计算机网络物理层之宽带接入技术

宽带接入技术

  • 用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。
  • 在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高仅达到56kbit/s。
  • 美国联邦通信委员会FCC原来认为只要双向速率之和超过200kbit/s就是宽带。但2015年重新定义为：
  • 宽带下行速率要达到25Mbit/s
  • 宽带上行速率要达到3Mbit/s
  • 从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：
  1. 有线带宽接入
  2. 无线带宽接入
  • 下面讨论有线的带宽接入。

ADSL技术

  • 非对称数字用户线ADSL（asymmetric digital subscriber line）技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载带宽业务。
  • 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仍然超过1MHz。
  • ADSL技术就把0~4kHz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。
  • DSL就是数字用户线（digital subscriber line）的缩写。

DSL的几种类型

  • ADSL（asymmetric digital subscriber line）：非对称数数字用户线
  • HDSL（high speed DSL）：高速数字用户线
  • VDSL（very high speed DSL）：甚高速数字用户线
  • DSL（digital subscriber line）：数字用户线
  • RADSL（rate-adaptive DSL）：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率

ADSL的传输距离

  • 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）。
  • ADSL所能够得到的最高数据传输速率于实际的用户线上的信噪比密切相关。
  • 例如：
  1. 0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0 Mbit/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mbit/s时，传输距离旧缩短为3.7公里。
  2. 如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mbit/s的传输速率下就只能传送2.7公里。

ADSL的特点

  • 上行和下行带宽做成不对称的。
    上行只从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。
  • ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。
  • 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技术

  • 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子信道，其中25个子信道用于上行信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用户下行信道。
  • 每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），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。

DMT技术的频谱分布

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ADSL的数据率

  • 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谱、各子信道受到的干扰情况，以及在每个频率上测试信号的传输质量。
  • 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。
  • 通常下行数据在32kbit/s到6.4Mbit/s之间，而上行数据率在32kbit/s到640kbit/s之间。

ADSL的组成

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第二代ADSL

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光纤同轴混合网（HFC网）

  • HFC（hybrid fiber coax）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。
  • HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
  • 现有的CATV网是树形拓扑的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。
  • HFC网对CATV网进行了改造。

HFC网的主干线采用光纤

  • HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分该换为光纤，并使用模拟光纤技术。
  • 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），即光分配结点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。

HFC采用节点体系结构

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HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带

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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：
  1. 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。
  2. 使用双绞线连接到用户的电话机。
  3. 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

  • 电缆调制解调器是HFC网而使用的调制解调器。
  • 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。
  1. 下行速率一般在3~10Mbit/s之间，最高可达30Mbit/s。
  2. 上行速率一般在0.2 ~ 2Mbit/s之间，最高可达10Mbit/s。
  • 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，而是只安装在用户端。

FTTx技术

  • FTTx是一种实现宽带接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。
  • FTTx表示fiber to the…（光纤到…），例如：
  1. 光纤到户FTTH（fiber to the home）：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
  2. 光纤到大楼FTTB（fiber to the building）：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。
  3. 光纤到路边FTTC（fiber to the curb）：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

无源光网络PON的组成

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