解决方案，因为PON可以提供理论上无限的带宽，并降低了接入设备的复杂度和成本，而ATM技术当时是公认的提供综合业务的最佳方式，并保证QoS。APON的ITU-T的相关标准是G.983。基于APON的光纤接入网，是指在OLT与ONU之间的ODN中采用ATM PON技术。APON的主要设备包括局端的OLT、用户端的ONU、位于ODN的无源光分路器，以及光纤。其结构上的主要特点是：2APON60第11章 宽带接入网 (1)无源光分路器与ONU之间构成点对多点的结构(目前典型的是1：64)，使得多个用户可以共享一根光纤的带宽，以降低接入成本和设备复杂度；(2)采用ATM传输技术，即OLT与ONU之间通过VPI/VCI直接将53字节的ATM信元转换成光信号传递。(1)无源光分路器与ONU之间构成点对多点61第11章 宽带接入网2)工作原理工作原理图11.13 APON工作原理示意图2)工作原理图11.13 APON工作原理示意图62第11章 宽带接入网 为在一根光纤上实现全双工通信，APON的下行数据信道使用1550 nm波长，当来自外部网络的数据到达OLT时，OLT采用TDM方式将数据交换至无源光分路器，后者简单地采用广播方式将下行的ATM信元传给每一个ONU，每个ONU根据业务建立时OLT分配的28 bit的VPI/VCI进行ATM信元过滤，接收属于自己的信元。为在一根光纤上实现全双工通信，APON的下行63第11章 宽带接入网 APON的上行数据信道使用1310nm波长，采用TDMA方式实现多址接入。由于用户端ONU产生信号是“突发”模式，而不同ONU发出的信号是沿不同路径传输的，因此，它们将不同步地到达OLT。为防止多用户信号碰撞，保证多用户接入的安全性，因此所有的ONU之间发送数据时必须进行同步，通常由OLT首先测试到ONU的距离，测距的目的是补偿ONU到OLT之间的距离不同而引起的传输时延差异，根据ONU到OLT的距离，OLT为ONU分配一个合适的时隙，以保证ONU之间发送数据时相互不冲突，然后通过PLOAM(Physical Layer Operation，Administration，and Maintenance)信元通知ONU。随后ONU必须在指定的时隙内完成光信号的发送。APON的上行数据信道使用1310nm波长，64第11章 宽带接入网 3)与ADSL接入方式的比较 与目前电信网流行的ADSL方式相比，APON主要的优势在于接入带宽更高，目前可以提供对称方式155 Mb/s或不对称方式622/155 Mb/s接入速率(OLT和ONU之间)。另外采用光纤传输技术，用户的接入距离几乎没有限制。同时与ADSL一样，APON也是一个业务独立的接入技术，因此被认为是未来替代xDSL的技术之一。3)与ADSL接入方式的比较65第11章 宽带接入网 3EPON 1)背景 EPON是Ethernet PON的简写，它是在ITU-T G.983 APON标准的基础上提出的。近年来，由于千兆比特Ethernet技术的成熟，和将来10G比特Ethernet标准的推出，以及Ethernet对IP天然的适应性，使得原来传统的局域网交换技术逐渐扩展到广域网和城域网中。目前越来越多的骨干网采用千兆比特IP路由交换机构建，另一方面，Ethernet在CPN中也占据了绝对的统治地位，将ATM延伸到PC桌面已肯定不可能了。在这种背景下，接入网中采用APON，其技术复杂、成本高，而且由于要在WAN/LAN之间进行ATM与IP协议的转换，实现的效率也不高。在接入网中用Ethernet取代ATM，符合未来骨干网IP化的发展趋势，最终形成从骨干网、城域网、接入网到局域网全部基于IP、WDM、Ethernet来实现综合业务宽带网。3EPON66第11章 宽带接入网2)工作原理图11.14 EPON工作原理示意图2)工作原理图11.14 EPON工作原理示意图67第11章 宽带接入网 EPON与APON关键的区别在于：EPON中数据传输采用IEEE 802.3 Ethernet的帧格式，其分组长度可变，最大为1518字节；APON中采用标准的ATM 53字节的固定长分组格式。由于IP分组也是可变长的，最大长度为65 535字节，这就意味着APON承载IP数据流的效率低、开销大。在EPON中，OLT到ONU的下行数据流采用广播方式发送，OLT将来自骨干网的数据转换成可变长的IEEE 802.3 Ethernet帧格式，发往ODN,光分路器以广播方式将所有帧发给每一个ONU，ONU根据Ethernet帧头中ONU标识接收属于自己的信息。EPON与APON关键的区别在于：EPON中68第11章 宽带接入网 ONU到OLT的上行数据流采用TDMA发送，与APON相同，OLT为每个ONU分配一个时隙，周期是2 ms。EPON采用双波长方式实现单纤上的全双工通信，下行信道使用1510 nm波长，上行信道使用1310 nm波长。目前相关的标准主要由IEEE的EFM研究组进行制定。ONU到OLT的上行数据流采用TDMA发送，69第11章 宽带接入网11.3.3 HFC接入网接入网 1背景背景光纤和同轴电缆混合网(HFC：Hybrid Fiber/Coax)是从传统的有线电视网络发展而来的。进入20世纪90年代后，随着光传输技术的成熟和设备价格的下降，光传输技术逐步进入有线电视分配网，形成HFC网络，但HFC网络只用于模拟电视信号的广播分配业务，浪费了大量的空闲带宽资源。11.3.3 HFC接入网70第11章 宽带接入网基于HFC网的Cable Modem技术对有线电视网络公司很具吸引力。1993年初，Bellcore最先提出在HFC上采用Cable Modem技术，同时传输模拟电视信号、数字信息、普通电话信息，即实现一个基于HFC+Cable Modem全业务接入网FSAN。由于CATV在城市很普及，因此该技术是宽带接入技术中最先成熟和进入市场的。基于HFC网的Cable Modem技术对有线电视网络公司很71第11章 宽带接入网Cable Modem就是通过有线电视HFC网络实现高速数据访问的接入设备，Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程。普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是点到点的连接，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂；它的优点是无需拨号上网，不占用电话线。目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DOCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。Cable Modem就是通过有线电视HFC网络实现高速数据72第11章 宽带接入网 2 工作原理及接入参考模型工作原理及接入参考模型 在HFC上利用Cable Modem进行双向数据传输时，须对原有CATV网络进行双向改造，主要包括配线网络带宽要升级到860 MHz以上，网络中使用的信号放大器要换成双向放大器，同时光纤段和用户段也应增加相应设备用于话音和数据通信。Cable Modem采用副载波频分复用方式将各种图像、数据、话音信号调制到相互区分的不同频段上，再经电光转换成光信号，经馈线网光纤传输，到服务区的光节点处，再光电转换成电信号，经同轴电缆传输后，送往相应的用户端Cable Modem，以恢复成图像、数据、话音信号，反方向执行类似的信号调制解调的逆过程。2 工作原理及接入参考模型73第11章 宽带接入网 为支持双向数据通信，Cable Modem将同轴带宽分为上行通道和下行通道，其中下行数据通道占用50750 MHz之间的一个6 MHz的频段，一般采用64/256 QAM调制方式，速率可达3040 Mb/s；上行数据通道占用542 MHz之间的一个2003200 kHz的频段，为了有效抑制上行噪音积累，一般采用抗噪声能力较强的QPSK调制方式，速率可达32010 Mb/s，HFC频谱安排参考方案如图11.15所示。为支持双向数据通信，Cable Modem将74第11章 宽带接入网图11.15 HFC频谱安排参考方案图11.15 HFC频谱安排参考方案75第11章 宽带接入网采用Cable Modem技术的宽带接入网主要由前端设备CMTS(Cable Modem Termination System)和用户端设备CM(Cable Modem)构成。CMTS是一个位于前端的数据交换系统，它负责将来自用户CM的数据转发至不同的业务接口，同时，它也负责接收外部网络到用户群的数据，通过下行数据调制后与有线电视模拟信号混合输出到HFC网络。用户端的CM就是将用户上行数字信号调制成542 MHz的信号后以TDMA方式送入HFC网的上行通道，同时，CM还将下行信号解调为数字信号送给用户计算机。图11.16所示为HFC系统接入配置图。采用Cable Modem技术的宽带接入网主要由前端设备CM76第11章 宽带接入网图11.16 HFC系统接入配置图图11.16 HFC系统接入配置图77第11章 宽带接入网 3应用领域及缺点应用领域及缺点 基于HFC的Cable Modem技术主要依托有线电视网，目前提供的主要业务有Internet访问、IP电话、视频会议、VOD、远程教育、网络游戏等。此外，电缆调制解调器没有ADSL技术的严格距离限制，采用Cable Modem在有线电视网上建立数据平台，已成为有线电视公司接入电信业务的首选。Cable Modem速率虽快，但也存在一些问题，比如CMTS与CM的连接是一种总线方式。Cable Modem用户们是共享带宽的，当多个Cable Modem用户同时接入 Internet时，数据带宽就由这些用户均分，从而速率会下降。另外由于共享总线式的接入方式，使得在进行交互式通信时必须要注意安全性和可靠性问题。3应用领域及缺点78第11章 宽带接入网11.4 宽带无线接入网技术宽带无线接入网技术11.4.1 3.5 GHz固定无线接入固定无线接入 1背景背景 固定无线接入由于具有建网快、容量大、业务接入灵活等特点，因此成为目前无线通信业最热门的技术之一。固定无线接入开放的频段主要是3.5 Hz、10.5 GHz、26 GHz、40 GHz等；目前主流的技术有低频段的3.5 GHz固定无线接入和高频段的26 GHz LMDS两种方式。11.4 宽带无线接入网技术11.4.1 3.5 GHz79第11章 宽带接入网 在我国，信息产业部于2001年8月正式推出“3.5 GHz固定无线接入标准”和“26 GHz频段FDD方式本地多点分配业务(LMDS)频率规划(试行)”。3.5 GHz固定无线接入适合于在业务发展初期进行城域范围的一般覆盖，它可以有效集中大范围内中低速率需求的大量用户。对于新的电信运营商，在缺乏线缆资源、敷设光纤的成本较高、建设周期较长的情况下，如果要快速抢占市场，发展用户，无线接入则是最有效的手段。尤其是对在地理上非常分散的中小容量用户来说，固定无线则是目前可行的主要的接入手段。在我国，信息产业部于2001年8月正式推出“80第11章 宽带接入网 2工作原理及接入参考配置工作原理及接入参考配置 3.5 GHz固定无线接入系统工作在3.5 GHz频段，是一种点对多点的系统，上行频段为34003430 MHz，下行频段为35003530 MHz，可用带宽为30 MHz，上下行链路均采用频分双工方式(FDD)，典型的接入速率为810 Mb/s，虽不高，但仍属宽带。它主要为中小企业、小型办公室和小区住宅用户提供话音、数据、Internet和图像等业务，可以在有限的频带内，将多个用户的业务流汇聚到核心网络。3.5 GHz固定无线接入系统和其他点对多点无线系统有相似的构成：基站BS、远端站RS和网管系统NMS。特殊情况下基站和远端站之间可以通过接力站进行传输。一般一个城市需要一个或多个基站以类似宏蜂窝的方式组成覆盖整个城区的无线接入网络。系统组成如图11.17所示。2工作原理及接入参考配置81第11章 宽带接入网图11.17 固定无线接入系统组成图图11.17 固定无线接入系统组成图82第11章 宽带接入网 1)基站(BS)基站从逻辑上又可分为两部分：中心控制站(CCS)和中心射频站(CRS)。中心控制站主要汇聚中心射频站的业务和信令数据，并提供至网络侧的接口。中心射频站主要负责对远端站进行覆盖，并提供至中心控制站的接口，主要的物理接口类型有：100 Base-T、STM-1、E1等。中心站一般采用多扇区天线，覆盖远端站，扇区数一般为48，特殊情况下也可多达24扇区。1)基站(BS)83第11章 宽带接入网 2)远端站(RS)远端站由室外单元(ODU，定向天线、射频单元)和室内单元(IDU，调制解调、业务接口)组成。通常采用口径较小的定向天线，用户端业务接口为各种用户业务提供接口，并完成复用/解复用功能。系统可提供多种类型的用户接口：10 Base-T、100 Base-T、E1、V.35、POTS等，目前常见的业务都可直接接入。远端站可以为中小商业用户提供语音、数据等业务，也可以为住宅小区用户提供宽带数据接入服务。2)远端站(RS)84第11章 宽带接入网 3)网管系统 网管系统完成基站和远端站的设备配置、故障、性能、安全管理以及计费信息的采集，实现系统的集中管理。多个基站组成一个城市全面覆盖的接入网络，基站通过光纤或微波手段接入骨干网络。3)网管系统85第11章 宽带接入网 33.5 GHz固定无线接入技术优缺点固定无线接入技术优缺点 从业务带宽和速率上来看，3.5 GHz固定无线接入系统主要面向中小企业用户提供数据业务，侧重于中低速的数据服务。另外，3.5 GHz固定无线接入较其他宽带无线接入技术(如LMDS)技术成熟度高、技术难度小，因而设备成本较低。3.5 GHz固定无线接入系统的主要优点是：建网速度快、覆盖范围较广。一般来说，3.5 GHz固定无线接入技术覆盖范围可达510 km，甚至更高，雨衰对3.5 GHz固定无线接入技术的影响不严重，而LMDS系统的覆盖范围则在15 km，受雨衰的影响非常严重。3.5 GHz固定无线接入系统的主要缺点是：系统容量仍然有限，可用带宽只有30 MHz，相对于LMDS的1.3 GHz还是太小。这样，对于用户密集的服务区，提供宽带能力有限，尤其是类似VOD等的业务很难开展。33.5 GHz固定无线接入技术优缺点86第11章 宽带接入网11.4.2 LMDS接入技术接入技术 1背景背景 本地多点分配业务(LMDS：Local Multipoint Distribution Service)工作在2040 GHz频带上，每个服务区可拥有1.3 GHz的带宽，是一种传输容量可与光纤比拟，同时又兼有无线通信经济和易于实施等优点的宽带无线接入技术。之所以叫它本地，是因为LMDS的无线信号传输距离不超过5 km的缘故，它主要有如下特点：(1)单个基站所能覆盖的范围有限。根据所采用的频率的高低，LMDS的覆盖半径一般为5 km左右。晴朗的天气条件下，覆盖范围较大；阴雨天气时，覆盖范围将要受雨衰因素影响，频率越高，影响越大。11.4.2 LMDS接入技术 87第11章 宽带接入网 (2)从基站到用户的下行信号采用点到多点方式，这也是“多点分配”的含义所在。用户到基站的上行传送可以采用FDMA方式，也可以采用TDMA方式，相对比较灵活。(3)提供的业务范围广。LMDS可以提供包括窄带话音到宽带数据等各种业务。用户能够从LMDS网络得到的业务量的大小，完全取决于运营者对业务的开放度。LMDS基于MPEG技术，是从微波视频分配系统(MVDS：Microwave Video Distribution System)发展而来的。与传统点到点高速固定无线接入方式相比，LMDS为“最后一千米”宽带接入和交互式多媒体应用提供了更经济和更简便的解决方案，是对FTTx的有益补充，它的宽带属性使它可以提供大量的电信服务和应用。(2)从基站到用户的下行信号采用点到多点方88第11章 宽带接入网 2工作原理及接入参考配置工作原理及接入参考配置 LMDS工作在2040 GHz频率上，被许可的频率是24 GHz、28 GHz、31 GHz、38 GHz，其中以28 GHz获得的许可较多，该频段具有较宽松的频谱范围，最有潜力提供多种业务。但由于在该频段信号的传输距离有限，LMDS采用了多扇区、多小区的空间分割技术组网，以重用频率，提高系统容量。典型的LMDS系统可支持下行45 Mb/s，上行10 Mb/s的传输速率。2工作原理及接入参考配置89第11章 宽带接入网 LMDS接入系统构成一般包括基站、远端站和网管系统三大部分。基站和远端站又分别由室内单元(IDU)和室外单元(ODU)两部分组成，IDU提供业务相关的部分，如业务的适配和汇聚；ODU提供基站和远端站之间的射频传输功能，一般安置在建筑物的屋顶上，系统组网形式与3.5 GHz固定无线方式相似。基站位于小区(Cell)中心，它覆盖的服务区一般分为多个扇区，可以对一个或多个远端站提供服务。基站IDU将来自各个扇区不同用户的上行业务量进行汇聚复用，提交到不同的业务节点，同时将来自不同业务节点的下行业务量分送至各个扇区，具体地说，一般采用TDMA或FDMA接入方式。基站系统提供丰富的SNI 接口类型，网络侧可连接PSTN/ISDN交换机、ATM交换机、路由器等，为远端用户接入业务节点提供服务。LMDS接入系统构成一般包括基站、远端站和网90第11章 宽带接入网 远端站设置在用户驻地，用户驻地网设备为用户终端提供PSTN 电路仿真、高速IP 等业务；远端站IDU可连接用户小交换机、路由器等，将来自CPN的业务适配汇聚，通过中频电缆传送到ODU，然后通过无线链路传送到基站，在相反方向从下行业务流中提取本站业务分送给用户。目前商用系统中远端站一般提供E1接口和10 Base-T接口，E1接口与用户小交换机相连，对普通话音、ISDN业务提供支持；10 Base-T接口用于与HUB或其他设备相连，提供数据业务。远端站也可以直接提供Z 接口和ISDN U接口。基站和远端站的ODU包括射频收发器和射频天线两部分，射频收发器将来自IDU的中频信号进行上变频调制到射频频带，通过射频天线进行发射，同时将射频信号下变频传送到IDU，从而在基站与远端站之间建立双向通信通道。远端站设置在用户驻地，用户驻地网设备为用户终91第11章 宽带接入网 由于LMDS基站将覆盖的服务区划分为若干个扇区，因此基站天线为扇区天线，现有的扇区天线波束角一般有15?、22.5?、30?、45?、60?或90?等，可将服务区划分为24、16、12、8、6或4个扇区，从具体实现上看，90的扇区天线居多，远端站射频天线为定向天线，定向接收来自本扇区天线的信号，系统一般可以进行自动增益控制，在满足一定的误码率和系统可用性的前提下，自动调整射频发射功率，使扇区之间的干扰降到最小，LMDS 扇区半径一般为24 km。由于LMDS基站将覆盖的服务区划分为若干个扇92第11章 宽带接入网 LMDS的缺点如下：(1)传输距离很短，仅有56 km左右，因而不得不采用多个微蜂窝结构来覆盖一个城市，而多蜂窝结构会增加系统复杂度；(2)雨衰太大，降雨时很难工作。目前LMDS基本上还处于试用阶段，在欧洲和北美已有多个频段得到了批准和使用。ITU-T、IEEE、ETSI和DAVIC(Digital Audio Video Council)等组织正在进行相关标准的制定工作。2000年8月，IEEE 802.16工作组提出了一个固定无线宽带接入标准(空中接口)讨论稿，这对目前国际上LMDS各种商品尚无统一标准的局面颇有指导意义。LMDS的缺点如下：93第11章 宽带接入网思思 考考 题题 1接入网与传统用户环路有什么区别？其特点是什么？2接入网的定义是什么？说明它可以由哪些接口来定界？3接入网可分为几层？它们之间的关系是什么？4V5.1与V5.2接口之间有哪些异同点？5简述ADSL系统的基本结构和各部分的主要功能，它适用于哪些应用场合？6HFC技术有什么特点？说明其频谱是如何划分的。7简述PON技术中常用的多址接入技术，并说明其工作原理。8根据LMDS系统的工作原理，说明该系统可以采用哪些手段来进行扩容。思 考 题 1接入网与传统用户环路有什么94