边缘网络宽带接入技术分析

2019-11-03 18:56:30

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供稿：网友

谢新梅宋荣方

南京邮电学院通信与信息系统专业

　　摘要：本文介绍了边缘网络的概念，并且分析了当前用于边缘网络的各种宽带接入技术。

　　关键词：边缘网络，光纤同轴混合HFC，自由空间光通信fso，无源光网络PON

1 引言

　　随着光通信技术的发展，通信距离已经“死亡”，网络传输带宽瓶颈已经成为过去，基于光纤传输技术的骨干网带宽变得十分宽裕，然而边缘网络的接入方式却仍然是以PSTN为主的窄带方式，限制了宽带交换式多媒体业务、宽带视频业务、带宽按需分配和带宽出租等新一代电信增值业务的发展。直到近几年各种宽带接入方式才不断地涌现出来，促进了网络的应用与推广。

2 边缘网络的提出

　　简单地说，通信网分为3部分：核心网、接入网和用户驻地网。接入网与核心网构成电信公网。两者是基于功能的划分，接入网负责屏蔽用户的多样性接入，核心网负责业务处理，这极大地简化了网络的体系结构。但是随着今年来宽带城域网技术的发展，如图1所示又将核心网进一步划分为骨干网（核心层）和城域网（汇聚层）。所谓边缘网络是一个及其松散的概念，目前还没有一个统一的说法，从广义上说，电信网将整个网络划分为骨干网和边缘网络（除用于传输的骨干网以外的网络）。这样骨干网可以专注于如何提高业务传输性能和网络的生存性，而将具有业务智能化的高速路由器和交换机移到网络的边缘，促进了电信运营业务的拓展和多样化趋势。因此我们往往将涉及到接入层和汇聚层的网络称为边缘网络。

图1 通信网分层结构

　　目前位于汇聚层的宽带城域网解决方案十分活跃，有基于SONET／SDH的、基于ATM的，也有基于10G以太网以及MPLS和RPR（弹性分组环技术）等技术，使得带宽的利用率大提高，对电信级QOS能很好的保障，能足够的支持宽带业务的实施。但是所谓“最后一公里”这一通信的瓶颈仍然使得终端用户未能享受到高带宽的好处，因此边缘网络实施的重点就在于如何改善原有的有线接入方式以提高带宽；充分利用新的无线接入和光纤接入技术满足新建用户的高带宽需求。

3 边缘网络宽带接入技术分析

　　目前边缘网络宽带接入技术主要有：以同轴电缆为接入手段的基于HFC的Cable Modem有线电视网接入技术、基于电话铜线的xDSL接入技术、以五类双绞线为接入手段的以太网接入技术、无线接入技术、光纤接入技术xPON和OFS等等。

3.1 基于HFC的Cable Modem有线电视网接入技术

　　随着有线电视网的发展，通过Cable Modem（线缆调制解调器）利用有线电视网访问互联网已成为越来越受关注的一种高速接入方式。目前新建的CATV网都采用光纤同轴混合网络（HFC网：Hybrid Fiber Coaxial Network），使原有的550MHz CATV网扩展到750MHz双向CATV网，其中有200MHz宽带用于数据传输。为了实现互联网接入，通常双向CATV网下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式，最高速率达27Mbps；若采用256QAM调制方式，最高速率则达40Mbps。为了有效抑制上行干扰，一般选用QPSK调制，速率最高可达10M。由于CATV网采用模拟传输协议，需要Cable Modem来协助完成数字数据的转化。Cable Modem与以往的Modem原理和传输机制相同，不同之处在于它是通过CATV的某个传输频带进行调制解调的，而普通的Modem的传输介质在用户和交换机之间是用户独享的，Cable Modem属于共享通信介质系统，它的空闲频带仍在传输有线电视信号。双向CATV网的Cable Modem连接方式分为两种：对称速率型（数据上传和下载速率均在500Kbps－2Mbps）和非对称速率型（上传速率500Kbps－10Mbps，下载速率2－40Mbps）。

　　HFC技术利用已有的CATV网，采用Cable Modem进行数据传输，为用户提供宽带数据业务。利用Cable Modem在HFC网上为用户提供宽带服务的好处是，可利用已有的HFC网和有线电视台的机房等资源，不足之处在于需要对原有的单向HFC网进行双向改造，所需的工作较为复杂、改造成本高，在一定程度上限制了HFC技术的发展。

3.2 xDSL接入技术

　　xDSL技术主要包括ADSL、VDSL和SHDSL三种技术。ADSL和VDSL技术都能利用普通电话铜缆，在不影响窄带话音业务的情况下，为用户提供高速数据业务，由于中国有丰富的铜缆资源，ADSL和VDSL是目前主要的宽带接入技术。而SHDSL是一种利用电话铜缆提供上、下行高速对称数据速率的技术，主要为一些企业提供性价比较高的专线业务。

　　ADSL采用DMT调制技术、基于ATM传送模式，利用25KHz-1.104MHz频段，为用户提供上、下行非对称的宽带数据业务，最大上、下行速率分别不低于640kbps和6Mbps 。由于ADSL技术成熟，设备价格低，覆盖范围广，理论上最大传输距离可达5Km，实际使用证明3km范围内使用，能够保证较好的传输性能；再加上ADSL所提供的上、下行速率能满足普通用户的带宽需求，目前ADSL作为主流的宽带接入技术获得广泛应用。

VDSL技术利用更宽的(0.138-12MHz)频段，为用户提供高速数据业务，在近距离(几百米范围内)，上下行速率分别最高可达26Mb/s和52Mb/s ，在1公里左右可以支持10Mb/s上、下行对称速率。VDSL作为ADSL技术的一种补充，主要用于提供短距离范围内的高速非对称业务和1Km左右距离内的对称数据业务。由于VDSL技术还不成熟、设备成本较高，调制方式还存在DMT和QAM之争，使得基于QAM调制、 EoVDSL方式的VDSL设备在一定范围内被商用。

　　ADSL和VDSL两种技术将互为补充、协调发展，ADSL主要解决覆盖，应用于距离较长、较为分散的用户，鉴于技术的成熟性特别适合于宽带接入发展初期；对于相对密集、中等距离、带宽需求较高的用户，可考虑采用VDSL技术。

3.3 以太网接入技术

　　基于以太网宽带接入技术的网络结构由局侧设备和用户侧设备组成，局侧设备一般位于小区内，用户侧设备一般位于居民楼内；或者局侧设备位于商业大楼内，而用户侧设备位于楼层内。用户侧设备提供与用户终端计算机相接的10／100BASET接口，局侧设备提供与ip骨干网的接口，并具有汇聚用户侧设备网管信息的功能。

　　在基于以太网宽带接入网中，用户侧设备只有链路层功能，工作在MUX（复用器）方式下，各用户之间在物理层和链路层相互隔离，从而保证用户数据的安全性。另外用户侧设备可以在局侧设备的控制下动态改变其端口速率，从而保证用户最低接入速率、限制用户最高接入速率，支持对业务的QoS保证。对于组播业务，由局侧设备控制各多播组状态和组内成员的情况，用户侧设备只执行受控的多播复制，不需要多播组管理功能，局侧设备还支持对用户的认证、授权、计费（按信息量、连接时长或包月制等进行计费）和用户IP地址的动态分配，以及对用户侧设备的配置，性能优化，故障和安全管理的功能。为了保证设备的安全性，局侧设备与用户侧设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道，并且局侧设备不同于路由器，路由器维护的是端口网络地址映射表，而局侧设备维护的是端口主机地址映射表；用户侧设备不同于以太网交换机，以太网交换机隔离单播数据帧，不隔离广播地址的数据帧，而用户侧设备仅具有以太网帧的复用和解复用功能。

3.4 无线接入技术

　　当前宽带无线接入有以下几大技术：本地多点分配系统LMDS（Local Multipoint Distribute System）、多点多信道分配系统MMDS（Multipoint Multichannel Distribution System）、无线局域网、无线城域网IEEE802.16、蓝牙及其他（如红外等）。

　　1） LMDS高频宽带（24／26GHz～38GHz）频谱资源比较多，可以传输较高的速率，但是由于工作于毫米波，受气候影响大，抗雨衰性能差，降低了在经济发达的东南沿海地区的可用度。目前通常所说的LMDS为第二代数字系统，主要使用无线ATM传送协议，具有标准化的网络侧接口和网管协议。LMDS具有更高带宽和双向数据传输的特点，可以提供多种宽带交互式数据业务及话音和图像业务。

　　2） MMDS中频宽带（2GHz～5GHz）传输性能好、覆盖范围广、技术成熟、良好的抗雨衰性能、扩容性强、组网灵活且成本具有竞争力，是较为理想的无线接入手段。由于该频段资源比较紧张，能分给MMDS的频段窄，信道数少，需用新技术来提高频谱利用率。

　　3）无线局域网的主要技术有IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g、HiperLAN等。当前最具代表性的是IEEE802.11b。1999年9月通过的IEEE802.11b工作在2.4GHz～2.483GHz频段。802.11b数据速率可以为11Mbit／s、5.5Mbit／s、2Mbit／s、1Mbit／s或更低，根据噪音状况自动调整。目前802.11b已经成为WLAN市场上的主流技术。随着技术的成熟和产品的降价，无线局域网开始大显身手，在机场和写字楼中广泛使用。随着3G的延迟，无线局域网趁势推广与普及，高端移动数据用户被不断分流，未来无线局域网与3G存在一定的互补与竞争关系，爱立信等移动通信设备厂家已将无线局域网作为未来3G的一部分。

　　4）无线城域网WMAN负责对无线本地环路的无线接口及其相关功能制定标准，它由三个小工作组组成：IEEE 802.16.1负责制定频率为10G到60G赫兹的无线接口标准；IEEE 802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3负责制定频率范围在2G到10G赫兹之间获得频率使用许可的应用的无线接口标准。WMAN IEEE 802.16无线服务的作用就是在用户站点同核心网络之间建立起一个通信路径，这个核心网络可以是公用电话网络也可以是因特网，它所关心的是用户的收发机同基站收发机之间的无线接口。其中的协议专门对在网络中传输大数据块时的无线传输地址问题做了规定，协议标准是按照三层结构体系组织的，最底层是物理层，该层的协议主要是关于频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输率和时分复用结构等方面的。对于从用户到基站的通信，使用的是按需分配多路寻址－时分多址DAMA-TDMA技术。DAMA技术是一种根据多个站点之间的容量需要的不同而动态地分配信道容量的技术。通过DAMA－TDMA技术，每个信道的时隙分配可以动态地改变。在物理层之上是数据链路层，在该层上主要是为用户提供服务所需的各种功能。这些功能都包括在介质访问控制MAC层中，主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。MAC协议对基站或用户在什么时候采用何种方式来初始化信道做了规定。因为MAC层之上的一些层如ATM需要提供服务质量服务QoS，所以MAC协议必须能够分配无线信道容量。在MAC层之上是一个汇聚层，该层根据不同服务提供不同的功能。对于IEEE 802.16.1来说，能提供的服务包括数字音频/视频广播、数字电话、异步传输模式ATM、因特网接入、电话网络中无线中继和帧中继。

　　5）蓝牙也是一种使用2.4GHz～2.483GHz的无线频带的通用无线接口技术，提供不同设备间的双向短程通信。蓝牙的目标是最高数据传输速率1Mbit／s（有效传输速率为721kbit／s）、最大传输距离为10cm～10m（增加发射功率可达100m）。蓝牙的优势是设备成本低、体积小。而且，搭配“蓝牙”构造一个整体网路的成本要比铺设线缆低。相对802.11x系列和HiperLAN家族，蓝牙的作用不是为了竞争而是相互补充。

3.5 光纤接入技术

　　宽带光纤接入技术主要有有源光接入和无源光接入方式两种，以及近期浮出水面自由空间光通信FSO宽带接入方式。

　　● 基于SDH技术的有源光接入方式：在各种宽带光纤接入技术中，SDH技术是应用最普遍的有源光接入方式，但仍只是光纤到小区FTTC和光纤到大楼FTTB的程度，光纤的巨大带宽仍然没有到户。SDH技术至今已经是一种成熟、标准的技术，在骨干网中被广泛采用，在边缘网络中应用SDH技术，可以将其在核心网中的巨大带宽优势和技术优势带入边缘网络领域，充分利用SDH同步复用、标准化的光接口、强大的网管能力、灵活网络拓扑能力和高可靠性带来好处。

　　● 无源光网络PON（Passive Optical Network）包括一个安装于中央控制站（CO）的光纤终端（OLT），以及安装于客户端的光纤网络单元（ONTs）。在OLT与ONT之间的光纤分布网络（ODN）包含了光纤以及无光源分波器或耦合器。在PON的架构中，一个OLT下可以有多个无源光网络的单元。宽带PON接入技术在实现光纤到户FTTH方面具有较好的发展前景，其主要有基于ATM的APON、基于以太网的EPON和具有Gbps传送能力的GPON三类。

　　① APON与EPON技术比较：ITU－T制定了APON技术的G.983建议。但它有两个问题：一是传输速率不够高，下行为622 Mbit／s或155 Mbit／s，上行为155 Mbit／s，带宽被16～32个ONU所分享，每个ONU只能得到5～20 Mbit／s。另一个个是与以太网设备相比，ATM交换机和ATM终端设备相当昂贵。而且，现在因特网工作于TCP／IP协议，用户终端设备都是IP设备，采用ATM技术必须将IP包拆分重新封装为ATM信元，这就大大增加了网络的开销。而EPON融合了PON和以太数据产品的优点，能与现有的以太网相兼容，简化了系统结构，设备成本低，系统能够提供高达1 Gbit／s的上下行带宽，EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务，还能兼容未来业务如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等等，实现综合业务接入。虽然APON对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交换MPLS等新的IP网QoS技术的采用，高层协议与EPON MAC协议相配合，EPON已能提供足够的QoS保证，被认为是最终实现FTTH的优选过渡方案。

　　② GPON技术：是由FSAN组织起草的一个超过1Gb/s速率的PON网络标准，提供1.244和2.488Gb/s的上下行速率。FSAN明确定义了GPON系统的服务要求GSR（Gigabit Service Requirement），已成为事实上的官方规范，也代表当今电信运营商对于营运服务的需求。GPON技术必须支持全方位服务，包括话音（TDM、PDH和SONET/SDH）、Ethernet（10/100BaseT）、ATM、专线等等；物理实际覆盖至少20公里，理论上支持60公里；支持同一种协议下的多种速率模式，包括同步622Mb/s，同步1.25Gb/s，以及不同步的下行2.5Gb/s，上行1.25Gb/s等等；针对点对点的服务管理需提供OAM&P（Operation、Administration、Provisioning）的能力；针对PON下行流量是以广播传送的特点，提供协议层的安全保护机制。GPON是依据一个全新传输收敛层（TC - Transmission Convergence Layer）的架构。FSAN采用FlexLight及其他几家设备供应商所提出的以GFP（Generic Framing Procedure）作为服务承载的通信协议。评估一个网络系统的好坏不外乎从其整体的传输效率及支出成本作参考。比较当前无源光网络的技术（APON、EPON 及GPON），令人惊讶的发现，EPON在以太网封包的传输上是效能最低的。这是因为庞大的封包头造成传输上的负担。虽然APON传输速率为622Mbps，但在扣除封包头及其他因素后实际可用来传送数据的速率是448 Mbps，这就是所谓的“收入比特（Revenue bits）”。而GPON 不论是在常规语音及数据传输上皆优于其它两种系统，EPON在常规语音传输上需要外接其他的设备才能提供TDM的服务。　

　　● FSO是光通信和无线通信结合的产物，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统。FSO有两种工作波长：850ns和1550ns。850ns的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。1550ns的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550ns的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550ns波长设备的功率可以比850ns的设备高2个等级。FSO和光纤通信一样，具有频带宽的优势，能支持155Mbps－10Gbps的传输速率，传输距离可达2～4公里，但通常在1公里有稳定的传输效果。FSO是物理层传输设备，以光为传输媒介，任何传输协议均可被承载，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。但是FSO技术由于光信号裸露在大气中进行传输，势必会受到气象条件的影响。风力和大气温度的梯度变化会产生气穴，其密度变化将带来光折射率的变化，这会造成光束强度的瞬时突变，即所谓的“闪光”，影响FSO的通信质量。

4 结束语

　　随着光纤技术的发展，光纤成本的不断下降，为了满足不断发展的互联网新业务和更高带宽的要求，纵览各种边缘网络的宽带接入技术，其中光纤接入技术将得到更大的发展。

参考文献

[1]《xDSL技术及其应用》无线电通信技术 2002.3

[2] Kramer G，Mukherjee B．Ethernet PON（E－PON）：Design and analysis of an optical access network［J］．Phot．Net．Commun，2001，3（3）：307－319．

[3] ITU－T Recommendation G．983－1998，High speed optical access systems based on passive optical network（PON）techniques［S］．

[4] 张继东，陶志勇．EPON的发展状况与关键技术［J］．光通信研究，2002（1）：26－30

作者简介：

　　1．谢新梅（1979-），女，湖南邵东人，南京邮电学院通信与信息系统专业研究生，2001年毕业于南京邮电学院通信工程系，目前主要从事无线和移动IP网络技术，全光互联网的研究。

　　① 宋荣方（1964-），男，江苏常州人。南京邮电学院通信与信息系统专业教授，2001年毕业于东南大学无线电工程专业博士研究生，目前主要从事智能无线互联网，第四代移动通信标准、移动通信网络与系统、宽带码分多址通信和现代通信中得信号处理与智能信息处理研究，承担国家自然基金项目（WCDMA关键技术研究）和原邮电部预研项目（WCDMA系统中时空联合干扰抑制技术研究）各1项。在IEEE Electronics (China)，电子学报，通信学报，电子与信息学报，电波科学学报，电路与系统学报和信号处理等国际国内权威刊物上发表论文数十篇。　

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